KR20140092625A - 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치 - Google Patents

동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 전자 인쇄에 있어서 롤의 인압에 의한 변형 등에 따라 발생되는 롤과 기판 지지부 간의 동기화 오차를 보정할 수 있도록 하는, 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치를 제공함에 있다.

Description

동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치 {Printing apparatus being available to compensate synchronization error}
본 발명은 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치에 관한 것이다.
기존의 전자 소자 제작 기술에서는 리소그래피(lithography) 기술이 널리 사용되어 왔다. 그런데 리소그래피 기술을 사용하여 실제 공정을 구성하자면, 진공 증착, 노광, 현상, 도금 또는 에칭 등 다양하고 복잡한 세부 공정들이 필요하여, 공정 설계 및 장치 구성이 복잡해지는 등의 문제가 있었다. 더불어 다양한 분야에서의 미세 기술의 발전으로 인하여, 굳이 포토 리소그래피가 아니고서도 다른 방식으로 집적 회로를 만들 수 있는 방법이 모색되어 왔다.
전자 인쇄는 간단히 인쇄(printing) 공정을 수행함으로써 전자 소자를 제작하는 방식의 기술이다. 전자 인쇄는 앞서 설명한 포토 리소그래피 공정을 대체함으로써 포토 리소그래피 공정에 내재되어 있는 공정 복잡성을 근본적으로 제거해 줄 수 있기 때문에, 최근 다양한 분야로 적용 범위가 확대되는 등 그에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 최근 활용되고 있는 인쇄 기술로, 비접촉식 인쇄 기술로는 잉크젯, 스프레이, 슬롯다이 코팅 등이 있으며, 접촉식 인쇄 기술로는 그라비아, 그라비아 옵셋, 리버스 옵셋, 스크린 인쇄를 대표적으로 들 수 있다.
한편, 최근 반도체 제작 기술에 있어서 단단한 재질의 기판이 아닌 유연한 재질의 필름 형태의 기판이 사용되는 경우가 증가하고 있다. 이러한 필름 형태의 기판을 사용할 경우 공정 속도가 증대되어 대량 양산이 가능해지는 장점이 있다. 이 때 여기에 상술한 바와 같은 전자 인쇄 기술이 결합되면 더욱 생산 효율이 증가할 수 있다는 점에서, 이러한 롤투롤(roll-to-roll) 생산 방식과 전자 인쇄 기술의 결합에 대한 연구가 매우 활발히 이루어지고 있다.
비접촉식 인쇄 기법의 경우 넓은 면적을 고르게 코팅하는 식의 인쇄를 수행하기에 적합한 반면, 미세한 패턴을 형성하기 위해서는 그라비아, 리버스 옵셋 등과 같은 접촉식 인쇄 기법이 주로 사용된다. 이러한 접촉식 인쇄 기법에서는 연속적 공정을 위해 일반적으로 롤이 많이 사용된다. 즉 롤 상에 인쇄할 패턴이 형성되고, 이 롤 상의 패턴이 기판으로 전사되어 인쇄가 이루어지도록 하는 것이다. 이러한 접촉식 인쇄 기법은 단단한 재질의 기판 또는 유연한 재질의 기판 모두에 적용할 수 있는데, 단단한 재질의 기판의 경우 롤과 스테이지 상에 놓인 기판이 접촉하게 되며, 유연한 재질의 기판의 경우 롤과 다른 롤 또는 다른 평판형 지지부에 의해 지지되는 유연 기판이 접촉하게 된다. 기판을 제외하면 전자의 경우에는 롤과 스테이지가 접촉하는 셈이 되며, 후자의 경우에는 롤과 롤 또는 롤과 평판형 지지부가 접촉하는 셈이 된다.
이러한 롤을 이용한 접촉식 전자 인쇄에 있어서, 롤이 회전하는 속도와 기판을 지지하는 기판 지지부가 이동하는 속도가 잘 동기화되어야 함은 당연하다. 이 동기화가 제대로 이루어지지 않을 경우 롤이 미끄러지는 등의 문제가 발생하여 기판 상에 패턴이 올바르게 인쇄되지 못하는 것이다.
롤의 회전 속도와 기판 지지부의 이동 속도를 동기화하기 위해서는 롤의 반경 및 롤의 회전 각속도의 곱과 기판 지지부의 선형 이동 속도가 동일하게 만들어 주기만 하면 된다. 그런데, 실제로는 롤의 표면이 고무 등과 같은 유연한 재질로 되어 있으며, 롤이 기판 상에 인압되면서 인쇄 작업이 수행되기 때문에 즉 인쇄 위치에서 롤이 눌려져서 반경이 변화하게 된다. 이에 따라 단순히 변형이 일어나지 않은상태의 롤의 반경 및 롤의 회전 각속도의 곱과 기판 지지부의 선형 이동 속도를 동일하게 맞추어 준다고 해도, 실제 인쇄 작업 시에는 롤 반경의 변화로 인하여 롤과 기판 간 동기화 오차가 발생하게 된다.
종래에 접촉식 인쇄에 있어서의 오차 보정을 위한 여러 기술이 개시된 바 있다. 한국특허등록 제0981278호("롤과 기판의 정렬오차 보정이 가능한 유연 전자소자의 인쇄 장치 및 그 인쇄 방법", 2010.09.03), 일본특허공개 제2011-173393호("인쇄용 롤과 판, 인쇄 대상의 경사 보정 장치", 2011.09.08), 일본특허공개 제2011-037239호("인쇄 위치 오차 보정 방법 및 장치 ", 2011.02.24) 등에서는 인쇄 위치의 정렬을 위한 다양한 오차의 보정 기술이 개시되는데, 이들은 원천적으로 상술한 바와 같은 롤과 기판 지지부 간의 동기화 오차를 전혀 보정할 수 없다. 일본특허공개 제2004-058536호("동기 보상 장치", 2004.02.26)에는 롤과 기판 간의 미끄러짐에 의해 발생되는 오차를 보정하기 위한 기술이 개시되기는 하나, 이는 단지 윤전 인쇄기에서 주행지가 올바르게 이송되고 있는지를 선단 검출기로 검출하여 홀더 등의 회전을 제어하는 것으로서, 롤의 반경이 변화하는 경우에 대한 전제가 전혀 없어 상술한 바와 같은 롤과 기판 지지부 간의 동기화 오차 문제에 대한 해결 방안이 전혀 없다.
이처럼 종래에는, 전자 인쇄에 있어서 롤의 인압에 의한 변형 등에 따라 발생되는 롤과 기판 지지부 간의 동기화 오차를 보정할 수 있는 방안이 전혀 없어, 인쇄 정밀도 향상에 큰 제한이 발생하는 문제가 있었다.
1. 한국특허등록 제0981278호("롤과 기판의 정렬오차 보정이 가능한 유연 전자소자의 인쇄 장치 및 그 인쇄 방법", 2010.09.03) 2. 일본특허공개 제2011-173393호("인쇄용 롤과 판, 인쇄 대상의 경사 보정 장치", 2011.09.08) 3. 일본특허공개 제2011-037239호("인쇄 위치 오차 보정 방법 및 장치 ", 2011.02.24) 4. 일본특허공개 제2004-058536호("동기 보상 장치", 2004.02.26)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전자 인쇄에 있어서 롤의 인압에 의한 변형 등에 따라 발생되는 롤과 기판 지지부 간의 동기화 오차를 보정할 수 있도록 하는, 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치(100)는, 표면이 유연 재질로 형성되는 롤(111)과, 상기 롤(111)을 회전시키는 모터(112)를 포함하여 이루어지는 회전부(110); 상부에 기판(500)이 배치되어 상기 기판(500)을 지지하며, 상기 회전부(110)와 상기 롤(111)의 접선 방향과 나란한 방향으로 상대 이동 가능하게 형성되는 지지부(120); 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 간격을 변화시켜 상기 롤(111)을 상기 기판(500)에 밀착 및 인압 가능하도록 형성되는 인압부(130); 상기 기판(500)이 그 위에 배치되도록 상기 지지부(120)에 연결되어 구비되며, 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로의 이동만을 허용하도록 형성되는 플렉셔(flexure) 구조로 이루어지는 보정부(140); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때 상기 보정부(140)는, 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로의 상기 플렉셔 구조의 탄성 계수를 k1이라 하고, 상기 롤(111) 및 상기 기판(500)의 접촉 위치에서 상기 롤(111) 및 상기 기판(500) 간 변위(x) 및 마찰력(F)이 탄성 변형 특성을 가지는 구간에서 상기 롤(111) 및 상기 기판(500) 간 가상 탄성 계수를 k2라 할 때, k2는 k1의 10 내지 1000배 범위 내의 크기를 가지는 것이 바람직하다.
이 때 상기 보정부(140)는, 플렉셔(flexure) 구조 또는 롤링 베어링 구조로 이루어질 수 있다.
이 때 상기 보정부(140A)는, 상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140A1)와, 상기 배치부(140A1)의 하단에 구비되어 상기 배치부(140A1)를 상기 지지부(120)와 연결하는 링크부(140A2)와, 상기 링크부(140A2)가 상기 배치부(140A1) 또는 상기 지지부(120)와 연결되는 지점에 구비되며 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로 회전하도록 형성되는 힌지부(140A3)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또는 상기 보정부(140B)는, 상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140B1)와, 상기 배치부(140B1)의 하단에 구비되어 상기 배치부(140B1)를 상기 지지부(120)와 연결하는 링크부(140B2)와, 상기 링크부(140B2)가 상기 배치부(140B1) 또는 상기 지지부(120)와 연결되는 지점에 구비되며 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로 함몰 형성되는 노치부(140B3)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또는 상기 보정부(140C)는, 상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140C1)와, 상기 지지부(120) 상에 고정 구비되는 복수 개의 연결부(142C2)와, 상기 배치부(140C1)가 상기 연결부(142C2)와 연결되는 지점에 구비되며 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로 인장 또는 수축되도록 형성되는 판스프링부(140C3)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또는 상기 보정부(140D)는, 상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140D1)와, 상기 지지부(120) 및 상기 배치부(140D1) 사이에 구비되는 롤링 베어링(140D2)을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 상기 지지부(120)는, 평판형 기판을 지지하는 평판형 스테이지 형태로 형성되거나, 유연 기판을 지지하는 롤 형태로 형성되거나, 유연 기판을 지지하는 평판형 스테이지 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 전자 인쇄에 있어서 롤의 인압에 의한 변형 등에 따라 발생되는 롤과 기판 지지부 간의 동기화 오차를 보정할 수 있도록 하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 전자 인쇄에 사용되는 롤은 표면이 고무 등과 같이 유연하고 탄성을 가지는 재질로 이루어지며, 롤 상에 전자 인쇄용 잉크로 형성되어 있는 패턴을 기판 상에 인압하여 전사함으로써 기판 상에 패턴의 인쇄가 이루어지게 되는데, 이 과정에서 롤의 반경이 변화하게 됨으로써 변형 이전의 원래 롤 반경 및 회전 각속도로 계산한 인쇄 위치에서의 접선 속도와 기판 지지부의 선형 이동 속도 간에 동기화가 이루어지지 못하여 동기화 오차가 발생하게 된다. 종래에는 이러한 동기화 오차를 보정할 수 있는 방법이 전혀 없었으며 따라서 인쇄 정밀도의 향상에 큰 제한이 있었다.
본 발명에 의하면, 동기화 오차 발생 시 인쇄 위치에서의 접선 방향의 마찰력이 발생되는 현상을 이용하여, 기판을 받치고 있는 지지부에 플렉셔 구조가 형성되도록 함으로써, 마찰력이 발생되면 플렉셔 구조가 자연히 이동하여 동기화 오차가 자연히 보정되도록 하는 수동적인 보정을 통해, 이러한 동기화 오차를 보정할 수 있게 해 주는 큰 효과가 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 이러한 동기화 오차를 보정해 줌으로써 인쇄 정밀도를 종래에 비해 비약적으로 향상시키는 효과를 얻을 수 있게 된다. 뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 보정을 위한 별도의 제어 장치 등을 필요로 하지 않고 단지 플렉셔 구조를 도입함으로써 보정이 이루어질 수 있도록 함으로써, 보정을 할 수 있음에도 불구하고 장치 구성에 드는 비용이 거의 늘지 않도록 하는 경제적인 효과 또한 있다.
도 1은 종래의 일반적인 롤을 사용하는 접촉식 인쇄 장비의 구조.
도 2는 롤의 회전 및 기판의 상대 이동 및 동기화 오차 발생 원리.
도 3은 본 발명의 인쇄 장치의 한 실시예.
도 4는 본 발명의 인쇄 장치의 한 실시예의 일부 상세도.
도 5는 접촉 위치의 미세 형상 및 모델링 예시.
도 6은 마찰력과 상대 변위 / 마찰력과 상대 속도 간 관계 그래프.
도 7은 본 발명의 인쇄 장치의 한 실시예에서의 모델링 예시.
도 8은 본 발명의 보정부의 여러 실시예.
도 9는 지지부 형태의 여러 예시.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
먼저, 전자 인쇄에서 발생되는 동기화 오차에 대하여 보다 구체적으로 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 일반적인 롤을 사용하는 접촉식 인쇄 장비의 구조를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 일반적으로 롤을 사용하는 접촉식 인쇄 장비는, 롤(111') 및 모터(112')로 이루어지는 회전부(110'), 기판(500')을 지지하는 지지부(120'), 상기 회전부(110')를 상하 이동 가능하도록 이루어져 상기 지지부(120') 상에 배치된 상기 기판(500')상에 상기 롤(111')을 인압시키는 인압부(130')를 포함하여 이루어진다. 도면 상에서는 상기 지지부(120')가 스테이지 형태로 되어 있는 예시를 도시하고 있으며 이러한 경우에는 상기 기판(500')이 단단한 재질로 되는데, 물론 상기 기판(500')이 유연한 재질로 되는 경우라면 상기 지지부(120')는 롤 형태로 될 수 있는 등 상기 지지부(120')의 형태가 반드시 스테이지 형태인 것으로 한정되지는 않는다. 간략하게 인쇄 원리를 설명하자면, 상기 롤(111') 상에 전자 인쇄용 잉크로 패턴이 형성되어 있는 상태에서, 상기 롤(111')이 상기 인압부(130')의 하강에 의해 상기 기판(500')을 누르게 된다. 이 상태로 상기 롤(111')이 회전하고, 또한 이와 동기화된 속도로 상기 지지부(120')가 상대 이동함으로써, 상기 롤(111') 상의 패턴이 상기 기판(500') 상으로 전사됨으로써 상기 기판(500') 상에 패턴 인쇄가 이루어지게 된다. 이 때, 도 1 상의 예시에 나타난 바와 같이 상기 롤(111')이 회전함과 동시에 선형 이동을 함으로써 상기 회전부(110') 및 상기 지지부(120') 간 상대 이동이 이루어질 수도 있으나 물론 이에 한정되는 것은 아니고, 또는 상기 회전부(110')는 상기 롤(111')을 회전시키기만 하고 상기 지지부(120')가 직접 이동을 함으로써 상기 회전부(110') 및 상기 지지부(120') 간 상대 이동이 이루어질 수도 있는 등, 상기 회전부(110') 및 상기 지지부(120') 간 상대 이동이 이루어지기만 한다면 어느 쪽이 이동하도록 형성되든 무방하다.
도 2는 동기화 오차 발생 원리를 도시한 것이다. 도 2(A')는 이상적인 경우를 도시하고 있다. 상기 롤(111')이 강체로서 반경이 R로 고정되어 변화하지 않고, 또한 상기 모터(112')가 상기 롤(111')를 회전시키는 회전 속도가 ω로 일정하게 유지되고, 상기 지지부(120')의 상기 롤(111')과의 상대 이동 속도가 V로 일정하게 유지된다고 할 경우, Rω = V가 되도록 해 주기만 하면 이상적으로 동기화가 이루어지게 된다.
그런데 실제로는, 앞서 설명하고 도 2(B')에 도시되어 있는 바와도 같이, 상기 롤(111')은 표면이 고무 등과 같은 유연한 재질로 되어 있으며, 상기 인압부(130')가 상기 회전부(110')를 상기 기판(500') 상에 눌러 주는 과정에서 인쇄 위치에서 상기 롤(111')의 형상에 변형이 일어나게 된다. 즉 상기 롤(111')의 반경은 R + ΔR이 되며, 상기 모터(112')의 회전이나 상기 지지부(120') 이동 역시 실제로는 항상 이상적으로 일정하게 유지되지 못하므로, 회전 속도도 ω + Δω가 되고, 이동 속도도 V + ΔV가 된다. 이에 따라 (R + ΔR)(ω + Δω) - (V + ΔV) 만큼의 동기화 오차가 필연적으로 발생하게 되는 것이다.
이 중에서도 특히 상기 롤(111') 반경의 변화는 동기화에 치명적인 오차를 발생시킨다. 종래에도 인쇄 품질 향상을 위해 다양한 관점에서의 연구가 이루어져 왔으나, 이러한 회전부(110')와 지지부(120') 간 상대 운동의 차이로 발생되는 동기화 오차의 해결에 대한 연구는 현재 전무한 실정이다. 그러나 이러한 동기화 오차가 인쇄 품질에 끼치는 영향은 무시할 수 없을 정도로 크다. 실제로 일반적으로 사용되는 전자 인쇄 장비에서, 롤이 눌려진 상태에서 롤이 눌리지 않았다고 가정하고 제어할 경우 오차가 얼마나 나오는지를 시뮬레이션하였을 때 10㎛ 정도의 오차가 나올 수 있다는 점이 밝혀졌는데, 미세 패턴 인쇄 공정에서 이 정도의 오차는 패턴 인쇄가 불가능할 정도의 큰 오차이다. 예를 들어 1㎛ 짜리 선폭의 패턴을 인쇄하려고 하는 경우, 인쇄 장비에서 발생되는 오차가 아무리 크다 해도 1㎛보다는 작아야만 함이 당연한데, 이처럼 10㎛ 정도의 오차가 나올 수 있는 인쇄 장비로 인쇄를 한다면 원하는 품질의 인쇄를 수행하는 것이 거의 불가능하게 된다. 바로 이러한 문제 때문에, 전자 인쇄에서의 인쇄 정밀도에 큰 한계가 발생하는 문제가 종래에 꾸준히 있어 왔던 것이다.
본 발명에서는 바로 이러한 동기화 오차 문제를 해소하기 위하여, 다음과 같은 동기화 오차 보정 인쇄 장치를 제시한다.
도 3은 본 발명의 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치를 도시한 것이다. 본 발명의 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치(100)는, 회전부(110), 지지부(120), 인압부(130) 및 보정부(140)를 포함하여 이루어진다. 부연하자면, 상기 회전부(110), 상기 지지부(120), 상기 인압부(130)는 종래의 전자 인쇄 장비에서의 각부와 동일한 것으로, 즉 본 발명의 인쇄 장치(100)는 동기화 오차를 계측하고 보정하면서 궁극적으로는 전자 인쇄를 수행하는 장치이다. 이하 각부에 대하여 설명한다.
상기 회전부(110)는, 표면이 유연 재질로 형성되는 롤(111)과, 상기 롤(111)을 회전시키는 모터(112)를 포함하여 이루어진다. 앞서 설명한 바와 같이, 전자 인쇄에서 접촉식 인쇄 기법을 사용하는 경우, 상기 롤(111) 표면에 전자 인쇄용 잉크로 패턴이 형성된 후, 이를 상기 기판(500) 상에 꾹 눌러 찍어 줌으로써 인쇄가 이루어지게 된다. 따라서 상기 롤(111)은 그 표면이 일반적으로 고무, PDMS 등과 같은 유연 재질로 이루어진다는 점이 잘 알려져 있다.
상기 지지부(120)는, 상부에 기판(500)이 배치되어 상기 기판(500)을 지지하며, 상기 회전부(110)와 상기 롤(111)의 접선 방향과 나란한 방향으로 상대 이동 가능하게 형성된다. 상기 지지부(120)가 이와 같이 상기 롤(111)의 접선 방향과 나란한 방향으로 상대 이동됨으로써, 상기 롤(111)의 회전에 따라 상기 기판(500)이 이동되어 상기 롤(111) 상의 패턴이 상기 기판(500) 상에 원활하게 전사되어 인쇄될 수 있게 된다.
도 3에서는, 상기 지지부(120)는 단단한 재질의 평판형 기판에의 인쇄가 가능하도록 평판형 스테이지 형태로 되어 있으며, 상기 지지부(120)가 고정되어 있고 상기 회전부(110)가 상기 지지부(120) 상에서 이동 가능하게 형성되는 예시가 도시되어 있다. 그러나 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 전혀 아니며, 상기 회전부(110)는 고정되어 있되 상기 지지부(120)에 별도의 액추에이터 등이 구비됨으로써 상기 기판(500)을 이동시키도록 형성될 수도 있고, 또는 상기 회전부(110)와 상기 지지부(120) 둘 다 이동 가능하게 형성될 수도 있다. 또한, 도 3에서는 상기 지지부(120)가 평판형 스테이지 형태인 예시가 도시되어 있으나, 유연 기판에 인쇄를 수행하고자 하는 경우 상기 지지부(120)가 롤 형태로 되어 있을 수도 있고, 또는 유연 기판을 지지하되 유연 기판의 인쇄 위치 양측에 롤이 구비되도록 하고 인쇄 위치 부분에서는 유연 기판을 평판형 스테이지로 지지하는 형태로 형성되어도 되는 등, 적용 가능한 기판 지지 구조 중 어떤 것을 상기 지지부(120)로서 채용하여도 무방하다.
상기 인압부(130)는, 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 간격을 변화시켜 상기 롤(111)을 상기 기판(500)에 밀착 및 인압 가능하도록 형성된다. 즉 상기 인압부(130)가 상기 롤(111)을 하강시켜 상기 기판(500) 상에 눌러 주고, 이 상태에서 상기 롤(111)이 회전함으로써 상기 기판(500) 상에 인쇄가 이루어지게 되는 것이다. 상기 인압부(130)는 또한, 인쇄 작업이 이루어지지 않을 때, 예를 들어 상기 지지부(120) 상에 인쇄 작업이 이루어질 빈 기판(500)이 놓여지는 시점 등의 경우에는 상기 롤(111)을 상승시켜 충분한 작업 공간이 확보되도록 한다.
상기 보정부(140)가 바로 본 발명의 가장 핵심적인 구성으로, 상기 보정부(140)에 의해 동기화 오차를 보정하게 된다. 상기 보정부(140)는, 상기 기판(500)이 그 위에 배치되도록 상기 지지부(120)에 연결되어 구비되며, 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로의 이동만을 허용하도록 형성되는 플렉셔(flexure) 구조로 이루어진다. 도 4는 상기 보정부(140)의 배치 구조를 보다 상세히 도시한 단면도이다. 도 4를 통해 상기 보정부(140)가 플렉셔 구조로 되는 것으로 어떻게 보정이 이루어질 수 있는지에 대하여 보다 상세히 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 동기화 오차가 발생되면 상기 롤(111) 및 상기 기판(500)의 접촉 위치에서 상기 롤(111) 및 상기 기판(500) 사이에 작용하는 힘이 발생된다. 상기 롤(111) 및 상기 기판(500) 사이에 작용하는 힘 중 상기 롤(111)의 접선 방향으로 작용하는 힘은 마찰력이다. 만일 상기 회전부(110)와 상기 이동부(120) 간의 동기화 오차가 전혀 없다면, 상기 롤(111) 및 상기 기판(500) 사이에는 마찰력이 발생되지 않을 것이다. 그러나 동기화 오차가 발생할 경우에는, 상기 롤(111)이 밀리거나 상기 기판(500)이 밀리는 현상이 발생하게 되며, 이 때 마찰력이 발생하게 되는 것이다. 보다 구체적으로 설명하자면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 롤(111)은 상기 기판(500)을 눌러 인쇄를 수행하는 과정에서 그 표면이 유연한 재질로 되어 있기 때문에 반경이 변화하게 된다(R + ΔR). 또한 상기 모터(112)의 회전 속도(ω)나 상기 회전부(110)와 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 속도(V)도, 외란(disturbance)에 의하여 실제 인가한 회전 속도(ω)나 이동 속도(V)와 비교하여 오차가 발생할 수 있다(ω + Δω / V + ΔV). 이에 따라 인쇄 위치에서 상기 롤(111)과 상기 기판(500) 간에 (R + ΔR)(ω + Δω) - (V + ΔV)의 동기화 오차가 발생하게 되며, 이 동기화 오차에 의하여 상기 롤(111)이나 상기 기판(500)이 밀림으로써 마찰력(F)이 발생된다.
한편, 도 5는 접촉 위치의 미세 형상 및 모델링 예시를 도시하고 있다. 상기 롤(111)과 상기 기판(500)의 접촉 위치를 미시적으로 보자면, 도 5(A) 우측의 확대도와 같은 형태로 나타나게 된다. 즉 미시적으로 볼 때 양 표면은 실제로 완전히 평탄한 것이 아니라 도 5(A) 우측의 확대도와 같이 미세한 굴곡이 형성되어 있으며, 실제로 접촉된 지점(접촉점)과 그렇지 않은 부분들이 존재하게 되는 것이다. 이 때 동기화 오차가 발생하여 전단력(shear force)이 작용하면, 접촉점 위치에서 양 표면이 서로 접촉해 있는 채로 양쪽으로 밀리면서 변형이 일어나게 된다. 변위가 크지 않은 범위에서는 이 변형은 탄성(elastic) 변형이 되고, 한계점을 넘어가게 되면 소성(plastic) 변형이 일어나게 된다. 도 6은 마찰력(F)과 상기 회전부(110)와 상기 지지부(120) 간의 상대 변위(x) 간의 관계 그래프(도 6(A)) 및 마찰력(F)과 상기 회전부(110)와 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 속도(V) 간의 관계 그래프(도 6(B))이다. 도 6(A)에서 변위(x)가 0 근처인 부분에서는 변위(x)와 마찰력(F) 간 관계가 거의 정비례하는 형태로 나타나게 됨을 확인할 수 있다.
이 때 탄성 변형이 일어나는 구간에서는, 상기 접촉점 위치에서 두 물체가 도 5(B)에 도시되어 있는 바와 같이 가상의 스프링으로 연결되어 있는 것으로 간주할 수 있다. 이러한 탄성 변형이 일어나는 구간은, 접촉하고 있는 두 물체가 예를 들어 금속 등과 같은 재질일 경우에는 매우 짧지만, 두 물체 중 적어도 하나가 고무, PDMS 등과 같은 유연한 재질일 경우에는 상당히 길다는 점이 잘 알려져 있다. 본 발명에서 고려하고 있는 롤(111)과 기판(500) 간의 접촉은, 롤(111) 표면이 유연 재질로 되어 있기 때문에 바로 후자(탄성 변형이 일어나는 구간이 긴 경우)에 해당하는 것이다.
도 7은 본 발명의 인쇄 장치의 한 실시예에서의 모델링의 예시를 도시하고 있다. 먼저 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로의 상기 플렉셔 구조의 탄성 계수를 k1이라 한다. 또한 도 5 및 도 6으로 설명한 바와 같은 관점에서, 상기 롤(111) 및 상기 기판(500)의 접촉 위치에서 상기 롤(111) 및 상기 기판(500)이 가상의 스프링으로 연결되어 있다고 하고 그 가상 탄성 계수를 k2라 한다. 만일 k2가 k1보다 작거나 비슷하다면 상기 롤(111) 및 상기 기판(500)에서 마찰력이 발생한다 하더라도 그대로 밀려서 미끄러져 버리게 되어 동기화 오차 발생을 막을 수 없게 된다. 그러나 k2가 k1보다 훨씬 클 경우에는, 상기 롤(111) 및 상기 기판(500) 간 마찰력 발생 시 미끄러지는 대신 상기 기판(500)이 마찰력이 발생하는 정도에 따라 움직여 버리게 되어, 동기화 오차가 자연히 발생하지 않게 된다.
보다 쉬운 예시로 설명하자면 다음과 같다. 어떤 두 물체가 상하로 적층 배치되어 있다고 가정한다. k2가 k1보다 작거나 비슷하다는 것은, 하측 물체가 단단히 고정되어 있는 상태에서 상측 물체를 미는 경우라고 볼 수 있다. 이 경우 하측 물체는 단단히 고정되어 있으므로 상측 물체가 밀림에 따라 상하 간의 상대 변위가 발생하게 된다. (이 상하 간의 상대 변위가 바로 동기화 오차에 해당한다.) 반면 k2가 k1보다 훨씬 크다는 것은, 상측 물체가 밀리는 방향으로 하측 물체가 쉽게 이동 가능하게 형성되는 경우라고 볼 수 있다. 이 경우 상측 물체를 밀어 주면, 하측 물체는 상측 물체와 붙은 채로 함께 움직이게 되어, 상하 간의 상대 변위가 발생하지 않게 된다. 다시 말해, 하측 물체를 상측 물체와 전단력에 의해 떼어내려는 힘(k2에 비례함)이 하측 물체를 이동시킬 수 있는 힘(k1에 비례함)보다 훨씬 크다면, 상하 물체가 적층되어 있는 상태에서 상측 물체만 밀어도 하측 물체가 같이 밀려 움직이므로, (동기화 오차에 해당하는) 상하 간 상대 변위가 발생하지 않게 되는 것이다.
플렉셔 구조로 된 상기 보정부(140)가 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간 동기화 오차를 보정하는 원리가 바로 이것이다. 즉 도 7의 모델링 예시에서 나타나 있는 바와 같이, 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로의 상기 플렉셔 구조의 탄성 계수를 k1이라 하고, 상기 롤(111) 및 상기 기판(500)의 접촉 위치에서 상기 롤(111) 및 상기 기판(500) 간 변위(x) 및 마찰력(F)이 탄성 변형 특성을 가지는 구간에서 상기 롤(111) 및 상기 기판(500) 간 가상 탄성 계수를 k2라 할 때, k2가 k1보다 충분히 크게 설정되도록 상기 플렉셔 구조를 설계해 주기만 한다면, 앞서 설명한 바와 같은 원리로 동기화 오차가 자연히 보정될 수 있게 되는 것이다.
이러한 동기화 오차의 보정이 원활하게 이루어질 수 있도록 하기 위해서, k2는 k1의 10 내지 1000배 범위 내의 크기를 가지도록 할 수 있다. 본 출원인은 앞서 설명한 바와 같은 원리에 의한 보정 현상이 충분히 발생할 수 있으려면 최소한 k2는 k1의 10배 이상이 되어야 함을 실험적으로 확인하였으며, k2가 k1의 1000배 이상이 되도록 설계하려고 할 경우 일반적인 롤 및 기판 접촉 시에서의 k1의 크기를 고려할 때 상기 플렉셔 구조의 강성이 지나치게 약해질 수 있기 때문에, k2는 k1의 10 내지 1000배 범위 내의 크기를 가지도록 하는 것이 바람직한 것이다.
이와 같이 본 발명의 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치에 의하면, 전자 인쇄 시 (특히 롤의 변형에 의하여) 롤 및 기판 간에 발생하는 동기화 오차를 보정하여 줌으로써, 롤 및 기판 간 미끄러짐에 의해 발생되는 오차를 크게 줄일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 종래에는 이와 같은 동기화 오차를 보정하려는 시도가 전혀 없었기 때문에, 이러한 동기화 오차에 의해 발생되는 인쇄 정밀도 저하 문제를 해결할 수 있는 방안이 없었으나, 본 발명에 의하면 동기화 오차를 보정하여 이러한 문제를 원천적으로 해결하기 때문에, 궁극적으로는 인쇄 정밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있게 되는 큰 효과가 있는 것이다.
도 8은 본 발명의 보정부의 여러 실시예를 도시하고 있다.
도 8(A)는 제1실시예의 보정부(140A)의 구체적인 구조를 도시한다. 제1실시예에서 상기 보정부(140A)는, 상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140A1)와, 상기 배치부(140A1)의 하단에 구비되어 상기 배치부(140A1)를 상기 지지부(120)와 연결하는 링크부(140A2)와, 상기 링크부(140A2)가 상기 배치부(140A1) 또는 상기 지지부(120)와 연결되는 지점에 구비되며 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로 회전하도록 형성되는 힌지부(140A3)를 포함하여 이루어진다. 즉 상기 힌지부(140A3)의 회전 방향이 한 방향으로 고정되어 있기 때문에, 상기 배치부(140A1)는 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로만 이동 가능하고, 나머지 방향으로의 이동은 불가능하도록 이루어지는 것이다.
도 8(B)는 제2실시예의 보정부(140B)의 구체적인 구조를 도시한다. 제2실시예에서 상기 보정부(140B)는, 상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140B1)와, 상기 배치부(140B1)의 하단에 구비되어 상기 배치부(140B1)를 상기 지지부(120)와 연결하는 링크부(140B2)와, 상기 링크부(140B2)가 상기 배치부(140B1) 또는 상기 지지부(120)와 연결되는 지점에 구비되며 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로 함몰 형성되는 노치부(140B3)를 포함하여 이루어진다. 상기 노치부(140B3)에 의하여, 상기 링크부(140B2)의 상하 양단은 외부 힘에 의해 쉽게 휨 방향의 탄성 변형이 일어날 수 있게 되며, 앞서 설명한 바와 같은 상기 보정부(140)의 운동 조건을 만족하는 운동을 실현할 수 있다.
도 8(C)는 제3실시예의 보정부(140C)의 구체적인 구조를 도시한다. 제3실시예에서 상기 보정부(140C)는, 상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140C1)와, 상기 지지부(120) 상에 고정 구비되는 복수 개의 연결부(142C2)와, 상기 배치부(140C1)가 상기 연결부(142C2)와 연결되는 지점에 구비되며 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로 인장 또는 수축되도록 형성되는 판스프링부(140C3)를 포함하여 이루어진다. 상기 판스프링부(140C3) 자체의 구조적 특성에 의하여, 제3실시예의 보정부(140C) 역시 앞서 설명한 바와 같은 상기 보정부(140)의 운동 조건을 만족하는 운동을 실현할 수 있다.
도 8(D)는 제4실시예의 보정부(140D)의 구체적인 구조를 도시한 것이다. 제4실시예는 앞서 설명한 바와 같이 보정부가 롤링 베어링 구조로 되어 있는 예시로서, 제4실시예에서 상기 보정부(140D)는, 상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140D1)와, 상기 지지부(120) 및 상기 배치부(140D1) 사이에 구비되는 롤링 베어링(140D2)을 포함하여 이루어진다. 상기 롤링 베어링(140D2) 역시 마찰력 방향으로의 이동만 허용하도록 이루어지므로, 역시 앞서 설명한 바와 같은 상기 보정부(140)의 운동 조건을 만족하는 운동을 실현할 수 있다.
더불어, 앞서의 도면들에서는 상기 지지부(120)가 평판형 기판을 지지하는 평판형 스테이지 형태를 가진 것으로 예시되어 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 물론 아니다. 도 9는 지지부 형태의 여러 예시를 도시하는 것으로서, 도 9(A)는 상기 지지부(120)가 평판형 기판을 지지하는 평판형 스테이지 형태인 경우를, 도 9(B)는 상기 지지부(120)가 유연 기판을 지지하는 평판형 스테이지 형태인 경우를, 도 9(C)는 상기 지지부(120)가 유연 기판을 지지하는 롤 형태인 경우를 각각 도시하고 있다. 이와 같이 상기 지지부(120)는 기판의 종류에 따라 적절하게 선택적으로 사용될 수 있으며, 물론 이에 따라 상기 보정부(140)의 형태 역시 이에 맞게 적절히 설계 변경될 수 있다. 앞서의 예시들에서 상기 보정부(140)의 다양한 실시예들은 실질적으로 도 9(A)에 도시된 바와 같은 평판형 기판을 지지하는 평판형 스테이지에 적절한 형태였으나, 이러한 실시예들은 도 9(B)에 도시된 바와 같은 유연 기판을 지지하는 평판형 스테이지에도 모두 그대로 적용 가능하다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들만으로도, 평판형 기판이나 유연 기판 모두에 본 발명의 기술이 적용 가능함이 당연하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 인쇄 장치 110: 회전부
111: 롤 112: 모터
120: 지지부 130: 인압부
140: 보정부
140A: 보정부 제1실시예
140A1: (보정부 제1실시예의) 배치부
140A2: (보정부 제1실시예의) 링크부
140A3: (보정부 제1실시예의) 힌지부
140B: 보정부 제2실시예
140B1: (보정부 제2실시예의) 배치부
140B2: (보정부 제2실시예의) 링크부
140B3: (보정부 제2실시예의) 노치부
140C: 보정부 제3실시예
140C1: (보정부 제3실시예의) 배치부
140C2: (보정부 제3실시예의) 연결부
140C3: (보정부 제3실시예의) 판스프링부
140D: 보정부 제4실시예
140D1: (보정부 제4실시예의) 배치부
140D2: (보정부 제4실시예의) 롤링 베어링

Claims (8)

  1. 표면이 유연 재질로 형성되는 롤(111)과, 상기 롤(111)을 회전시키는 모터(112)를 포함하여 이루어지는 회전부(110);
    상부에 기판(500)이 배치되어 상기 기판(500)을 지지하며, 상기 회전부(110)와 상기 롤(111)의 접선 방향과 나란한 방향으로 상대 이동 가능하게 형성되는 지지부(120);
    상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 간격을 변화시켜 상기 롤(111)을 상기 기판(500)에 밀착 및 인압 가능하도록 형성되는 인압부(130);
    상기 기판(500)이 그 위에 배치되도록 상기 지지부(120)에 연결되어 구비되며, 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로의 이동만을 허용하도록 형성되는 구조로 이루어지는 보정부(140);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 보정부(140)는
    상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로의 상기 플렉셔 구조의 탄성 계수를 k1이라 하고,
    상기 롤(111) 및 상기 기판(500)의 접촉 위치에서 상기 롤(111) 및 상기 기판(500) 간 변위(x) 및 마찰력(F)이 탄성 변형 특성을 가지는 구간에서 상기 롤(111) 및 상기 기판(500) 간 가상 탄성 계수를 k2라 할 때,
    k2는 k1의 10 내지 1000배 범위 내의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 보정부(140)는
    플렉셔(flexure) 구조 또는 롤링 베어링 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 보정부(140A)는
    상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140A1)와, 상기 배치부(140A1)의 하단에 구비되어 상기 배치부(140A1)를 상기 지지부(120)와 연결하는 링크부(140A2)와, 상기 링크부(140A2)가 상기 배치부(140A1) 또는 상기 지지부(120)와 연결되는 지점에 구비되며 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로 회전하도록 형성되는 힌지부(140A3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 보정부(140B)는
    상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140B1)와, 상기 배치부(140B1)의 하단에 구비되어 상기 배치부(140B1)를 상기 지지부(120)와 연결하는 링크부(140B2)와, 상기 링크부(140B2)가 상기 배치부(140B1) 또는 상기 지지부(120)와 연결되는 지점에 구비되며 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로 함몰 형성되는 노치부(140B3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 보정부(140C)는
    상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140C1)와, 상기 지지부(120) 상에 고정 구비되는 복수 개의 연결부(142C2)와, 상기 배치부(140C1)가 상기 연결부(142C2)와 연결되는 지점에 구비되며 상기 회전부(110) 및 상기 지지부(120) 간의 상대 이동 방향과 나란한 방향으로 인장 또는 수축되도록 형성되는 판스프링부(140C3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 보정부(140D)는
    상기 기판(500)이 그 위에 배치되는 배치부(140D1)와, 상기 지지부(120) 및 상기 배치부(140D1) 사이에 구비되는 롤링 베어링(140D2)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 지지부(120)는
    평판형 기판을 지지하는 평판형 스테이지 형태, 유연 기판을 지지하는 롤 형태, 유연 기판을 지지하는 평판형 스테이지 형태 중 선택되는 적어도 한 가지 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 동기화 오차를 보정하는 인쇄 장치.
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JP5526651B2 (ja) * 2009-08-18 2014-06-18 株式会社Ｉｈｉ 印刷位置誤差補正方法及び装置

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