2.1 디지털 텍스타일 전사 프린터 구조

그림 1은 섬유(의류)에 날염 색상 이미지를 전사지에 출력하는 승화전사 고속 디지털 텍스타일 프린터 구조를 나타낸다. AC 동기형 리니어 모터에 의해 헤드베이스(Inkjet headbase) 가동부는 좌우로 이동하면서 칼라잉크를 분사하며 인쇄 후 전사지는 AC서보모터에 의해 풀어주고 감겨주는 피딩(feeding)구조이다. 출력된 전사지는 날염 대상 원단에 밀착 겹친 후 열전사기 기화 승화과정에 의해 전사지 이미지가 원단에 고착 전이되어 원하는 발색을 가능하게 된다.

다양한 칼라 이미지를 출력하는 잉크젯 멀티 헤드 가동 케리지부(carriage)는 8칼라 16헤드 헤드베이스가 헤드베이스 폭 만큼 좌로 인쇄 폭 1.9m 이동 후 전사지를 헤드베이스 폭 만큼 앞으로 이동(feeding) 시키며 전사지가 김겨진다. 이러한 동작을 반복하며 원하는 칼라 이미지를 선정된 길이만큼 인쇄하는 프린팅 시스템을 나타낸 것이다.

그림. 1. 디지털 텍스타일 프린터 구조

Fig. 1. Structure of Digital Textile Printer

표 1은 그림 1의 프린터 시작기에 대한 출력 사양을 나타내며, 폴리에스터, 나일론 등에 인쇄된 날염 원단은 아웃도어, 수영복, 스포츠복, 침장류, 홈텍스타일 등에 적용된다.

2.2 노이즈 발생 및 접지 기술

전기전자설비의 노이즈가 발생하는 부분은 전압과 전류가 변화하는 부분, 즉 $dv/dt$와 $di/dt$가 발생하는 부분이다. 이러한 부분은 적용부품 특성상 없을 수 없고 노이즈는 필연적으로 발생되므로 어떻게 하면 노이즈를 줄이거나 영향을 최소화 하는 기술이 중요하다. 노이즈 침입 경로는 도체전도, 공간전도, 처음은 도체전도 중간에서 공간전도, 처음 공간전도 중간 도체전도로 분류된다. 그림 2는 신호 전송시 포인트 1과 2 사이 중간에 노이즈 생성에 의한 수신부 신호 영향을 나타낸 것이다.

그림. 2. 노이즈 발생

Fig. 2. Noise occurrence

2.2.1 노이즈 신호 결합 특성

가) 정전 결합 : 전압이 안가된 도체 1과 2와의 사이에 콘덴서에 의한 정전결합이 발행된 도체 2에 노이즈가 인가되어 신호가 발생되는 것을 나타낸다, 식(1)은 도체와 접지사이의 정전 노이즈 전압을 나타낸다.

(1)

$V_{n}=\dfrac{j\omega\left |\dfrac{C_{1g}}{C_{12}+C_{2g}}\right |}{j\omega +\dfrac{1}{R(C_{12}+C_{2g})}}V_{1}$

여기서 $V_{1}$ 간섭원 전압, $V_{n}$ 도체2와 접지의 노이즈, $R$ 접지와의 회로접속저항, $C_{12}$ 두도체 사이의 캐패시턴스, $C_{1g}$ 도체1과 접지의 캐패시턴스, $C_{2g}$ 도체2와 접지의 캐패시턴스

나) 전자유도 결합 : 도체 회로내에 전류가 흐를 때 자속이 발생하고 이로 인해 다른 회로에 기전력이 발생하여 신호가 흐름을 나타내며 식(2)는 유도노이즈 전압을 나타낸다.

(2)

$V_{n}=j\omega M_{1}= M\dfrac{di_{1}}{dt}$

여기서 $V_{1}$ 간섭원 전압, $V_{n}$ 유도 노이즈 전압, $i_{1}$ 간섭원 전류, $R,\:R_{1},\:R_{2}$접지와의 회로 접속저항, $M$ 상호인덕턴스

다) 공통 임피던스 결합은 하나의 임피던스 회로를 공유하는 두 회로에서 발생하는 다른 신호 특성에 의한 각각 다른 크기의 전압이 발생하고 이로 인해 전압차가 발생하여 순환유도전류가 흐르게 되어 노이즈가 발생한다. 그림 3(c)는 공통 임피던스 결합을 나타타내며 그림 3(a),(b),(c)는 노이즈 신호결합 특성을 나타낸다.

그림. 3. 노이즈 신호 결합 특성

Fig. 3. Characteristics of noise signal combination

여기서 $V_{1}$: $i_{1}$의 전압, $V_{2}$: $i_{2}$의 전압, $i_{1}$ 회로1의 접지전류, $i_{2}$ 회로2의 접지전류, $Z$ 공통임피던스

라) 노이즈 전력

신호에서 매 비트 마다 측정된 에너지

(3)

$E_{b}= S T_{b}$

여기서 $S$ 신호전력(W), $T_{b}$ 1비트를 보내는데 걸리는 시간(sec)

$R = 1/T_{b}$ 이므로

(4)

$E_{b}=S/R$

노이즈 전력밀도(어떤 전송선로의 1Hz 대역폭에서 열 노이즈 레벨)

(5)

$N_{0}=k T$

여기서 $k$ 볼츠만 상수, $1.3803\times 10^{-23}J K^{-1}$, $T$ 캘빈온도

(6)

$$\begin{align*} C=W &\log_{2}(1+\dfrac{S}{N})bps \end{align*}$$

여기서 $C$ 정보전송률, $W$ 선로/채널의 대역폭(Hz), $S$ 평균 신호전력(W), $N$ 임의 노이즈 전력(W)

(7)

$\dfrac{E_{b}}{N_{0}}=\dfrac{S/R}{N_{0}}=\dfrac{S/R}{k T}$

(8)

$\dfrac{E_{b}}{N_{0}}(d B)= 10\log_{10}(\dfrac{S}{R})- 10\log_{10}(k T)$

수신된 신호의 노이즈 전력($N$)은 다음 식(9) 같다.

(9)

$N =W N_{0}$

(10)

$\dfrac{E_{b}}{N_{0}}=\dfrac{S}{N}\dfrac{W}{R}$

(11)

$\dfrac{E_{b}}{N_{0}}(d B)= 10\log_{10}(\dfrac{S}{N})+ 10\log_{10}(W)-10\log_{10}R$

2.3 전기설비 제어시스템 구성

그림 5는 프린터를 구성하는 전기설비, 전장 제어시스템의 블록선도를 나타내며, 주요블록은 AC 전원부, DC전원부, 서보모터제어부, 제어보드부로 구성하였다. 주전원 공급은 분전

그림. 4. 접지 효과 및 방법

Fig. 4. Effect and method of earth ground

반의 배선용차단기 50A MCCB에서 설비 전용으로 분기하여 3상 220V 열건조기와 단상 220V 출력설비 및 언와인더에 공급된다. 출력설비의 전원 인입부에는 전기안전을 위해 회로 내 단락, 과부하전류 및 누전으로부터 설비를 보호할 수 있도록 정격차단전류 1.5kA의 30A 누전차단기를 설치하였다.

누전차단기, 노이즈필터, MC마그네트, 릴레이, SMPS, 단자대 순으로 연결되어 각 보드의 DC 전원으로 공급되며, 캐리지 리니어 모터 및 피드 모터의 AC 전원은 차단기, 단자대를 통해 공급되도록 구성하였다. 여기서 노이즈 저감을 위해 SMPS와 모터 드라이버 장치는 분리 배치하여 상호 영향을 최소화하였으며, AC 접지와 DC접지를 분리하여 판넬에 1점 접지 (녹색선 접지바)하고 정전기 및 서지 이상전압이 배출되도록 외부에 접지선(녹색)을 연결하였다.

그림. 5. 전기 설비의 구성도

Fig. 5. Composition of electrical facilities

그림 6(a)는 전원공급장치 판넬부(강전), 그림 6(b)는 모터 및 제어용 보드 판넬을 나타낸다. 전원판넬부 설계는 밑에 우측에서 AC 전원이 입력되며 전원 차단기, 노이즈필터, MC 마그네트 전자접촉기, 릴레이, SMPS, 단자대 순으로 연결되어 각 보드의 DC 전원으로 공급된다. AC 서보전원은 차단기, 단자대를 통하여 공급되도록 구성하였다.

그림. 6. 전원 및 제어보드 판넬의 분리 구성

Fig. 6. Separation of power and control board panel

노이즈 저감을 위해 피딩용 서보모터 구동드라이버는 좌측에 배치하며, 보드류는 우측에 배치하여 상대적으로 노이즈가 많은 서보드라이버의 영향을 미치지 못하도록 배치하였다. 배선경로 덕트도 드라이버 배선과 보드 통신선 배선 덕트를 분리하여 전자파 영향에 의한 노이즈를 저감 시키도록 하였다⁽³⁾.

2.4 전장판넬 제어시스템의 노이즈 분석

그림 7은 그림 6(a)의 전원공급장치 판넬부(강전)로 제어보드에 적용하기 위한 다양한 부하 SMPS 출력전류의 노이즈 측정을 나타낸 것이다. 여기서 그림 7(a)는 DC Power 보드 전원용 SMPS 150W, 24V, 0.24A. 그림 7(b)는 메인보드 및 헤드온도제어 전원용 SMPS 750W, 24V, 0.5A. 그림 7(c)는 DC Power 보드 전원용 SMPS 320W, 24V, 0.4A. 그림 7(d)는 메인보드 전원용 SMPS 75W, 5V, 6.4A의 출력전류에서 노이즈 발생은 거의 없는 안정된 출력전류(동작부하전류) 크기를 확인할 수 있었다.

그림 8은 그림 6(b)의 제어용 보드판넬(약전)의 노이즈 측정 전압을 나타낸 것이다. 여기서 그림 8(a)는 그림 6(a)의 SMPS 출력 단자로부터 덕트배선을 통하여 연결된 메인보드 전원단자 DC5V, 노이즈 전압 0.24V의 측정 결과를 나타낸 것이다.

그림. 7. SMPS 출력전류의 노이즈 측정

Fig. 7. Noise measurement of SMPS output current

그림 8(b)는 서브보드 전원단자 DC5V, 노이즈 전압 0.43V. 그림 8(c)는 서브보드 24V 전원단자 노이즈 0.7V. 그림 8(d) 헤드전원단자 DC26V, 노이즈 1.1V의 측정결과로 노이즈 발생이 0.4∼8.6% 이하의 미약함을 확인 할 수 있었다(기준 10%이하).

그림. 8. 보드별 노이즈 측정파형

Fig. 8. Nose measurement waveform each board

그림 9는 리니어 엔코더 배선 및 리니어 서보드라이버 코아(magnetic core) 추가 구조를 나타낸다. 그림 9(a)는 리니어 모터 직선운동 검출신호를 리니어 엔코더를 통하여 드라이버 및 메인보드로 전달되는 신호선 케이블에 코아 추가 모습이며, 그림 9(b)는 동기형 리니어 모터를 구동하는 서보드라이버를 나타낸다.

서보드라이버는 내부 IGBT 스위칭 주파수에 의해 고정자 자력에 의해 상대적인 자극 배치에 의해 가동자가 여자전류로 구동되므로 노이즈가 가장 많이 발생되는 구동장치로 코아를 추가하였다.

그림. 9. 리니어엔코더 및 서보드라이버의 자석코아 추가

Fig. 9. Magnetic core addition of linear encoder and servo drive

그림 10은 그림 9의 코아 추가 전, 후 메인보드 전원 DC 24V 단자의 노이즈전압 측정파형을 나타낸 것이다.

그림. 10. 메인보드 DC24V 전원의 노이즈개선 측정파형

Fig. 10. Noise improve measurement waveform of main board DC24V power

여기서는 그림 9의 엔코더 및 드라이버 노이즈에 의해 메인보드 전원 단에 노이즈가 유입됨을 확인하였으며 이는 적합한 자석코아(1∼3개)를 추가하여 노이즈 파형 감소 크기를 저감하였다. 그림 10(a)에 비해 그림 10(b)는 노이즈 전압이 약 47%, 1.7V 감소되어 메인보드 전원 노이즈 전압에 의한 보드의 오동작 영향을 개선할 수 있었다.

2.5 케이블 베어의 케이블 배열 구조

그림 11은 그림 1 텍스타일 전사 프린터의 잉크젯 멀티 헤드 프린팅 케리지 이송부를 나타낸다. 여기서 케이블베어 구조는 양측으로 분류하였으며 케이블베어 내에는 전원선, 서보모터제어선, 통신선, 잉크공급선이 함께 배열되어 있다.

그림. 11. 케이블 베어의 분할 구조

Fig. 11. Division structure of cable bare

그림 12(a), (b)는 케이블베어 내부 개선 전, 후의 전원, 통신케이블에 대한 구조를 나타낸다. 강전 전원선, 서보모터제어선과 약전 통신선이 가까이 근접할 경우에는 전자기파에 의한 영향을 받아 노이즈가 발생되어 적합한 이격, 차폐 및 접지가 필요하다.

그림. 12. 케이블 배열 개선 전, 후 구조

Fig. 12. Improvement before and after of cable array

그림 12(a)는 좌측 케이블베어 내의의 전원 케이블, 접지, 잉크튜브 배열과 우측 케이블베어의 USB통신, RS422 통신케이블, 리니어모터 케이블 통신 및 엔코더 케이블이 배열되어 있다. 그림 12(b)는 우측 케이블베어 내의 리니어 모터 케이블로부터 좌측으로 USB 및 RS422 통신 케이블이 분리된 개선 구조를 나타낸다. 동일 케이블베어 내에 분리 시는 케이블베어 폭이 2배 이상 넓어 케리지 부분 폭이 증가 되므로 본 연구에서는 좌, 우 양측으로 케이블베어 분리 적용하였다.

2.6 시험 결과

그림. 13. USB 통신 노이즈 개선 전, 후 측정 파형

Fig. 13. Improvement before and after of USB communication

그림 13(a),(b)는 그림 12(a),(b) 배열 개선 전, 후 구조에 대한 측정파형을 나타낸 것이다. 여기서 그림 13(a)는 그림 12(a)와 같이 우측 동일 케이블베어 내 리니어모터 케이블과 USB 통신케이블 근접거리 배열시 접지선에서 노이즈 파형을 측정한 것이다. 그림 13(b)는 그림 12(b)와 같이 USB 케이블 좌측 및 리니어모터 케이블 우측 케이블베어 분리구조 시 접지선에서의 노이즈 개선 측정파형을 나타낸다.

그림 14(a)는 그림 12(a)와 같이 우측 케이블베어에 리니어모터 케이블과 RS422 통신케이블이 함께 1cm 근거리 배열시 신호선의 노이즈 측정파형을 나타낸다. 그림 14(b)는 그림 12(b)와 같이 RS422 통신케이블과 리니어모터 케이블 분리 시 노이즈 저감된 측정파형을 나타낸다.

그림. 14. RS422 통신 개선 전, 후 측정 파형

Fig. 14. Improvement before and after of RS422 communication

그림 15(a)는 RS422 통신케이블의 쉴드(shield) 접지 구조를 나타낸 것이다. 그림 15(b)는 그림 15(a)의 RS422 통신케이블 접지구조에서 RS422 통신케이블의 리니어모터케이블과 분리 및 추가 쉴드 접지 후 신호선의 노이즈가 더욱 감소된 측정파형을 확인하였다.

그림. 15. RS422 통신케이블 접지 및 노이즈 개선 파형

Fig. 15. Earth ground and noise improvement waveform of RS422 communication cable

그림 16(a),(b)는 리니어모터 엔코더(encoder) 접지 개선 전, 후의 노이즈 측정 파형을 나타낸 것이다. 그림 16(a)는 엔코더 접지 개선 전 노이즈 측정 피크-피그(peak to peak) 전압 9V 이지만 그림 16(b) 노이즈 개선 후 피크-피그 전압은 1.58V를 측정하였다.

이러한 시험을 통하여 노이즈 개선은 그림 13(b)와 같이 USB통신선 접지 노이즈 레벨은 0.8V 감소(1.2V→0.4V)하고, 그림 14(b)는 RS422 통신선 노이즈 레벨 7.6V 감소(10.3V→2.7V)하며, 그림 15(b)는 RS422 통신선 쉴드접지 노이즈 레벨 2.2V 감소(2.7V→0.5V)하며, 그림 16(b)는 리니어 모터 엔코더선의 접지 개선 후 7.42V 감소(9V→1.58V)하였다.

그림. 16. 엔코더 접지 개선 전, 후 측정 파형

Fig. 16. Improvement before and after of encoder earth ground

그림 17(a),(b)는 메인보드의 전기회로 PCB 기판 도선패턴에 대한 개선 전, 후 그림을 나타낸 것이다.

그림. 17. 보드 PCB의 패턴 개선 전, 후 구조

Fig. 17. Pattern improvement before and after of board PCB

그림 18(a),(b)는 메인보드의 PCB 전기회로패턴의 개선 전, 후 클록파형을 측정한 것이다.

그림. 18. 보드 도선패턴의 개선 전, 후 클록신호 측정파형

Fig. 18. Improvement before and after clock signal of board