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문제 정의
- 본 연구에서는 노즐을 가진 점형(point-type) 증발원의 시뮬레이션을 수행 하여 노즐의 형상과 증발원의 유기 입자 방사 특성을 고찰하여 노즐 형상에 따른 시뮬레이션 결과를 통해 증발원 형상에 따른 유기 입자 방사 특성을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 노즐(nozzle)길이 25 mm, 반지름 7.5 mm를 기준으로 결정하여 시뮬레이션 하였으며, 노즐의 반지름과 길이는 5단계(길이는 5 mm간격, 반지름은 2.5 mm간격)로 나누어 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션에 기준이 되는 노즐 형태에 대해서는 실험값과의 비교도 수행하였다.
- 노즐의 길이에 따른 시뮬레이션 결과는 400cc 셀을 기준으로 하여 노즐의 길이를 25 mm를 기준으로 값을 5 mm간격으로 총 5단계 (15, 20, 25, 30, 35 mm)로 선정하여 시뮬레이션 하였다(Table 2).
- 증발원의 특성을 파악하기 위해서는 노즐의 형상이 주요한 요소가 된다. 따라서 노즐의 길이와 반지름이 유기 입자 거동에 어떠한 영향을 미치는 지 살펴보기 위해 총 10가지의 경우에 대하여 DSMC 기법을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다(Table 2~3). 그 결과 노즐의 반지름이 증가하면 코사인 (cosine) 함수의 지수n값은 감소하며, 노즐의 길이가 증가하면 n값이 증가하는 결과가 도출되었다.
- 사용된 컴퓨터 언어는 포트란(fortran)이며, 프로그램 초기화를 위한 입자의 속도, 내부에너지를 결정하고, 입자가 시간간격(time step)과 각 속도에 맞게 이동하고 그것에 따른, 셀 정보의 색인(indexing)작업을 하고 분자간 충돌에 대해 매 시간간격(time step) 마다 입자가 어떤 확률로 충돌한다. 또한, 얼마만큼의 충돌을 고려해야 하는지를 결정하는 충돌 샘플링 방법을 사용해 그에 따른 충돌 후 속도를 결정 한다[6].
- 설계 변수들을 분석하여 시스템 또는 장치가 유기 입자 거동에 미치는 경향을 분석하기 위해 총 4가지 시뮬레이션을 수행하였다. 각 데이터의 조건은 증착 공정에서 사용되는 점증발원 (cell source)을 모델로 Fig.
- 5 mm간격)로 나누어 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션에 기준이 되는 노즐 형태에 대해서는 실험값과의 비교도 수행하였다.
- DSMC 계산에서 모든 입자 하나하나를 다 계산하는 것은 불가능하므로, 기체 유동 모사를 위해 실제 유동에서 많은 수의 입자를 대표하는 모사 입자를 생성한다. 실제 입자에 가깝도록 적절한 모델을 택하여 이 모사 입자 각각의 위치, 속도, 내부 에너지 등을 부여한다. 그리고 나서 관심 있는 계산 영역에서 이 입자들을 추적해 나간다.
- 온도에 따른 시뮬레이션은 온도를 3단계(300, 400, 500o C)로 나누어 각 온도에서 성막 속도에 따른 n값의 변화를 살펴 보았다. 그 결과 온도에 따라 n값의 변화가 크지 않다는 시뮬레이션 결과를 확인 할 수 있다.
- 증착원(cell source) 해석을 위해 본 연구에서는 노즐(nozzle)의 길이(length)와 반지름(radius), 온도 (temperature) 등의 변수를 적용하였으며, 실험값과의 비교 시뮬레이션을 실행 하였다.
- 이를 보완하기 위해 실 제작 및 실험의 횟수를 줄이기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 실험을 대체하는 개발 방안이 적용되고 있다[3]. 희박기체 영역에서 유기입자의 거동을 해석하기 위해 DSMC기법을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 유기 입자 방사 특성을 예측하고자 한다.
대상 데이터
- 설계 변수들을 분석하여 시스템 또는 장치가 유기 입자 거동에 미치는 경향을 분석하기 위해 총 4가지 시뮬레이션을 수행하였다. 각 데이터의 조건은 증착 공정에서 사용되는 점증발원 (cell source)을 모델로 Fig. 1와 같은 격자(mesh)를 사용 하였다.
- 새로운 개념의 증착원(cell source)개발을 위해 다양한 증착원의 형상화가 요구 된다. 본 연구에서는2차원적인 증착원의 격자(mesh)를 형성하여 DSMC 해석에 필요한 해석 대상을 모델링 하였다(Fig. 1~2).
데이터처리
- 실험값의 n은 400cc 증착원이 사용된 공정에서 측정된 n값을 사용하였으며, 시뮬레이션과 실험값을 비교하였다(Table 5, Fig. 12).
이론/모형
- 격자(mesh)생성이 끝나면 유동장 내의 밀도를 계산하기 위해 희박기체 거동해석에서 말한 DSMC 기법을 이용한 코드를 사용한다. 사용된 컴퓨터 언어는 포트란(fortran)이며, 프로그램 초기화를 위한 입자의 속도, 내부에너지를 결정하고, 입자가 시간간격(time step)과 각 속도에 맞게 이동하고 그것에 따른, 셀 정보의 색인(indexing)작업을 하고 분자간 충돌에 대해 매 시간간격(time step) 마다 입자가 어떤 확률로 충돌한다.
- 그러므로 희박기체 거동(rarefied gas dynamics)을 활용한 해석 기법이 사용된다. 본 연구에서는 희박 기체의 거동 해석을 위하여 주로 사용되는 DSMC 해석 기법을 적용하였다.
- 유기EL 디스플레이 생산 공정 중 유기 막의 진공 성막 공정에 대한DSMC 기법을 적용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.
성능/효과
- 따라서 노즐의 길이와 반지름이 유기 입자 거동에 어떠한 영향을 미치는 지 살펴보기 위해 총 10가지의 경우에 대하여 DSMC 기법을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다(Table 2~3). 그 결과 노즐의 반지름이 증가하면 코사인 (cosine) 함수의 지수n값은 감소하며, 노즐의 길이가 증가하면 n값이 증가하는 결과가 도출되었다. 또한, 2차원적인 격자를 생성하여 점 증발원을 모델링 하여 시뮬레이션을 함으로써 새로운 증발원에 대한 연구가 가능하다는 것을 확인 할 수 있었다(Fig.
- 노즐 길이에 따른 시뮬레이션 결과와 같이 반지름에 따른 시뮬레이션 결과에서도 낮은 성막 속도에서 n값의 변화 폭과 평균 값이 큰 것을 알 수 있었다(Table 3).
- 노즐 설계 변수에 대해 시뮬레이션 결과 노즐의 길이를 5 mm이하로 작게 하였을 경우 n값의 증가 폭이 커짐을 알 수 있었다(Fig. 10).
- 노즐의 반지름에 따른 시뮬레이션 결과는 성막 속도(rate)값이 증가하면 n값(n-value)은 감소하는 경향을 확인 할 수 있으며(Fig. 10), 7.5 mm값은 성막 속도1A/sec(rate1)와 성막 속도 3A/sec(rate3)의 시뮬레이션 결과에서 약 0.12 정도 증가 하는 것을 확인 할 수 있었다(Table 3).
- 그 결과 노즐의 반지름이 증가하면 코사인 (cosine) 함수의 지수n값은 감소하며, 노즐의 길이가 증가하면 n값이 증가하는 결과가 도출되었다. 또한, 2차원적인 격자를 생성하여 점 증발원을 모델링 하여 시뮬레이션을 함으로써 새로운 증발원에 대한 연구가 가능하다는 것을 확인 할 수 있었다(Fig. 1~2).
- 또한, 노즐의 길이가 증가하면 n값(n-value)이 증가하지만 길이 25 mm에서30 mm까지 성막 속도 1A/sec(rate1)과 성막 속도 3A/sec(rate3)에서 각각 n값은 약 0.1과 0.03정도 감소하는 것을 확인 할 수 있었다(Fig. 9).
- 본 연구에서 실행한 시뮬레이션 결과를 실험 결과와 비교 함으로써 실제 성막 공정에 적용할 수 있음을 확인하였다(Table 5).
- 성막 속도가 감소 할수록 n값의 변화 폭과 평균 값이 크다는 것을 알 수 있었다.
- 시뮬레이션의 평균값을 보면 노즐 길이가 증가하면 n값이 연속적으로 증가한다는 것을 확인하였다(Table 2).
- 12는 400cc 증착원(cell source) 의 실험 값과 시뮬레이션 값을 비교한 표와 그래프이다. 실험 결과와 시뮬레이션 결과에서 성막 속도(rate) 값이 증가하면 n값은 감소하는 경향을 보이는 유사한 그래프 형태를 확인 할 수 있다(Fig. 12).
- 증발원의 모델링 후 입자의 거동 해석을 통해 유동장 내의 밀도 계산 결과를 얻을 수 있을 수 있으며, 속도 벡터(velocity vector), 유선(stream line) 그리고 밀도(density) 분포의 가시적 표현이 가능하다(Fig. 3~5).
후속연구
- 유기재료 Alq3에 대하여 해석에 필요한 물성이 모두 알려지지 않아 시뮬레이션의 결과와 실험값들과의 오차가 발생하였다. 따라서 앞으로 해석에 필요한 물성이모두 확보된다면, 개발된 알고리즘을 통해 경쟁력 있는 유기EL 디스플레이 제품 생산을 기대 할 수 있다.
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