보쉬렉스로스(Bosch Rexroth)의 혁신적인 인쇄전자 솔루션

보쉬렉스로스(Bosch Rexroth)의 혁신적인 인쇄전자 솔루션
Bosch Rexroth LMS (Linear Motion System) Solution

 

18세기에 산업혁명이 내연기관과 동력기관의 혁신에서 비롯되었고, 20세기의 산업혁명은 인터넷을 비롯한 국지적 네트워크에서 촉발되었으며, 21세기의 산업혁명은 스마트기기로 대표되는 기술(Technology)과 소셜 네트워크로 대표되는 스토리(Story)가 융합되어 만나면서 오픈 이노베이션 혁명이 진행형인 상태로 일어나고 있다. 21세기형 산업혁명은 뉴일렉트로닉스(New Electronics)를 촉발시켰고, 유비쿼터스(Ubiquitos) 개념처럼 어디서나 연결되어 무엇이든 할 수 있는 기술과 스토리의 융합을 현실화시켜 줄 새로운 제조기술을 필요로 하게 되었다. 즉, 센서, 에너지 하베스팅, 에너지 스토리징, 조명, 디스플레이, 전자회로, 스마트섬유 등의 스마트 디바이스를 삶의 모든 공간에 확산시키기 위해서는 대량생산, 저가 생산, 친환경 제조가 가능해야 한다. 이를 실현하기 위해 유럽, 미국, 한국 및 일본에서 지난 10여 년간 동시 다발적으로 촉발된 혁신적 개념이 인쇄전자(Printed Electronics) 기술이다.
본 기고에서는 인쇄전자 기술에서 핵심 요소인 연속공정 모션제어 및 구동기술을 살펴보고, 인쇄전자의 선두기업인 보쉬렉스로스가 제공하는 솔루션을 알아보고자 한다.

1 Roll-to-Roll 공정기반 프린팅을 위한 핵심기술

디스플레이, 태양전지, RFID 등의 장치들에 Roll-to-Roll 인쇄 공정을 적용할 때, 필요한 핵심 기술은 아래와 같다.
ㆍ 장력 제어 (Tension Control)
ㆍ 와인더 테이퍼 장력 제어 (Winder Taper Tension Control)
ㆍ 프린팅 구간에서의 위상 동기 (Phase Synchronization) 제어, 레지스터 제어 (Register Control)

그림1은 보쉬 렉스로스가 프린팅 산업에 제공해온 기술로 시스템 구성과 장비 및 공정제어비용 및 시간을 획기적으로 줄여주는 프린팅과 컨버팅을 위한 핵심 기술을 보여준다.
안테나와 칩으로 구성된 RFID 태그를 롤투롤 공정으로 인쇄하는 경우, 링 오실레이터와 정류기로 구성된 칩은 여러 레이어(layer)로 구성되어 있기 때문에 플라스틱 필름 위에 각 레이어 형성을 위하여 인쇄 및 경화 공정을 반복하게 된다. 이러한 공정에서 각 구간의 장력이 일정하게 유지되지 않으면 플라스틱 기판의 변형으로 인하여 인쇄된 패턴도 변형될 수 있다. 연속 공정인 롤투롤 공정의 각 구간은 서로 영향을 주며, 플라스틱 기판에 작용하는 장력은 각 모터축의 속도에 영향을 받기 때문에 구간별 장력을 일정하게 제어하는 것은 쉽지 않다. 이를 위해 정밀한 장력제어 및 와인더 컨트롤 솔루션이 필요하며, 전세계의 R2R 산업에서 이미 검증된 보쉬렉스로스의 다양한 솔루션은 시스템의 개발시간과 비용을 획기적으로 줄이는데 기여하고 있다.

 
인쇄 구간에서 각 레이어는 원하는 위치에 정확하게 인쇄되어야 인쇄된 RFID태그의 성능을 얻을 수 있다. 이를 위하여 각 레이어는 정밀하게 정력(alignment)되어 인쇄되어야 한다. 정밀 중첩(alignment) 인쇄를 위해 각 인쇄롤의 위상(phase)은 미세하게 조정되어 인쇄 패턴의 위치를 조정한다. 인쇄롤의 위상 조정으로 인하여 장력이 변하기 때문에 인쇄 구간에서는 장력 제어를 하지 않고, 위상 조정을 통한 레지스터 제어만을 한다.
모든 공정이 끝나고 플라스틱 기판을 와인더에 감는 공정에서 감기는 힘이 적절하게 제어되지 않으면 인쇄된 회로가 내부에서 부서질 수 있다. 인쇄된 회로를 보호하며 감기도록 하기 위해 와인더에 가해주는 장력은 직선형 또는 곡선형으로 감소시켜야 한다. 이러한 와인더의 테이퍼 장력(Taper Tension) 제어도 프린팅 전용 라이브러리로 제공하기 때문에 댄서나 로드셀 타입 또는 센서리스 타입 중에서 선택하여 사용할 수 있다. 

보쉬 렉스로스는 장력 제어, 위상 동기제어, 와인더 테이퍼 장력 제어 외에도 크로스 컷팅, 피딩 등의 컨버팅 기능들을 보쉬 렉스로스의 모션 제어기에서 사용할 수 있도록 라이브러리를 제공한다. 그림 2는 보쉬 렉스로스 제품의 커미셔닝과 프로그래밍을 위해 제공하는 소프트웨어와 프린팅에 사용하고 있는 평션이다. 장력 제어는 로드셀(Loadcell) 센서를 이용하거나 공압 실린더에 연결된 댄서로 할 수 있다. 롤이 풀리고 감기는 와인더 파트의 장력 제어는 외란(Disturbance)을 효과적으로 흡수할 수 있는 댄서 시스템이 적합하고, 장력의 변화가 심하지 않은 파트는 로드셀을 이용한 제어가 적합하다. 라이브러리는 로드셀 타입과 댄서 타입 장력 제어 평션 블록뿐만 아니라, 단축과 다축 장력 제어용 평션 블록까지 포함하기 때문에 장비 구성시 유연성을 제공한다.

예를 들어, 로드셀을 이용한 다축 장력 제어가 요구되는 경우 그림 2의 프린팅 전용 라이브러리에서 ‘MB_TensionControlLoadCellType’ 평션 블록을 사용하면 되고, 그림 3에서 보는 바와 같이 로드셀에서 측정된 장력값은 드라이버에 직접 입력 받아 장력 제어를 위해 사용된다.
평션 블록에서 각 파라메터는 적절한 변수 또는 값이 할당되어야 한다. 로드셀에서 측정된 장력값은 평션 블록의 ‘Feedback’ 파라메터에 할당해 주어야 하고, 기준 장력값은 ‘SetPoint’ 파라메터에 할당해 주어야 한다. 이를 위한 장력 제어 플로우(Flow)는 그림 4와 같고 플로우 차트에 사용된 파라메터는 평션 블록의 파라메터와 연동되어 있다. 각 파라메터는 SERCOS III 사이클 타임에 따라 실시간으로 스캔되어 제어에 사용되고, 매 사이클마다 업데이트된다.
이와 같이 보쉬 렉스로스는 프린팅 및 컨버팅 기능을 위한 라이브러리를 제공하여 사용자로 하여금 쉽게 프로그램밍할 수 있게 한다. 또한, 사용자는 이미 구축된 라이브러리를 활용하고 조합하여 원하는 기능을 직접 정의하여 사용할 수도 있다.
보쉬 렉스로스에서 제공하는 SERCOS III기반 인쇄 전자 솔루션은 그림 5와 같다. 31.25 ㎲의 빠른 사이클 타임을 제공하는 SERCOS III인터페이스를 기반으로 드라이브와 I/O모듈까지 리얼타임으로 처리하여 시스템의 결정성(Determinism)을 획득할 수 있다.
장력 제어에 이용되는 로드셀 센서 신호와 댄서의 공압 밸브 제어 신호도 SERCOS III 기반의 I/O 모듈에 연결되어 실시간으로 제어된다.
모션 전용 제어기인 MLC는 SERCOS III기반으로 한 노드에  최대 64축까지 제어하며, 32개의 노드를 연결하므로 수백 개의 서보 축을 실시간으로 제어할 수 있고, 미리 정의된 프린팅 및 컨버팅(Converting) 라이브러리를 제공한다. MLC는 여러 레이어(Layer)의 정밀 중첩 인쇄를 위한 외부 비전 시스템과 연결된다. MLC는 비전 시스템과 1Gbps 또는 100Mbps 이더넷 통신을 하여, 비전 시스템이 각 레이어간 발생하는 오차 데이터를 전송하면 보상 명령 신호를 드라이브에 전달하여 정밀 중첩 인쇄를 수행한다.

 2. Roll-to-Plate 공정기반 핵심 기술

디스플레이의 컬러필터 인쇄에 Roll-to-Plate공정을 적용하는 경우, 필요한 핵심 기술은 아래와 같다.  

1)패턴 형성 롤과 갠트리(Gantry)의 위치 정밀 제어
2)패턴 형성 롤 또는 스테이지의 직진성 확보 

Gravure-Offset 또는 Reverse-Offset 인쇄 기술을 이용하여 대형 유리(Glass) 또는 필름이 코팅된 유리 및 매개체에 인쇄할 때, 패턴 형성 롤과 갠트리(Gantry)의 위치는 인쇄하는 동안 정밀하게 제어되어야 한다. 
지능형 드라이브 기반 갠트리 동기 제어 솔루션은 전자 기어를 통한 위치 정밀 제어가 가능할 뿐만 아니라, 비용 절감 솔루션이다. 모션 제어를 위한 다양한 라이브러리는 위치 제어뿐만 아니라, 갠트리 2축의 평행여부를 모니터링하는 기능도 제공한다. 함수 블록 ‘MB_PositionMonitoring_GantryCant’은 갠트리 2축이 평행하게 이동하도록 각 축의 상대위치를 실시간 모니터링하여 보상하도록 돕는다.
보쉬 렉스로스는 정밀 모션 제어뿐만 아니라 정밀 구동을 위한 구동부 및 리니어 가이드에 대한 솔루션을 제공한다.
대형 Glass 전체를 한 번에 인쇄하기 위해 직경이 크고 하중이 큰 인쇄롤을 사용하게 된다. 큰 관성모멘트의 인쇄롤과 큰 하중의 갠트리(Gantry)의 정밀 구동을 위해서는 큰 토크의 모터와 큰 추력의 리니어 모터가 필요하다. 보쉬 렉스로스에서 제공하는 13,000Nm이상의 고 토크 DD모터와 20,000 N이상의 고 추력 리니어 모터는 위와 같은 경우에 최적인 솔루션이다. 그리고 갠트리 및 스테이지의 직진도를 위해 리니어 가이드는 큰 비중을 차지하는데, 보쉬 렉스로스는 고 강성, 고 정밀의 볼 리니어 가이드와 롤러 리니어 가이드를 제공한다. 이러한 보쉬 렉스로스의 솔루션은 8세대 초대형 리니어 스테이지에 적용되고 있으며, Roll-to-Plate 인쇄 공정에도 최적이다.
이와 같이 보쉬렉스로스는 Roll-to-Roll 및 Roll-to-Plate 인쇄전자 공정에 필수인 기술 및 솔루션을 제공하고 있으며, 새로운 사회와 시대를 열어갈 인쇄전자의 다양한 분야에서 활발하게 응용되기를 기대한다. 

'이와 같이 보쉬 렉스로스는 프린팅
및 컨버팅 기능을 위한 라이브러리를
제공하여 사용자로 하여금 쉽게
프로그램밍할 수 있게 한다. 또한,
사용자는 이미 구축된 라이브러리를 활용하고 조합하여 원하는 기능을 직접
정의하여 사용할 수도 있다.'

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 보쉬렉스로스(Bosch Rexroth)의 혁신적인 인쇄전자 솔루션