Drop watcher란 Dot를 촬영하는 검사방식이다. 즉, 액적(droplet)을 측정하고 이미지 분석하는 머신비전 애플리케이션이다. 보통 액적은 매우 작은 크기에 빠른 속도로 분사되기 때문에 높은 난이도의 광학 솔루션이 필요하다.
특히나 빠르게 움직이는 물체의 Motion blur(번짐) 와 저조도의 이슈를 해결하기 위해 고휘도 및 빠른 섬광시간을 포함한 조명 솔루션이 필수적이다. 이번 테크 노트를 통해 잉크젯 Drop watcher application에 대해 이해하고 아이코어의 조명기술이 어떻게 적용될 수 있는지 알아보고자 한다.
잉크젯 Drop watcher 개요
최근 디스플레이 업계에선 잉크젯 기술에 대한 논의가 활발히 진행 중에 있다. 잉크젯이라고 하면 보통 일반 프린터를 떠올리기 쉽지만 잉크젯 프린팅 기술은 디스플레이 패턴 공정과 깊은 관련이 있다.
특히 기존의 디스플레이 패턴을 형성하는 포토공정을 대체하는 방법으로 잉크젯 프린팅 기술이 대두되고 있다. 실제로 LCD 패널의 컬러필터를 잉크젯 인쇄법으로 제조하는데 성공하기도 했고, OLED 분야에서도 잉크젯 프린팅 기술이 양산에 검토되고 있다.
잉크젯 프린팅 방식은 위의 그림1과 같이 종이에 잉크를 뿌려 인쇄하는 것처럼 수십 피코리터(Pico Liter) 이하의 OLED 잉크를 분사한다. 기존의 진공상태에서 유기물을 기화하는 증착방식과 달리, 상압에서도 제조가 가능하고 OLED 발광재료 소모량을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 실제로 잉크젯 프린팅 기법을 사용하면 90% 이상의 재료사용 효율을 갖지만 진공증착 방식은 10% 정도의 재료사용 효율밖에 되지 않는다.
하지만 잉크젯 프린팅 방식에는 한가지 큰 걸림돌이 있는데 바로 두께에 대한 균일도이다. OLED의 유기박막을 만들려면 매우 정밀한 두께 균일도가 유지되어야 하는데, 용액의 양을 항상 일정하게 관리하는 것이 쉽지가 않다. 때문에 잉크젯 액적을 모니터링하는 기술인 Drop watcher에 대한 중요성이 확대되고 있다.
Drop watcher 구성
일반적인 Drop watcher는 그림2와 같이 구성되어 있다. 잉크젯은 신호제어기의 신호에 맞춰 고속으로(1kHz) 액적을 분사한다. 카메라는 일반적으로x2~x5의 고배율 광학계가 장착되어 있고 고휘도 조명이 백라이트 조건에서 카메라 grab 신호에 동기화되어 조사되고 있다. 잉크젯 액적은 수십μm 정도이며 10m/s 정도의 속도로 낙하한다.
Drop watcher의 목적은 액적의 정확한 부피 측정에 있다. 그래서 1μm 미만의 픽셀 분해능과 Motion blur 최소화 그리고 밝은 밝기가 절대적으로 필요하다. 1μm 미만의 픽셀 분해능을 얻을 수 있는 렌즈는 쉽게 구할 수 있지만 Motion blur가 없는 고휘도의 조명 솔루션을 찾기는 쉽지 않다. 액적이 보통 10m/s의 속도로 이동하는데 이 말은 1μs 동안 10μm를 이동한다는 뜻이다.
조명 섬광시간이 1μs 일 때 생기는 Motion blur가 10μm 정도인데 이렇게 되면 액적의 정확한 부피를 측정하는 것은 불가능하다. 그렇기 때문에 섬광시간은 수백 ns 정도로 매우 짧고 높은 휘도의 조명이 요구된다.
아이코어의 조명기술 역할
최근에는 반도체 발광소자의 효율이 향상되면서 일반적인 현미경 광원으로 LED(Light-emitting Diode) 소자를 채택되고 있으나 해당 애플리케이션의 경우 매우 짧은 노출시간과 높은 휘도를 요구하기 때문에 아직 LED의 휘도 성능으로는 한계가 있다.
해당 애플리케이션에서 요구되는 수준을 만족하는 광원으로 높은 휘도와 빠른 응답성을 가지는 아크형 램프가 주로 적용되고 있다. 아크형 램프 중 제논 램프와 크세논 램프는 연색성이 우수하며, 매우 밝은 휘도를 가지고 있으면서 수백 ns의 짧은 섬광을 발생시킬 수 있는 이점이 있다.
하지만 광출력이 일정하지 않는 특성과 짧은 수명으로 인해 교체주기가 짧아 검사용으로 활용에 어려움이 있으며 좀더 안정적이고 수명이 긴 광원에 대한 지속적인 요구가 있었다.
아이코어의 기술진들은 아크램프를 대체하는 고속 고휘도 조명의 요구 사항을 만족하기 위한 최선의 노력을 다해 왔으며, 그 결실로 매우 빠른 응답을 가지는 스트로브 컨트롤러 및 조명을 개발하였다.
먼저 조명 제어기술에 대해 말하자면, 아이코어의 조명 컨트롤러 iPulse는 정전류 구동방식의 LED 스트로브 컨트롤러이다. 수백 ns의 짧은 시간(Duration)동안 전류를 구동하는 기술, 정격 전류대비 최대 10배의 LED의 정격전류를 초과하여 구동하는 Overdrive 기술을 탑재한 제품이다. 이는 세계 최고수준으로 매우 짧은 섬광 시간 동안 훨씬 더 밝은 밝기를 출력할 수 있다.
현재까지 개발된 Strobe형 LED 컨트롤러는 최소 섬광시간이 보통 3μs, 해외 우수제품의 경우 1μs 정도 수준이다. 하지만 아이코어의 iPulse는 섬광시간을 최소 250ns까지 줄이는데 성공하였고 현재 주요 고객사들을 확보해 놓았다.
또한 아이코어는 다양한 고휘도의 조명 솔루션을 갖고 있다. 그림5와 같이 Hybrid spot 조명이 대표적인 예인데, LED와 Laser를 결합하여 고휘도 출력을 내는 Spot 광원이다. 고휘도 LED와 고출력 laser, 집광 렌즈, 조명제어 기술이 융합하여 일반 LED 대비 8배 이상의 밝기 출력을 가지며, iPulse와 결합시 LED 연속광 대비 최대 30배의 밝기 출력과 초고속 제어가 가능하다.
| 목록 |
iPulse + Hybrid Spot 조명 |
일반 LED |
제논 램프 |
|
초기 비용 |
중간 |
저렴 |
많이 비쌈 |
|
교체 비용 |
없음 |
없음 |
주기적 발생 |
|
집광시 밝기 |
많이 밝음 |
낮음 |
보통 |
|
섬광 시간 |
0.2μs 내외 |
3μs 내외 |
0.1μs 내외 |
|
주파수 |
500,000Hz |
1,000Hz |
100Hz |
결론
Drop watching은 중소기업 기술개발 로드맵의 디스플레이용 잉크젯 프린팅 장비분야의 핵심기술로 뽑힐 정도로 기술의 중요성을 인정받았다. 하지만 국내의 여러 업체들은 고가의 해외 검사장비 혹은 제논 조명을 수입해서 사용하고 있다.
이번 기고에서는 아이코어의 조명 및 조명제어 기술을 통해 합리적인 비용으로도 기존방식이나 해외제품보다 성능이 우수하다는 것을 알게 되었다. Drop watcher를 사용하고 있거나 고려하고 있는 업체들이 아이코어의 조명솔루션을 통해 효율을 극대화하고 나아가 더 나은 결과를 도출하기를 희망한다.
헬로티 함수미 기자 |
