개요
열전사 프린터 헤드를 이용해 필름 용지에 인쇄하는 제어보드를 개발한 적이 있습니다.
처음 시도하는 분야라 관련 자료를 많이 조사하고, 이를 바탕으로 직접 회로를 설계하여 보드를 제작했습니다.
이후 펌웨어를 작성해 구동해 본 결과, 인쇄는 정상적으로 이루어졌습니다.
그러나 실제 테스트 과정에서 몇 가지 개선이 필요한 부분을 발견하였습니다.
본 글에서는 이러한 개선점을 중심으로, 보완용 서브보드를 설계하고 제작하는 과정을 기록하고자 합니다.
Thermal Printer Head
동작원리
제가 사용한 Thermal Printer Head는 일본 AOI사의 TAE056-K8E823 모델입니다.
Thermal Printer는 일반적으로 두 가지 방식이 있습니다.
하나는 리본(Ribbon)을 이용해 인쇄하는 방식이고,
다른 하나는 열에 반응하는 감열지(Thermal Paper)를 직접 사용하는 방식입니다.
Ribbon 방식 열전사 프린터는 헤드와 인쇄 용지 사이에 리본(잉크필름)을 두고,
헤드의 발열소자가 순간적으로 가열되면서 리본의 잉크층응 용지에 전사시켜 인쇄합니다.
약봉지 같은 필름 용지에 인쇄를 할 때 사용합니다.
<Ribbon 방식 열전사 프린터>
감열지 방식 열전사 프린터는 별도의 리본 없이, 용지 표면에 열에 반응하는 감열층이 코팅이 되어 있는 Thermal Paper를 사용합니다.
헤드의 방령소자가 직접 열을 전달하여 감열층의 색이 변하면서 문자가 인쇄 됩니다.
POS 영수증 등에 사용됩니다.
<감열지 방식 열전사 프린터>
우리가 개발한 시스템은 약봉지(필름 용지)에 인쇄해야 하기 때문에,
감열지형이 아닌 리본 전사형(Ribbon Type) 프린터 헤드를 사용하였습니다.
위 그림은 ROHM Tech Web의 Rohm Tech Web – Thermal Printheads 페이지에서 인용하였습니다.
이 페이지에서는 열전사 프린터 헤드의 구조와 작동 원리,
그리고 리본 전사형과 감열지형의 차이점을 자세히 다루고 있습니다.
보다 깊이 있는 이해를 원하신다면 해당 문서를 참고하시면 많은 도움이 될 것입니다.
TAE056-K8E823 헤드의 사양
TAE056-K8E823 프린터 헤드는 56 mm 인쇄 폭과 448 dot 해상도로 구성되어 있습니다.
이는 1 dot 간격이 0.125 mm(8 dots/mm)인 구조로,
양쪽에 각각 2개의 히터 소자(2 heaters/dot)가 배치되어 있습니다.
아래 표는 데이터시트에 명시된 주요 사양 요약입니다.
이 프린터 헤드는 정밀한 온도 제어와 균일한 발열 분포를 위해
온도 보상용 써미스터(30 kΩ, B = 3950 K)가 내장되어 있습니다.
또한 내부에는 래치 회로와 시프트 레지스터가 포함되어 있어,
마이크로컨트롤러(MCU)에서 DATA–CLOCK–STROBE 신호로 제어할 수 있습니다.
Circuit Diagram
아래 그림은 TAE056-K8E823 프린터 헤드의 회로도(Circuit Diagram)입니다.
이 프린터 헤드는 두 개의 전원을 사용합니다.
. DC5V (VDD) : 내부 Digital Logic 회로 전원
. DC24V (COM–Vset) : 발열소자(Heater Elements) 구동 전원
즉, DC5V는 Shift Register, Latch, 논리 회로 등에 공급되며,
DC24V는 인쇄 시 실제 열을 발생시키는 Heater에 인가됩니다.
데이터 입력은 다음과 같은 순서로 처리됩니다.
1. SI(Data Input) 신호가 CLOCK 신호에 동기되어 Shift Register로 순차 전송됩니다.
2. 데이터가 모두 입력되면, LATCH 신호가 인가되어 데이터가 Latch 회로에 저장됩니다.
3. 저장된 데이터는 두 개의 STROBE 신호(/STROBE1, /STROBE2) 중 하나가 인가될 때 대응하는 열 엘리먼트(Heater)를 구동하여 인쇄가 이루어집니다.
이 과정을 통해 한 라인의 인쇄 데이터가 순차적으로 전달·래치·구동되며,
448개의 발열소자가 순서대로 제어됩니다.
작동 주의사항
이 회로도는 단순해 보이지만, 실제 동작 과정에서 핵심적인 주의점이 숨어 있습니다.
당시에는 이 부분을 충분히 검토하지 못해,
실제 시험 중 예상치 못한 이상 동작 현상이 발생하였습니다.
이 글에서는 그 문제의 원인을 분석하고,
이를 해결하기 위한 보완 서브보드 설계와 개선 과정을 중심으로 다루고자 합니다.
아래 그림은 데이터시트의 Operation Precautions 중 일부입니다.
특히 붉은 박스로 표시된 부분이 우리가 주의해야 할 핵심 구절입니다.
즉, 전원 인가 및 차단 순서가 매우 중요합니다.
-
전원을 켤 때는 Logic (VDD) → Heater (Vset) 순서로,
-
전원을 끌 때는 Heater (Vset) → Logic (VDD) 순서로 해야 합니다.
또한, 전원 전환 시 STROBE 신호는 반드시 비활성 상태(Low Level 혹은 Non-active)이어야 합니다.
이 규칙이 지켜지지 않으면,
헤드 내부의 래치 회로나 발열소자(Heater Element)가 비정상적으로 동작하여
일시적인 과전류가 흐를 수 있습니다.
실제 시험에서는 전원 인가 시 순간적인 과도 전류가 발생하여
24V 파워서플라이가 반복적으로 On/Off되는 현상이 관측되었으며,
심한 경우에는 프린터 헤드가 손상되는 사례도 확인되었습니다.
따라서 이번 개선 설계에서는 이러한 문제를 방지하기 위해,
전원 시퀀스를 하드웨어적으로 제어할 수 있는 보완용 서브보드 회로를 추가로 설계하였습니다.
다음 편에서는 이 보완용 서브보드의 회로 구성과 제어 타이밍을 중심으로, 실제 보드를 만들어 보도록 하겠습니다.
