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KR101979539B1 - 프린팅 장치 - Google Patents

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KR101979539B1
KR101979539B1 KR1020180032101A KR20180032101A KR101979539B1 KR 101979539 B1 KR101979539 B1 KR 101979539B1 KR 1020180032101 A KR1020180032101 A KR 1020180032101A KR 20180032101 A KR20180032101 A KR 20180032101A KR 101979539 B1 KR101979539 B1 KR 101979539B1
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South Korea
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image
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camera
ink
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KR1020180032101A
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변도영
부닷귀엔
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엔젯 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 프린팅 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 프린팅 장치는 잉크를 분사시키는 노즐, 노즐을 이동시키는 구동부, 노즐을 통해 잉크가 프린팅되는 과정을 촬영하는 영상부 및 구동부에 의해 노즐을 이동시키며 영상부가 노즐을 촬영하여 촬영된 영상을 기초로 노즐의 위치를 자동으로 설정하는 자동 위치설정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

프린팅 장치{PRINTING APPARATUS}
본 발명은 프린팅 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 장치를 턴온(turn-on) 하였을 때 또는 초기화하였을 때 또는 노즐을 교체하였을 때 노즐을 자동으로 정렬시킬 수 있는 프린팅 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 유체를 액적의 형태로 분사시키는 잉크 분사 장치는 과거에는 주로 잉크젯 프린터에 적용되어 왔으나, 최근에는 디스플레이 제조 공정, 인쇄회로기판 제조 공정, DNA칩 제조 공정 등과 같은 첨단 산업에 널리 응용되고 있다.
잉크 분사 장치는 유체 상태의 잉크로부터 액적을 토출시키기 위한 장치로서, 액적을 토출시키는 방식에 따라 크게 가열 방식(Thermal type)과 가압 방식(Piezoelectric type)으로 나뉘는데, 최근에는 초미세 프린팅을 위하여 전기수력학적(electrodynamic) 방식을 사용하는 정전기 젯 프린터가 널리 사용되고 있다.
정전기 젯 프린터는 노즐과 기판 사이에 전압을 인가함에 따라 발생하는 전위차에 의한 정전기력을 이용하여 잉크를 분사시킨다. 정전기 젯 프린터는 액면을 정전기력으로 당기는 힘을 이용하여 액적 또는 연속 젯을 토출시키기 때문에 종래 다른 방식의 젯 프린터와는 달리 나노 스케일의 패터닝도 가능하고 고점도의 잉크도 토출할 수 있으며 균일한 액적 생성이 가능하다는 점 등 여러 가지 장점이 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 종래의 정전기 젯 프린터는 펌프를 이용하여 노즐의 내부로 지속적으로 잉크를 공급하며 프린팅을 수행하게 된다. 이때, 다양한 선폭의 프린팅을 수행하기 위해서 노즐을 교체해야 하는 경우가 발생한다. 또한, 카트리지 타입의 노즐을 사용하는 경우에 잉크가 소진되어 노즐을 교체해야 하는 경우가 발생한다. 이와 같이 노즐을 교체해야 하는 경우 또는 프린팅 장비를 초기화하는 경우나 장비를 턴온(turn-on)시킬 때 노즐의 위치를 정렬시켜야 하는데, 종래에는 작업자가 수동으로 노즐을 x-y-z 방향으로 이동시키면서 노즐팁의 위치를 조정하였다. 따라서, 정렬에 많은 시간이 소요되고 작업자의 숙련도에 따라서 정렬 오차가 많이 발생하는 문제점이 있었다.
대한민국공개특허 10-2017-0072748호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 카메라의 영상을 이용하여 노즐의 위치를 자동으로 빠르게 정렬시킬 수 있는 프린팅 장치 및 정렬방법을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 잉크를 분사시키는 노즐; 상기 노즐을 이동시키는 구동부; 상기 노즐을 통해 잉크가 프린팅되는 과정을 촬영하는 영상부; 및 상기 구동부에 의해 상기 노즐을 이동시키며 상기 영상부가 상기 노즐을 촬영하여 상기 촬영된 영상을 기초로 상기 노즐의 위치를 자동으로 설정하는 자동 위치설정부를 포함하는 프린팅 장치에 의해 달성될 수가 있다.
여기서, 상기 노즐은 수직 방향에 경사진 방향으로 배치될 수가 있다.
여기서, 상기 영상부는 상부에서 하부로 수직 방향으로 촬영하는 제 1 카메라 또는 경사진 방향으로 촬영하는 제 2 카메라 중 적어도 하나를 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 영상부에 대향하는 위치에 배치되어 상기 영상부와 사이에 위치하는 노즐을 향하여 빛을 조사하는 조명부를 더 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 자동 위치설정부는 상기 영상부가 촬영한 영상의 중앙에 상기 노즐팁이 위치하도록 상기 구동부를 제어하고, 상기 영상부가 촬영한 상기 노즐의 영상의 선명성이 최대가 되도록 상기 구동부를 제어하여 상기 노즐의 위치를 설정할 수가 있다.
여기서, 상기 자동 위치설정부는 상기 노즐팁의 선명성이 최대가 되도록 상기 구동부를 제어하여 상기 노즐의 위치를 설정할 수가 있다.
여기서, 상기 자동 위치설정부는 상기 영상부가 촬영한 영상에 포함된 상기 노즐의 이미지 및 상기 잉크가 탄착되는 기판 상에 반사된 상기 노즐의 미러링 이미지를 이용하여 상기 노즐의 위치를 자동으로 설정할 수가 있다.
여기서, 상기 노즐의 이미지와 상기 노즐의 미러링 이미지 사이의 거리로부터 상기 기판으로부터 상기 노즐의 이격 거리를 구할 수가 있다.
여기서, 상기 잉크가 탄착되는 기판에 상기 노즐을 통해 잉크를 프린팅하고, 상기 영상부는 상기 패턴을 인식하여 상기 노즐의 절대좌표를 설정할 수가 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 프린팅 장치에 따르면 노즐의 교체시 또는 장비의 초기화시 또는 장비의 턴온(turn-on)시에 작업자가 수동으로 노즐의 위치를 정렬할 필요가 없이 카메라 영상을 이용하여 자동으로 빠르게 노즐의 위치를 정렬시킬 수가 있다는 장점이 있다.
또한, 자동으로 노즐의 위치가 정렬되므로 작업자에 따른 정렬 위치의 오차가 발생하지 않는다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 장치를 도시하는 사시도이다.
도 2는 경사 방향으로 촬영하는 제 2 카메라(tilted camera)를 이용하여 제 2 카메라 영상의 중심 및 DOF(depth of field) 위치에 노즐팁을 정렬시키는 과정을 도시하는 개념도이다.
도 3은 도 2에서 제 2 카메라가 촬영한 노즐팁의 영상을 도시한다.
도 4는 수직 방향으로 촬영하는 제 1 카메라(top-down camera)를 이용하여 제 1 카메라 영상의 중심 및 DOF 위치에 노즐팁을 정렬시키는 과정을 도시하는 개념도이다.
도 5는 도 4에서 노즐팁의 위치를 이동시키며 제 1 카메라가 촬영한 노즐팁의 영상을 각각 도시한다.
도 6은 경사 방향으로 촬영하는 제 2 카메라를 이용하여 기판과 노즐팁 사이의 거리를 조절하는 과정을 도시하는 개념도이다.
도 7은 도 6에서 제 2 카메라가 촬영한 영상을 도시한다.
도 8은 도 7의 영상에서 영상처리를 수행하여 노이즈를 제거한 이미지를 도시한다.
도 9는 기판에 잉크를 프린팅하여 노즐의 절대좌표를 결정하는 과정을 도시한다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 프린팅 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 장치를 도시하는 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 장치는 노즐(110), 구동부(140), 영상부(120), 및 자동 위치설정부(미도시)를 포함하여 구성될 수가 있다.
먼저, 본 발명에서는 초미세 프린팅을 위하여 전기수력학적 방식을 사용하는 정전기젯 프린터를 참조로 설명하나, 이에 한정되지 않고 노즐(110)을 이용하여 잉크를 분사시키는 다른 타입의 프린터에서도 본 발명의 기술적 사상을 적용하여 노즐(110)의 위치를 정렬시킬 수가 있다.
노즐(110)은 내부에 잉크를 수용하는 챔버(미도시)를 구비하고 노즐팁(112)을 통해 스테이지(150) 상에 안착된 기판(S)을 향하여 잉크를 토출시킨다. 도 1에서는 착탈식으로 교체가 용이한 카트리지 타입의 노즐(110)을 도시하는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는 정전기젯프린터에서 널리 사용되는 캐필러리 타입의 노즐(110)을 사용한다. 이때, 후술하는 상부에서 하부로 영상을 촬영하는 제 1 카메라(top-down camera)(120a)에 의해 프린팅되는 과정과 기판(S)을 실시간으로 관찰하기 위해서 노즐(110)은 제 1 카메라(120a)의 하부에 경사진 방향으로 배치될 수가 있다.
구동부(140)는 노즐(110)을 x축, y축, z축 방향으로 이동시키며, 각각은 x축 모터, y축 모터, z축 모터를 포함하여 구성될 수가 있다. xyz 직교 방향으로 노즐(110)을 이동시키는 구동부(140)의 구성은 공지된 구성을 사용할 수가 있고, 이에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
영상부(120)는 노즐(110)을 통해 잉크가 프린팅되는 과정 및 기판(S) 상태를 실시간으로 영상으로 촬영하여 관찰할 수 있도록 한다. 이때, 영상부(120)는 상부에서 하부로 수직 방향으로 노즐(110) 및 기판(S)을 촬영하는 제 1 카메라(top-down camera)(120a) 또는 노즐(110)의 일측에서 경사진 방향으로 노즐(110) 및 기판(S)을 촬영하는 제 2 카메라(tilted camera)(120b)로 구성될 수가 있는데, 본 실시예에서는 제 1 카메라(120a)와 제 2 카메라(120b)가 모두 장착된 구성을 도시한다.
자동 위치설정부는 구동부(140)를 제어하여 노즐(110)의 위치를 이동시키며 영상부(120)가 촬영한 노즐(110)의 영상을 이용하여 노즐(110)의 위치를 자동으로 설정하도록 한다. 이때, 자동 위치설정부는 노즐(110)을 자동으로 제 1 카메라(120a) 영상과 제 2 카메라(120b) 영상의 중심 및 제 1 카메라(120a)와 제 2 카메라(120b)의 심도(DOF: depth of field) 내에 위치하도록 하거나, 노즐팁(112)과 기판(S) 사이의 거리를 설정된 값의 위치에 위치하도록 하거나, 노즐(110)의 절대 좌표 값을 자동으로 설정하도록 하는데, 이와 관련한 구체적인 설명은 도 2 내지 도 9를 참조로 설명하기로 한다.
조명부(130)는 영상부(120)에 대향하는 위치에 배치되어 영상부(120)와 조명부(130) 사이에 위치하는 노즐(110)을 향하여 빛을 조사한다. 이때, 조명부(130)에 의해 조사되는 빛으로 영상부(120)는 노즐(110)의 영상을 더욱 선명하게 촬영할 수가 있다.
먼저, 도 2 내지 도 5를 참조로 카메라 영상의 중심 및 심도 내에 노즐(110)이 자동으로 위치하도록 하는 실시예에 관하여 설명하기로 한다.
도 2는 경사 방향으로 촬영하는 제 2 카메라(tilted camera)를 이용하여 제 2 카메라 영상의 중심 및 DOF(depth of field) 위치에 노즐팁을 정렬시키는 과정을 도시하는 개념도이고, 도 3은 도 2에서 제 2 카메라가 촬영한 노즐팁의 영상을 도시하고, 도 4는 수직 방향으로 촬영하는 제 1 카메라(top-down camera)를 이용하여 제 1 카메라 영상의 중심 및 DOF 위치에 노즐팁을 정렬시키는 과정을 도시하는 개념도이고, 도 5는 도 4에서 노즐팁의 위치를 이동시키며 제 1 카메라가 촬영한 노즐팁의 영상을 각각 도시한다.
노즐팁(112)은 최대한 빨리 카메라 영상의 중심 및 심도 내에 위치시켜야 카메라에 의한 촬영과 함께 프린팅 공정을 신속하게 진행할 수가 있다.
먼저, 도 2 내지 도 3을 참조로 경상 방향으로 촬영하는 제 2 카메라(120b)에 대하여 노즐(110)을 정렬시키는 것을 설명하기로 한다.
자동 위치설정부는 제 2 카메라(120b)를 이용하여 제 2 카메라(120b) 영상의 중심 및 DOF 위치에 노즐팁(112)이 위치하도록 정렬시킨다. 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 제 2 카메라(120b)의 대향하는 위치에 LED 조명부(130)가 위치하여 제 2 카메라(120b)를 향하여 빛을 조사하고, 자동 위치설정부는 제 2 카메라(120b)의 영상을 분석하며, 노즐팁(112)이 영상의 중심에 위치하도록 구동부(140)를 제어한다.
이때, 제 2 카메라(120b)에서 촬영하고 있는 노즐(110)의 이미지를 분석할 때, 노즐(110)의 쉐도우(shadow) 이미지의 픽셀값과 주변부의 픽셀값의 그래디언트(gradient)가 최대가 되는, 즉 노즐(110) 이미지의 선명성이 최대화되는 위치에 구동부(140)를 제어하여 노즐팁(112)이 위치하도록 제어할 수가 있다. 따라서, 상기와 같은 방법으로 노즐팁(112)이 제 2 카메라(120b)의 영상의 중심에 위치함과 동시에 제 2 카메라(120b)의 DOF 내에 위치하도록 정렬시킬 수가 있다. 도 3은 제 2 카메라(120b)에 의해 획득한 노즐팁(112)의 영상을 도시한다.
다음, 도 4 내지 도 5를 참조로 수직 방향으로 촬영하는 제 1 카메라(120a)에 대하여 노즐(110)을 정렬시키는 것을 설명하기로 한다.
자동 위치설정부는 제 1 카메라(120a)를 이용하여 제 1 카메라(120a) 영상의 중심 및 DOF 위치에 노즐팁(112)이 위치하도록 정렬시킨다. 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 제 1 카메라(120a)의 대향하는 위치에도 LED 조명부(130)가 위치하여 제 1 카메라(120a)를 향하여 빛을 조사하고, 자동 위치설정부는 제 1 카메라(120a)의 영상을 분석하여, 노즐팁(112)이 영상의 중심에 위치하도록 구동부(140)를 제어한다.
이때, Z축 방향으로 노즐(110)을 이동시키면서 카메라의 DOF 내에 노즐(110)이 위치하도록 구동부(140)를 제어한다. 도 4는 Z축 방향으로 노즐(110)을 이동시키면서 획득한 제 1 카메라(120a)의 영상을 도시하는데, 본 실시예에서는 노즐팁(112)의 선명성이 최대가 되는 가장 아래의 영상이 촬영된 위치를 파악하여 노즐팁(112)이 제 1 카메라(120a)의 DOF 내에 위치하도록 정렬시킨다.
따라서, 본 발명에서는 카메라를 기준으로 노즐팁(112)의 위치를 자동 정렬시킬 수가 있다.
다음, 도 6 내지 도 8을 참조로 설명하는 내용은 기판(S)과 노즐팁(112) 사이의 거리를 자동으로 설정하는 내용을 설명하기로 한다.
도 6은 경사 방향으로 촬영하는 제 2 카메라를 이용하여 기판과 노즐팁 사이의 거리를 조절하는 과정을 도시하는 개념도이고, 도 7은 도 6에서 제 2 카메라가 촬영한 영상을 도시하고, 도 8은 도 7의 영상에서 영상처리를 수행하여 노이즈를 제거한 이미지를 도시한다.
경사 방향으로 촬영하는 제 2 카메라(120b)로부터 기판(S) 상부에 위치하는 노즐(110)에 대한 영상을 획득할 수가 있다. 이때, 전술한 바와 같이 노즐(110)은 경사지도록 배치되므로, 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 영상에는 노즐(110)의 이미지 뿐만 아니라 기판(S) 상에 반사된 노즐(110)의 미러링 이미지도 함께 획득할 수가 있다. 도 7은 도 6의 영상으로부터 영상처리를 수행하여 노즐(110)의 이미지 및 노즐(110)의 미러링 이미지만 선명하게 남기고 나머지는 노이즈로 제거한 이미지 영상을 보여준다.
이때, 기판(S)의 상부에 노즐팁(112)이 멀리 떨어지면 질수록 두 이미지 사이의 거리가 커지게 되고, 기판(S)의 상부에 노즐팁(112)이 근접하면 할수록 두 이미지 사이의 거리가 작아지게 된다. 따라서, 상기 이미지 영상으로부터 노즐(110)의 이미지와 노즐(110)의 미러링 이미지 사이의 거리를 이용하여 기판(S)으로부터 노즐팁(112)의 거리를 설정할 수가 있다.
다음, 도 9를 참조로 노즐의 절대 좌표를 획득하는 내용을 설명하기로 한다.
도 9는 기판(S)에 잉크를 프린팅하여 노즐의 절대 좌표를 결정하는 과정을 도시한다.
도 9에 도시되어 있는 것과 같이 기판(S)의 소정의 위치에 잉크를 프린팅하고, 영상부(120)는 프린팅된 패턴을 영상으로 획득한다. 자동 위치설정부는 상기 영상의 패턴 및 위치를 인식하여 이로부터 노즐(110)의 절대 좌표를 결정하도록 한다. 노즐(110)로부터 제팅되는 액적이 원하는 위치에 정확하게 탄착시키기 위해서는 노즐(110)의 절대 좌표를 확보해야 한다. 따라서, 상기와 같이 소정의 위치에 프린팅된 패턴의 형상 및 위치를 인식하여 이로부터 노즐(110)의 절대 좌표를 설정할 수가 있다.
프린팅 장치를 턴온(turn-on)하거나 초기화할 때, 또는 노즐(110)을 교체할 때에는 노즐(110)을 카메라의 뷰 내부로 위치시켜 초점거리 내에 위치시켜야 하며, 프린팅을 위하여 노즐(110)과 기판(S) 사이의 거리를 조정하고, 제팅되는 위치를 파악하기 위해 절대 좌표를 설정해야 한다.
따라서, 본 발명에서는 도 2 내지 도 5를 참조로 설명한 방법으로 카메라로(120a, 120b)부터 획득한 영상을 분석하여 카메라 뷰의 중심에 노즐(110)을 위치시키고 카메라(120a, 120b)의 DOF 내로 노즐(110)을 위치시킬 수가 있고, 도 6 내지 도 8을 참조로 설명한 방법으로 카메라(120a, 120b)로부터 획득한 영상을 분석하여 노즐(110)과 기판(S) 사이의 거리를 측정하거나 임의의 거리를 유지시킬 수가 있고, 도 9를 참조로 설명한 방법으로 카메라(120a, 120b)로부터 획득한 기판(S)의 소정의 위치에 탄착시킨 잉크의 패턴의 영상을 분석하여 노즐(110)이 절대 좌표를 설정할 수가 있다.
이때, 프린팅을 수행할 때 각각의 방법을 순차적으로 수행할 수도 있고, 일부의 방법만 선택적으로 사용할 수도 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110: 노즐 112: 노즐팁
120a: 제 1 카메라 120b: 제 2 카메라
130: 조명부 140: 구동부
150: 스테이지 S: 기판

Claims (9)

  1. 잉크를 분사시키는 노즐;
    상기 노즐을 이동시키는 구동부;
    상기 노즐을 통해 잉크가 프린팅되는 과정을 촬영하는 영상부; 및
    상기 구동부에 의해 상기 노즐을 이동시키며 상기 영상부가 촬영한 영상을 기초로 상기 노즐의 위치를 자동으로 설정하는 자동 위치설정부를 포함하고,
    상기 노즐은 수직 방향에 경사진 방향으로 배치되고,
    상기 자동 위치설정부는 상기 영상부가 촬영한 영상에 포함된 상기 노즐의 이미지 및 상기 잉크가 탄착되는 기판 상에 반사된 상기 노즐의 미러링 이미지를 이용하여 상기 노즐의 위치를 자동으로 설정하는 프린팅 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상부는
    상부에서 하부로 수직 방향으로 촬영하는 제 1 카메라 또는 경사진 방향으로 촬영하는 제 2 카메라 중 적어도 하나를 포함하는 프린팅 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상부에 대향하는 위치에 배치되어 상기 영상부와 사이에 위치하는 노즐을 향하여 빛을 조사하는 조명부를 더 포함하는 프린팅 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자동 위치설정부는 상기 영상부가 촬영한 영상의 중앙에 노즐팁이 위치하도록 상기 구동부를 제어하고, 상기 영상부가 촬영한 상기 노즐의 영상의 선명성이 최대가 되도록 상기 구동부를 제어하여 상기 노즐의 위치를 설정하는 프린팅 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 자동 위치설정부는 상기 노즐팁의 선명성이 최대가 되도록 상기 구동부를 제어하여 상기 노즐의 위치를 설정하는 프린팅 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐의 이미지와 상기 노즐의 미러링 이미지 사이의 거리로부터 상기 기판으로부터 상기 노즐의 이격 거리를 구하는 프린팅 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉크가 탄착되는 기판에 상기 노즐을 통해 잉크를 프린팅하고, 상기 영상부는 프린팅된 상기 잉크의 패턴을 인식하여 상기 노즐의 절대좌표를 설정하는 프린팅 장치.
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