해결 과제
ㆍ수 pL의 아주 미세한 잉크 방울의 정밀한 체적 측정 및 정밀 제어
ㆍ수 m/sec의 아주 빠른 잉크 속도의 토출 속도 측정 및 정밀 제어
ㆍ메니스커스 운동 측정 등의 토출 현상을 규명을 통한 잉크 제팅(Jetting) 상태 자체 진단 기능을 갖는 인공지능형 시스템

솔루션
잉크젯 기술이 발전함에 따라서 사무실용 프린터로부터 디스플레이, PCB, 바이오, RFID, 반도체 제조 등의 제조도구로서 응용 범위가 넓어지고 있다. 이렇게 잉크젯의 응용 범위를 광범위하게 넓혀감에 따라 잉크젯 공정의 신뢰성과 생산성을 극대화해야 한다. 잉크젯 토출 조건 중에서 가장 중요한 것이 잉크젯을 구동하기 위한 입력 전압 파형 설계가 된다. 이러한 토출 조건을 최적화하기 위한 입력전압 파형 설계를 위하여 스트로보 (Strobe-LED)를 사용하여 토출되는 잉크 방울의 속도 또는 체적을 관찰 및 제어하는 시스템을 LabVIEW 기반의 개발을 통하여 성공적으로 완성할 수 있었다

어플리케이션 요약
잉크젯의 응용이 사무실용 프린터뿐만 아니라 디스플레이, PCB, 태양전지, 마이크로 렌즈, 바이오 등의 제조 장비로 영역이 넓어지고 있다. 따라서 잉크 방울의 정밀한 제어 측정 및 제조 장치로서의 신뢰성 확보 등이 필요하다. 특히 다양한 형태의 잉크가 안정적으로 토출되기 위하여 토출 제어 장치 및 토출 평가 장치의 개발이 필수적이다. 이러한 장치 개발을 지식경제부의 소재원천 기술 개발 사업의 일환으로 화학연구원으로부터 연구비 지원을 받아 다양한 잉크 개발자들에 필요한 기능을 갖춘 잉크 토출 평가 및 토출 제어 장치 개발을 하게 되었다. 이를 위하여 NI 하드웨어 및 LabVIEW 기반의 소프트웨어로 개발 시간을 크게 단축하였을 뿐더러 다양한 기능의 기능을 갖은 시스템을 성공적으로 완성할 수 있었다.
 
본 론

 - 잉크 제팅 시스템
직경이 수십 m정도의 잉크 방울 측정하기 위하여 줌렌즈인 MORITEX-ML-Z07545(배율 0.75~4.5)와 렌즈어댑터인 MORITEX-ML-Z20(배율1.5~9)을 사용하여 최종 배율이 최대 약 40배까지 조정할 수 있게 하였다. CCD 카메라로는 SONY XC ES 50을 사용하였다. CCD카메라로부터 이미지를 획득하기 위하여 NI의 PCI-1405를 사용하였다. 그림 1은 잉크 제팅 시스템을 위해 제작된 전체 시스템의 개요를 보여준다.

 - 잉크젯 파형 제어

전자 재료 토출을 위한 잉크젯 헤드로는 피에조 방식을 많이 사용하고 있다. 피에조 방식의 잉크젯 헤드에는 토출 특성을 제어하기 위하여 적절한 입력 파형의 전압을 인가해 주어야 한다. 그림 2는 LabVIEW로 개발하여 이와 같은 파형을 만들어 준 모습이다. 일반적으로 사용 중인 파형은 사다리꼴 모양으로 상승 및 하강 시간(Rising/Falling Time)과 휴지시간(Dwell Time)으로 이루어져 있으며 잉크의 특성에 따라 적당한 파형으로 인가시켜야 한다. 일반적으로 상승 및 하강 시간은 수 sec이고 휴지시간(Dwell Time)은 잉크에 따라서 많이 달라지며 수 sec에서 수십 sec의 범위가 된다. 이러한 파형을 만들기 위하여 애질런트 33120A를 사용하였다. 즉, LabVIEW에서 사용자가 쉽게 만들 수 있게 하고 데이터로 변환한 후에 GPIB 통신을 사용하여 애질런트 33120A로 보냈다. 이렇게 생성된 전압은 잉크젯 헤드를 구동을 위해 0~100 볼트 범위의 입력 파형 전압이 인가되어야 한다. 이에 TREK사의 PZD 350을 사용하여 전압을 증폭하였다.

설계된 잉크젯 토출을 위한 파형은 애질런트 33120A의 메모리에 저장되어 있다가 외부에서 트리거 신호가 오면 발생되도록 하였다. NI 다기능 보드 6221의 카운터 2개를 사용하여 그림 3과 같이 2개의 디지털 펄스를 만들었다. 한 개는 기준 펄스로 토출을 위한 트리거 신호로 사용하였다. 토출 트리거 펄스는 주파수는 변화가 가능하도록 제작하였다. 이 주파수가 잉크 방울의 토출 주파수를 결정하게 된다.

 한편으로는 토출 트리거 신호로부터의 시간 지연을 조절 할 수 있는 디지털 펄스를 만들었는데, 이 펄스는 LED 드라이버를 통하여 LED의 점등을 제어 하도록 되어 있다. 한편으로는 LED를 위한 펄스의 듀티(Duty)비를 제어하여 LED의 밝기를 제어할 수 있게 하였다. 그러면 LED를 위한 펄스의 토출 펄스로부터의 시간 지연(Delay)을 조절하여 잉크가 토출되는 과정을 마치 정지한 잉크 방울처럼 CCD 이미지에서 관찰할 수 있게 된다.

전체를 구성한 메인 화면은 그림 4와 같다. 토출 주파수와 LED 밝기 등이 주 화면에서 조절되도록 작성하였다. 통합 소프트웨어에서 모든 상태를 제어하고 결과 값을 볼 수 있도록 구성하였다. 한편으로는 파형 설계를 위한 프로그램과 잉크 방울의 속도 및 체적을 측정하기 위한 소프트웨어는 전체 화면에서 버튼을 누르면 해당기능을 하는 별도의 SubVI가 자동으로 팝업(Pop-up) 되도록 제작하였다. SubVI에서의 중요한 결과는 Global변수를 활용하여 전체 통합 프로그램과 공유가 되도록 하였다.

 - NI Vision Development Module을 사용한 이미지 프로세싱

CCD로 획득한 흑백 이미지는 각 픽셀의 밝기에 따라서 0~255까지의 값을 갖는다. 잉크 방울의 이미지는 배경에 비해서 어둡기 때문에 문턱 값(Threshold)을 사용하여 특정 값보다 큰 값을 1로 하고 작은 값을 0으로 만든 이진 영상(Binary Image)을 만들 수 있고, 이를 이용하여 잉크의 이미지와 배경의 이미지를 분리할 수 있다. 잉크 방울에 해당하는 이진 영상을 사용하면 잉크의 중심 위치 및 잉크에 해당하는 면적 등을 얻을 수 있다.

이를 NI Vision Development Module의 Particle Analysis 기능을 사용하여 구현하였다. 일단 위치와 직경이 계산이 되면 이를 통하여 잉크 방울이 구(Sphere)라는 가정을 통하여 체적 등을 계산하는 것이 가능하다. 또한 그림 3과 같이 LED의 Trigger Delay를 통하여 2개의 시점에 대한 잉크 방울의 위치를 구하면 간단하게 토출 속도를 구할 수 있었다.

CCD 카메라의 전체 이미지에는 잉크 방울뿐만 아니라 헤드의 일부 등 다른 구조물이 있는 경우가 많기 때문에 전체 화면을 분석하면 잉크 방울과 함께 화면에 있는 모든 구조물을 분석 후에 분리해야 한다. 그러나 이는 이미지 프로세싱의 계산 측면에서 효율적이지 않다. 따라서 잉크가 제팅되는 부분에 ROI(Region of Interest)를 사용한다면 이를 관심영역으로 된 부분에서만 이미지를 처리하여 이에 소요되는 처리 시간 등을 줄여주고 다른 구조물의 이미지를 분석할 필요가 없게 된다. 그림에서 알 수 있듯이 화면에 생성된 직사각형의 부분은 사용자가 직접 화면에 그려서 생성한 ROI를 보여준다. 또한 이미지 프로세싱을 거쳐서 분석된 잉크 방울의 위치 및 크기를 검증하기 위하여 계산된 잉크 방울의 중심의 위치와 직경을 원으로 그려서 실제 화면에 겹쳐서 그리도록 하여 분석된 결과를 직접 비교할 수 있게 하였다. 이러한 기능은 모두 NI Vision Development Module을 사용하여 쉽게 구현하였다.

 - 인공지능형 제팅 시스템 (메니스커스 운동 측정으로 잉크젯 작동 상태 진단)

한편으로는 토출을 위한 전자재료가 다양해지고 있으므로 이러한 잉크를 개발함에 있어서 토출 특성을 효과적으로 평가해야 한다. 토출 특성은 잉크의 음속, 점성, 표면 장력, 밀도 등이 관련되어 있으며, 이를 토출 관점에서 평가해야 향후 잉크를 개선하거나 토출 제어를 통해 실제 생산 공정에 응용할 수 있다. 토출 특성 평가로 다양한 잉크의 물성을 측정하고, 이를 통해 입력 파형 제어가 가능한 토출 시스템 및 소프트웨어 개발을 하는 것이 필요하다. 토출 현상을 근본적으로 이해하기 위하여 메니스커스 운동 측정이 가능한 소프트웨어를 개발하였다.

메니스커스는 토출 현상과 밀접한 관계가 있다. 메니스커스를 측정하기 위해서는 토출하지 않는 작은 전압을 이용하고 LED의 Trigger Delay를 사용해야 한다. 이미지로부터 메니스커스를 자동으로 측정하기 위하여 노즐 부분의 관심 영역을 직선(ROI)으로 만들고, NI Development Module의 Edge Detection 함수를 사용하여 그림 6과 같이 자동으로 메니스커스의 운동을 측정하였다. 관심 시간에서의 메니스커의 운동은 NI 6221의 카운터를 사용한 LED 제어를 통하여 얻는 것이 가능하였다.

측정된 메니스커스 운동은 그림 7과 같이 1 자유도계의 감쇠 진동 특성을 갖는다. 이러한 신호의 주파수, Damping Ratio, 진폭의 크기를 측정하면 토출 현상을 예측하고 잉크의 물성인 점성, 음속 등을 간접적으로 측정하는 것이 가능하다. 또한 작동 중에 특성이 정상 상태로부터 변화하면 이러한 진동 특성이 민감하게 변화하게 된다. 따라서 스스로 작동 상태 및 잉크의 물성을 자체적으로 알 수 있는 인공 지능형 토출 시스템을 만드는 것이 가능하다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점

1. 잉크젯 토출 특성 측정 및 제어가 가능한 토출 시스템의 신속한 개발
2. 메니스커스 운동의 주파수 분석 등을 통하여 자체 진단이 가능한 알고리즘을 손쉽게 구현
3. LabVIEW를 통하여 어떠한 시스템도 쉽게 만들 수 있다는 것을 실제 시스템 구성을 통해 학생들에게 보여줌으로써 자신감 향상 등 좋은 교육을 수행할 수 있었음
4. 아이디어가 생기면 바로 구현이 가능하였으며 Kwon, K.S., 「Speed measurement of ink droplet by using edge detection techniques」, Measurement, (DOI:10.1016/j.measurement.2008.03.016) 외 논문 다수 작성
5. Vision Development Module을 사용한 다양한 이미지 처리로 잉크 방울이 떨어지는 과정을 가시화하고 잉크의 속도 및 체적 등을 정량적으로 측정하는 것이 용이하였음
6. 카운터 등의 예제를 응용하여 디지털 펄스의 트리거 제어를 간단히 함으로써 잉크 방울을 떨어뜨릴 시점과 스트로보 제어를 하는 것이 가능하였음
7. 대학에서 적은 인력과 제한된 시간에 개발을 완료해야 했는데 NI 솔루션으로 해결함

저자 : 권계시 교수 / 명재환 석사과정 / 고정국 학사과정 - 순천향대학교
산업 : 전자기계/전자공학, 산업용 비전
NI 제품명 : LabVIEW, DAQ, Vision