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문제 정의
- 장치인. TFT-LCD의 내 충격 평가 방법을 제시하고자 한다. 또한 이동형 정보통신 기기의 TFT-LCD 모듈에 대한 정량적인 충격 손상평가를 위하여 반복성 있는 충격을 가할 수 있는 충격 시험기를 제작하여 유한요소해석의 결과를 검증하고 정량적인 내충격 평가를 위한 시험기로 활용하고자 한다.
- 동등한 조건하에서 지그에 일정한 가속도 충격이 전달되는지를 평가하기 위한 모의 시험을 실시하였다. Fig.
- TFT-LCD의 내 충격 평가 방법을 제시하고자 한다. 또한 이동형 정보통신 기기의 TFT-LCD 모듈에 대한 정량적인 충격 손상평가를 위하여 반복성 있는 충격을 가할 수 있는 충격 시험기를 제작하여 유한요소해석의 결과를 검증하고 정량적인 내충격 평가를 위한 시험기로 활용하고자 한다.
- 본 연구에서는 휴대용 IT 기기의 화면 표시소자로 사용되고 있는 소형 TFT-LCD 모듈에 대한 내 충격 평가방법에 관하여 연구를 수행하였으며 그 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 1) 자체 제작한 충격시험기의 신뢰성을 확보함으로써 정량적인 내 충격 평가 방법론을 확보하였다.
- 3) 소형 TFT-LCD 모듈에 대하여 유한요소해석을 수행하였으며, 선행된 시험결과를 바탕으로 비교 검증하였다. 이를 기반으로 소형 TFT-LCD 모듈의 내 충격 평가를 수행하였다.
- 그러나 적층 구조로 구성되어 있는 TFT-LCD 같은 경우에는 슬레이브 (slave)와 마스터(master)의 변경을 통하여 최적의 결과를 얻어야 한다.4 본 연구에서는 유한요소해석 시 부품간 접촉을 고려하기 위하여 LS- DYNA3D 에서 지원하는 ♦automatic single surface 옵션을 사용하였으며 두 접촉면 사이에서 발생하는 마찰을 고려하기 위해서 정 마찰 계수와 동 마찰 계수로 각각 0.3과 0.2를 사용하였다 9
- 충격 팔을 자유낙하 시키면 지그에 전달된 가속도가 TFT-LCD 모듈의 양 끝단에 입력된다. TFT- LCD 모듈의 주요 관심 부품인 패널 유리에 변형률 게이지를 부착하여 변형률을 즉정하였고, 지그에 가속도계를 부착하여 가속도를 즉정하였다. Fig.
- 이는 해석대상이 절대적으로 작은 크기를 갖는 대상 체이고, 단순화 과정에서 제외되고 생략된 부분의 효과가 질량에 반영된 것으로 판단된다. 각 부품간 테이프에 의한 체결부위는 MPC(Multi-Point Constraint) 기능을 사용하여 X, Y, Z 방향으로 구속하여 부품간 체결 효과를 나타내도록 하였다. 충격 팔에 의한 충격 직전의 속도를 초기속도로 설정하였다.
- 따라서 충격시험 시 TFT-LCD 모듈의 주요 기능을 담당하는 패널 유리에서 가장 큰 변형을 일으키는 지점인 패널 유리의 중앙 부에서 변형률을 측정하였다. 충격 시험을 통해 8개의 데이터를 확보하였다.
- 작은 크기에 해당된다. 따라서, 상용화된 충격 시험기를 통한 시험이 불가능하여 시험기를 자체 제작하였다.
- 본 연구에서는 낙하 충격시험을 통하여 얻은 변형률과 가속도 값을 유한요소해석 결과와 비교하여 유한요소모델을 검증하였으며 검증된 유한요소 모델의 해석결과를 이용하여 패널 유리의 변형률을 구하였다. 충격가속도가 입력에 의한 2.
- 4 는 시험 장치의 구성을 나타낸 것이며 시편으로는 휴대용 전화기에 장착되는 TFT-LCD 모듈을 사용하였다. 소형 TFT-LCD 모듈의 충격시험을 위해 충격 시험기를 제작하여 시험을 수행하였다. 충격 팔을 자유낙하 시키면 지그에 전달된 가속도가 TFT-LCD 모듈의 양 끝단에 입력된다.
- 3에 나타낸 측정 결과가 양에서 음으로 음에서 양으로 진동하는 것은 낙하 후 완충재와의 충돌 시점을 기준으로 측정한 데이터를 나타내기 때문이다. 시험 결과 측정 위치에 따른 가속도의 변화가 미미한 것으로 나타났고 이를 통해 시험기의 신뢰성을 확보하였다.
- 충격 시험을 통해 8개의 데이터를 확보하였다. 시험 조건은 완충재와 충격 팔의 끝까지의 높이를 각각 0.35m, 0.5m로 하였다. 각각의 조건에서 2 회씩 측정하였다.
- 유한요소 모델은 형상 단순화를 고려하여 구성하였다. Table 1은 각 부품별로 사용한 요소의 종류를 나타낸 것으로 광학 시트, 회로 기판, 섀시 (chassis) 등과 같이 얇은 부품은 S/R(Selectively Reduced corotational) 쉘(shell)요소를 나머지 부품은 S/R(fully integrated Selectively Reduced) 솔리드 (solid) 요소를 사용하였다.
- 총 요소의 개수는 43, 895 개로 구성하였다. 유한요소모델의 모든 쉘 요소는 사각형 요소(quad element)를 사용하였으며, 솔리드 요소의 경우는 모두 육면체 요소(hex element)를 사용하였다.
- 비교 검증하였다. 이를 기반으로 소형 TFT-LCD 모듈의 내 충격 평가를 수행하였다.
- 주요 관심 부위인 LCD 패널 유리의 중앙부에서의 변형률을 비교하였다. Fig.
- 완충재는 구하기 쉽고 현장에서 많이 이용되는 부직포를 사용하였다. 지그일정 범위로팔에서 일정범위로 이동이 가능하도록 구성하여 시험 시 힌지(hinge)에 가해지는 충격을 최소화하도록 하였다.
- 충격 팔의 크기는 휴대용 정보통신 기기의 사용 중 발생할 수 있는 낙하 충격의 높이를 고려하여 제작하였다.
- 구하였다. 충격가속도가 입력에 의한 2.5 msec 까지 유한요소해석을 수행하였다. 충격 해석 시 비정상적안 해석의 유무를 판단하기 위해 hourglass 에 너 지 의 영향을 검토하는 것으로 알려 져 있다.
- 6은 패널 유리에 부착된 변형률 게이지와 지그에 부착된 가속도계를 나타낸 것이다. 충격하중이 가해진 이후에 TFT-LCD 모듈의 주요 부품인 패널 유리 중심부의 변형률과 지그를 통해 전달되는 가속도를 각각 증폭기(amplifier)에 의해 증폭시킨 후, 동적 신호 분석기(dynamic, signal analyzer)에 실시간으로 저장하였다! 측정된 데이터는 내충격 평가를 위한 유한요소모델을 검증하기 위한 기본 데이터로 활용하였다.
- 특히 주요 관심 부위인 패널 유리의 경우 편광막(polarizer)과 액정 주입부에 대한 영향을 비교 검토하기 위하여 2가지 모델을 작성하였다. Fig.
대상 데이터
- 2) 자체 제작한 충격 시험기를 이동형 정보통신 기기의 화면표시 소자인 소형 TFT-LCD 모듈의 내충격 평가에 사용하였으며, 이를 통해 패널 유리에 대한 변형률 데이터를 확보하였다.
- Table 1은 각 부품별로 사용한 요소의 종류를 나타낸 것으로 광학 시트, 회로 기판, 섀시 (chassis) 등과 같이 얇은 부품은 S/R(Selectively Reduced corotational) 쉘(shell)요소를 나머지 부품은 S/R(fully integrated Selectively Reduced) 솔리드 (solid) 요소를 사용하였다. 이와 같은 요소적분 방법은 체결부위와 접촉 부위가 많은 TFT-LCD 와 같은 제품의 해석에 대하여 높은 정확성을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 전체적인 hourglass 의 감소에 효과적인 것으로 알려져 있다.
- 본 논문의 연구 대상인 이동형 정보통신 기기용 TFT-LCD 모듈은 휴대용 전화기에 장착되는 제품으로 40x50mm2 의 크기로 화면표시 장치 중 상당히 작은 크기에 해당된다. 따라서, 상용화된 충격 시험기를 통한 시험이 불가능하여 시험기를 자체 제작하였다.
- 1에 나타내었다. 시험기의 재료 중 충격 팔과 지그는 가공이 쉽고 강성이 강한 두랄루민(Duralumin)을 사용하였고 볼트는 탄소강을 사용하였다. 완충재는 구하기 쉽고 현장에서 많이 이용되는 부직포를 사용하였다.
- 시험기의 재료 중 충격 팔과 지그는 가공이 쉽고 강성이 강한 두랄루민(Duralumin)을 사용하였고 볼트는 탄소강을 사용하였다. 완충재는 구하기 쉽고 현장에서 많이 이용되는 부직포를 사용하였다. 지그일정 범위로팔에서 일정범위로 이동이 가능하도록 구성하여 시험 시 힌지(hinge)에 가해지는 충격을 최소화하도록 하였다.
- 유한요소해석대상은 소형 TFT-LCD 모듈로서 총 23개의 부품들로 이루어져 있으며 해석 결과의 타당성 확보 측면에서 총중량을 고려하여 모델을 작성하였다. Fig.
- 총 요소의 개수는 43, 895 개로 구성하였다. 유한요소모델의 모든 쉘 요소는 사각형 요소(quad element)를 사용하였으며, 솔리드 요소의 경우는 모두 육면체 요소(hex element)를 사용하였다.
- 따라서 충격시험 시 TFT-LCD 모듈의 주요 기능을 담당하는 패널 유리에서 가장 큰 변형을 일으키는 지점인 패널 유리의 중앙 부에서 변형률을 측정하였다. 충격 시험을 통해 8개의 데이터를 확보하였다. 시험 조건은 완충재와 충격 팔의 끝까지의 높이를 각각 0.
- 6은 패널 유리에 부착된 변형률 게이지와 지그에 부착된 가속도계를 나타낸 것이다. 충격하중이 가해진 이후에 TFT-LCD 모듈의 주요 부품인 패널 유리 중심부의 변형률과 지그를 통해 전달되는 가속도를 각각 증폭기(amplifier)에 의해 증폭시킨 후, 동적 신호 분석기(dynamic, signal analyzer)에 실시간으로 저장하였다! 측정된 데이터는 내충격 평가를 위한 유한요소모델을 검증하기 위한 기본 데이터로 활용하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 유한요소해석 (Finite Element Analysis) 기법을 이용하여 이동형 정보통신 기기용화면표시 장치인. TFT-LCD의 내 충격 평가 방법을 제시하고자 한다.
- LCD 패 널간 신호를 주고받는 FPC(flexible printed circuit board)와 부품간 체결을 위한 테이프(tape)는 하중을 지지하지 못하는 것으로 판단되어 해석대상에서 제외하였다. 유한요소 모델 작성은 상용 3 차원 CAD 프로그램인 EDS 사의 I-DEAS 를 이용하였다."
성능/효과
- 두 가지 해석모델에 대한 결과를 검토해 보면 꼭대기 값(peak value)의 차이가 통합모델의 경우 약 50% 독립모델의 경우 약 3.3%로 나타났으며 두 모델의 충격 거동은 유사한 경향을 갖는 것으로 파악되었다. 독립모델의 경우가 시험 결과에 더 가까운 것은 대상물의 크기가 작기 때문에 편광막과 액정의 영향이 증대된 결과라고 판단된다.
- 본 연구에서는 TFT-LCD 모듈의 충격 해석을 위한 상용유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA3D v.970 을 사용하였다宀 ° 충격 해석과 같은 동적 유한요소해석을 수행하기 위해서는 계산 시간이 빠르고 수렴이 보장되는 양함 수법 (explicit time integration)을 이용하는 것이 효율적이다. 그러나 요소 크기에 의해서 해석 시간이 결정되는 양함 수법 유한요소해석 코드는 작은 요소로 인해서 해석이 불가능한 경우가 발생할 수 있다.
- 변형률과 가속도는 10kHz로 동적 신호 분석기에 저장하였다. 시험결과로부터 자체 제작한 충격 시험기가 이동형 정보통신 기기의 정량적인 내중격 평가를 위한 데이터를 확보하는데 적절하다고 판단된다.
- 유한요소 모델의 전체 질량은 독립모델 (independent FE-model)에서 약 11% 정도 차이를 보였으며, 통합모델(integrated FE-model)에서는 1.3%의 오차를 보였다. 이는 해석대상이 절대적으로 작은 크기를 갖는 대상 체이고, 단순화 과정에서 제외되고 생략된 부분의 효과가 질량에 반영된 것으로 판단된다.
후속연구
- 4) 추가적으로 패널 유리의 손상 또는 파손에 대한 가속도 충격량, 변형률 등과의 관계 , 규명에 대한 연구가 필요하다고 판단된다.
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