[A-note] Beckhoff, PC 기반 제어로 OLED 소재 개발 가속

[인더스트리뉴스 최종윤 기자] 차세대 디스플레이 기술 경쟁에서 핵심 과제 중 하나는 새로운 OLED 소재를 얼마나 빠르게 개발하고 검증하느냐에 있다. 캐나다 온타리오주 미시소거(Mississauga)에 위치한 OTI Lumionics는 Beckhoff의 PC 기반 제어 및 EtherCAT 기술을 적용해 이러한 소재 개발 프로세스를 획기적으로 단축했다.

가상 방식으로 개발을 완료한 후 OLED 소재는 정확한 고객 사양을 충족하기 위해 디스플레이 샘플 생산 과정에서 집중적인 테스트를 거친다. [사진=Beckhoff]

OTI Lumionics의 Michael Helander CEO는 “양자 시뮬레이션과 머신러닝, 파일럿 생산을 통한 실제 테스트를 결합해 혁신적인 소재를 개발하고 있다”며, “애플·삼성·LG 등과 협력해 차세대 OLED 디스플레이용 핵심 소재를 개발 중”이라고 밝혔다. 해당 소재는 언더디스플레이 카메라(UDC) 스마트폰부터 차량용 디스플레이까지 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다.

반복성 확보 어려웠던 기존 테스트 환경

OTI는 파일럿 생산용 소재 테스트 플랫폼 ‘EPOC-auto’를 개발하며 기존 공정의 한계를 극복하고자 했다. OTI Lumionics Terry Xu 엔지니어링 부사장은 “기존에는 운영자에 따라 결과가 달라지는 문제가 있었고, 동일 OLED 구조를 반복 구현하거나 주요 파라미터를 정밀하게 조정하는 것도 어려웠다”고 설명했다.

특히 디바이스 구조를 하루에 한 번의 공정으로 완성해야 하는 특성상 시스템 유휴 시간이 길었고, 운영 비용 대비 샘플 수율이 낮은 비효율 구조였다.

자동화를 추진하는 과정에서도 기술적 난제는 상당했다. 시스템은 서로 다른 층 구조를 가진 20개의 기판을 처리하면서 0.1mm 수준의 정렬 정밀도를 유지해야 했고, 나노미터 단위의 소재 증착 속도를 제어해야 했다.

최고 수준의 소재 품질을 보장하기 위해 많은 OLED 디스플레이 샘플을 제조하고 평가한다. [사진=Beckhoff]

또 복수의 소재 소스를 동시에 제어해야 했으며 이를 위해 각 소스별 정밀 제어가 가능한 컨트롤러가 요구됐다. 수백 개 센서와 액추에이터를 동시에 동기화해야 하는 복잡한 구조 역시 주요 과제였다.

여기에 더해 실험 중심 환경의 특성상 매일 요구 조건이 바뀌는 상황도 고려해야 했다. OTI Lumionics의 Terry Yang 수석 메카트로닉스 엔지니어는 “실험 목표가 매일 달라질 수 있기 때문에 빠르게 조정하고 업그레이드할 수 있는 시스템이 필요했다”고 밝혔다.

PC 기반 제어와 EtherCAT으로 통합

문제 해결을 위해 OTI는 Beckhoff의 PC 기반 제어 플랫폼을 채택했다. 핵심은 CX2033 임베디드PC로, 나노미터 수준의 소재 증착 공정에 필요한 정밀하고 결정론적인 제어를 수행하면서 전체 자동화 테스트 프로세스를 통합 관리한다. 여기에 실시간 산업용 이더넷인 EtherCAT을 적용해 센서, 액추에이터, 과학 계측기를 하나의 네트워크로 통합했다.

특히 EtherCAT 터미널은 타사 장비와의 통신을 지원하며, 과학 계측기와 자동화 시스템 간 인터페이스를 유연하게 구성할 수 있도록 했다. 반도체 및 디스플레이 연구개발 환경에서는 이러한 유연성이 시스템 통합의 핵심 요소로 작용했다.

과학 계측기까지 포함한 통합 제어 구조

OTI는 EtherCAT 기반 인터페이스를 통해 다양한 계측 장비를 통합했다. EL6021 시리얼 인터페이스 터미널을 활용해 석영 크리스탈 마이크로저울과 진공 컨트롤러 등 특수 장비와 고속 데이터 통신을 구현했으며, EL3024 아날로그 입력 터미널을 통해 전기적 절연과 12비트 분해능을 확보해 정밀 측정 데이터를 안정적으로 수집했다.

또 EL3318 열전대 입력 터미널을 통해 여러 열 영역의 온도를 정밀하게 모니터링하며, 공정 안정성을 확보했다. 이러한 구성은 OLED 소재 개발에 요구되는 나노미터 수준의 정밀도를 유지하는 동시에 테스트 환경 변화에 맞춰 새로운 측정 지점을 유연하게 추가할 수 있는 구조를 제공한다.

테스트 생산 중인 모션 제어 플랫폼에는 OCT가 장착된 AM8x22 서보 모터 외에도 콤팩트한 설계에 서보 모터, 출력 스테이지, 필드버스 연결이 포함된 AMI8122 통합 서보 드라이브도 포함돼 있다. [사진=Beckhoff]

모션 제어 시스템 역시 EtherCAT 기반으로 통합했다. 정밀 위치 제어를 위한 터미널과 AM8122 서보 모터를 적용했으며, One Cable Technology를 통해 배선을 단순화했다.

또 AX5201 서보 드라이브와 AX5000 시리즈 드라이브를 통해 고속 전류 제어(최대 62.5μs 주기)를 구현했으며, 다양한 피드백 시스템과의 연계를 통해 나노미터 수준의 위치 제어를 실현했다.

TwinCAT 기반 통합 소프트웨어 구조

소프트웨어 측면에서는 TwinCAT 자동화 플랫폼을 적용했다. TwinCAT은 PLC, NC, CNC 기능을 하나의 환경에서 통합 제공하며, 모든 자동화 장치의 구성과 프로그래밍, 디버깅, 진단을 일원화한다.

OTI는 구조화된 텍스트 기반 객체지향 프로그래밍 방식을 활용해 소프트웨어를 구현했으며, 이를 통해 코드 가독성과 유지보수성을 높였다. 구현 과정에서는 Beckhoff Canada와 협력해 모션 제어 및 소프트웨어 통합을 수행했으며, 이를 통해 시스템 통합 효율성을 확보했다.

Beckhoff AX5201 서보 드라이브는 소재 테스트에 필요한 빠르고 고도로 동적인 위치 제어 작업을 지원한다. [사진=Beckhoff]

테스트 처리량 3배 향상… 자동화 효과 입증

이러한 통합 자동화 구조를 통해 OTI는 테스트 효율을 획기적으로 개선했다. EPOC-auto 시스템은 24시간 연속 운영이 가능하며, 운영자 개입을 최소화한 상태에서도 안정적인 테스트 수행이 가능하다.

Terry Xu 부사장은 “처리량은 기존 대비 3배 이상 증가했으며, 테스트 반복성은 두 배 이상 향상됐다”고 설명했다. 또한 “현재까지 오류 없이 연속 운영이 가능했다”고 덧붙였다. 데이터 수집과 분석 기능 역시 강화되면서, 테스트 결과를 기반으로 한 공정 최적화가 가능해졌다.

“소재 개발 방식 자체를 변화”

OTI는 이번 자동화 플랫폼 도입을 통해 연구개발 방식 자체가 변화했다고 평가했다. Terry Xu 부사장은 “정밀도를 높이면서 동시에 처리량을 3배 향상시킬 수 있다면, 현재의 기술 과제를 해결하는 것을 넘어 디스플레이 기술 발전 속도 자체를 앞당길 수 있다”고 밝혔다.

결과적으로 Beckhoff의 PC 기반 제어와 EtherCAT 기술은 단순한 자동화 도입을 넘어, 과학적 실험 환경을 산업 수준의 생산성과 정밀도로 끌어올리는 역할을 수행하고 있다. OLED 소재 개발뿐 아니라, 향후 반도체·디스플레이 연구개발 전반에 적용 가능한 자동화 모델로 평가된다.