롤투롤 공정에서 유연기판의 장력에 의한 변형 편차 최소화를 위한 기구적 설계와 해석에 관한 연구

Abstract

국 문 요 약

최근 플렉시블 디스플레이, 태양전지, Radio Frequency Identification(RFID)태그, 바이오센서 등 플렉시블 디바이스에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이 같은 제품들의 핵심 소재인 유연기판은 저비용-대량 생산을 목적으로 인쇄 전자 기술 기반의 롤투롤 공정을 통해 생산 된다. 롤투롤 공정은 연속 공정이라는 특성에 따라 유연기판에 작용하는 장력, 롤과 유연기판 사이의 마찰, 유연기판의 이송 속도 등이 실시간으로 변화하게 된다.

위와 같은 변수들로 인해 유연기판에 작용하는 불균일한 장력은 유연기판의 불균일한 변형을 야기하고, 인쇄 패턴의 중첩 인쇄 정밀도에 악영향을 준다. 본 연구에서는 위와 같은 변수들을 고려하여 유연기판의 변형을 유한요소해석을 통해 분석하고, 유연기판에 작용하는 장력에 의한 변형의 편차에 대해서 연구하였다. 수십에서 수백 마이크로 단위 두께의 유연기판을 롤과 롤 사이에 이송시키게 되면, 유연기판의 폭 방향 끝단에서 비교적 적은 변형이 발생하고, 폭 방향 가운데 영역에서 비교적 많은 변형이 발생하는 것을 실험과 유한요소해석을 통해 확인하였다. 롤투롤 공정은 인쇄 패턴을 여러 번에 걸쳐 중첩 인쇄를 진행하는데, 시간에 따른 불균일한 장력 분포에 의해 유연기판에 불균일한 변형 편차가 발생하게 되고, 중첩 인쇄 패턴 정밀도와 인쇄 가능 영역의 범위에도 악영향을 주게 된다.

본 연구에서는 플렉시블 디바이스의 핵심 재료인 PET 소재의 유연기판에 대한 유한요소해석 기반 확보를 위해 인장 시험을 진행하여 물성을 확인하고, 유연기판의 이송, 유연기판과 롤 사이의 마찰을 고려한 유연기판의 변형을 유한요소해석을 통해 분석하였다. 이 결과를 기반으로 유연기판의 폭 방향 변형 편차를 보정하기 위한 롤의 기구적 설계로 Hourglass 롤을 제안하였다.

Hourglass 롤은 롤의 중심부와 주변부를 구분하여 중심부에는 강성이 높은 재료를 사용하고, 주변부에 탄성체와 같은 강성이 낮은 재료를 사용하였다. 그리고 롤 중심부의 직경을 가운데에서 최소가 되고, 양 끝단에서 최대가 되도록 설계하여 롤과 유연기판 사이의 접촉 강성의 편차를 이용하여 유연기판의 불균일한 변형 분포를 보정하려 하였다. Hourglass 롤 형상을 적용하여 유연기판의 변형 편차를 유한요소해석을 통해 응력 분포는 약 70 %, 변형률 분포는 약 67% 보정되는 것을 확인하였으며, 유연기판의 변형 측정 실험을 수행하여 유한요소해석 결과에 대해 검증하고, 제안한 기구적 설계를 적용하여 변형의 분포가 약 34% 개선되는 것을 실험을 검증하였다.