보이스 코일 모터 기반의 액티브 댄서를 이용한 롤투롤 임프린트 시스템의 장력제어 - 김세호 (The Graduate School, Ajou University, 2020)
입체 필름, 스마트 글라스, OLED 등 유연한 전자소자를 활용하는 전자기기 시장의 규모가 커짐에 따라 유연전자소자를 연속적으로 생산이 가능한 롤투롤 시스템이 주목받고 있다. 롤투롤 시스템은 여러 개의 구동롤과 이송롤로 이뤄져 있으며, 소자의 기판이 되는 웹의 풀림과 감김을 통해 여러 공정을 연속적으로 수행한다. 롤투롤 시스템의 구조는 크게 언와인더, 피딩부, 공정부, 리와인더로 이루어져 있다. 언와인더는 초기 웹 이송을 시작하는 풀림부를 담당하고 있으며, 피딩부는 이송되는 웹의 속도를 제어하고 공정부에서는 이송 중인 웹에 유연소자를 인쇄, 건조, 마감처리 등을 수행하며, 마지막으로 리와인더는 웹을 다시 롤에 감는 역할을 담당한다. 이러한 롤투롤 시스템을 활용하여 유연소자를 인쇄하는 것을 롤투롤 임프린트 시스템이라고 한다. 롤투롤 임프린트 시스템에서 유연소자를 이루고 있는 패턴의 크기가 수 마이크로미터(μm)에서 수 나노미터(nm)로 임프린트 시 발생되는 힘과 열에 의한 변형이 쉽게 발생하여 정밀한 패턴을 인쇄하기에 어려움이 따른다. 따라서 롤투롤 임프린트 시스템에서 연속공정을 통해 높은 품질을 유지한 유연소자를 인쇄하기 위해서는 재료적인 특성과 기계적인 특성을 고려해야 한다. 재료적인 특성에서 중요 요소는 재료의 물성치, 열에 의한 팽창, 패턴의 이형 시 패턴의 무너짐, 경화 시간에 따른 소재의 변형 등이 있으며, 기계적인 특성은 가압하는 힘의 불균형, 운전속도, 이송되는 웹의 정렬이 있다. 이 중 이송되는 웹의 정렬을 제어하기 위한 방법으로는 웹 이송 방향의 수직한 방향에 대한 사행제어와 이송 방향에 대한 장력제어가 있다. 사행제어는 웹의 모서리 단에 위치한 EPC(Edge Position Control)센서를 통해 웹의 틀어짐을 측정하여 웹을 원하는 일정한 위치와 각도로 보내기 위해 횡방향에 대한 움직이는 롤을 구동, 제어하여 웹의 위치에 변화를 주는 방식으로 웹 가이드 시스템이라 한다. 장력 제어는 웹의 진행방향에 대해 장력 변화를 최소화하기 위한 움직임으로 속도제어 방식과 댄서를 이용한 방식이 있다. 속도제어는 장력 센서(Tension Loadcell)을 통해 힘을 측정하여 측정된 값을 토대로 피딩롤, 와인더롤의 모터 속도를 제어하여 장력을 유지한다. 균일한 장력을 유지한다는 점에서는 뛰어난 점을 가지고 있으나, 연속공정시스템에서는 여러 개의 장력 센서와 모터를 필요로 하다는 점에서 비용이 많이 들며, 측정 센서의 위치 및 구동 모터의 성능에 따른 느린 응답속도를 가지는 단점이 있다. 댄서를 이용한 방식은 스프링과 공압 실린더를 이용한 패시브 댄서와 장력 센서, 위치 센서를 이용한 액티브 댄서가 있다. 패시브 댄서는 초기 위치의 장력을 스프링, 무게추로 유지하며 장력 변화를 공압 실린더로 보상한다. 패시브 댄서는 댄서 암의 기구적인 운동 영역을 고려한 웹의 길이와 양단 롤 사이 간격이 보장되어야 하며, 정밀한 장력 제어가 어렵다. 액티브 댄서는 앞서 말한 센서를 통해 장력 변화에 대해 정밀한 장력 제어에 유용하지만 비용이 많이 들며, 구조가 복잡하다는 단점이 있다. 본 논문에서는 장력제어를 목적으로 롤투롤 임프린트 시스템에서의 소재의 변형을 최소화하기 위한 고응답, 고정밀 장력제어를 위한 액티브 댄서 시스템을 설계하고자 한다. 제안하는 액티브 댄서는 보이스 코일 모터, 공기압 댐퍼, 장력 센서로 이루어져 있다. 보이스 코일 모터는 외란에 대한 고응답 특성과 백래쉬가 없다는 장점이 있으며, 공기압 댐퍼는 보이스 코일 모터의 부족한 힘에 대해 보상해주는 역할로 크기 대비 큰 힘을 낼 수 있다는 장점이 있다. 제안한 액티브 댄서 시스템을 이용한 수학적 모델을 유도하고 장력외란에 대한 시뮬레이션과 실험을 통해 그 효과를 검증하고자 한다.
학위논문(석사)--아주대학교 일반대학원 :기계공학과,2020. 8
Keywords: Active dancer; Passive dancer; Roll-to-Roll; Tension control; Web span