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문제 정의
- 따라서 정확한 유한요소해석 결과를 얻기 위해서는 이러한 재료의 이 방성이 해석에 적용되어야 한다. 본 연구에서는 금속마스크의 재료인 SUS305 금속 박판에 대한 마이크로 인장시험을 수행하여 방향에 따른 정확한 물성정보를 획득하였다.
- 본 연구에서는 스크린 인쇄 공정에 이용되는 금속 마스크의 설치 과정에서 인장에 의해 발생하는 변형을 해석적으로 분석 하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 스크린 인쇄 공정에 이용되는 금속마스크는 고유의 형상특성으로 인하여 자중에 의해 발생하는 휨과 처짐을 방지하기 위해 일정한 틀에 설치하는 양축 인장(Biaxial tension) 과정을 거치게 되며, 이 과정에서 금속마스크에는 변형이 발생되어 스크린 인쇄의 불량을 유발할 수 있다. 본 연구에서는 스크린 인쇄용 금속 마스크의 인장과정에 의한 변형을 분석하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 또한 금속마스크 중심부의 패턴 영역 중 변형 방지를 위해 미세 구멍 주변에 성형되는 슬롯이 변형에 미치는 영향을 분석하였다.
제안 방법
- 4의 (a)와 (b)에 각각 전체 영역 모델과 국부 영역 모델을 도시하였다. 격자분할은 8절점 쉘(Shell) 요소를 이용하여 수행되었으며, 부영역으로는 전체 영역 중 미세 구멍이 형성되어 있는 국부 영역을 지정하여 전체 영역대비 3.6배 조밀한 격자모델을 생성하였다.
- 금속 마스크의 인장시 미세 구멍의 변형에 대한 슬롯 설계의 영향을 분석하기 위해 기존의 금속 마스크에서 슬롯을 제거 혹은 추가하여 해석 모델을 수정하였다. Fig.
- 본 연구에서는 스크린 인쇄용 금속 마스크의 인장과정에 의한 변형을 분석하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 또한 금속마스크 중심부의 패턴 영역 중 변형 방지를 위해 미세 구멍 주변에 성형되는 슬롯이 변형에 미치는 영향을 분석하였다.
- 또한, 각 대칭성을 고려하여 생성한 1/2 모델에서도 5×10개에 이르는 많은 수의 미세 구멍으로 인해 전체에서 미세 구멍의 변형에 대한 위치의 영향을 확인 할 수 있는 4개의 위치를 선정하여 해석 결과를 확인하였다.
- 2%의 변형률 감소가 확인되어 슬롯이 변형 방지에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한, 변형방지용 슬롯 패턴의 대칭적 분포에 대한 영향을 확인하기 위해 모델 5, 모델 6의 변형 결과를 확인하였다. 상대적으로 길이가 긴 장축방향(Y)에 슬롯이 추가로 형성되어있는 모델 5에서 Y방향 변형률이 X방향 변형률 대비 1.
- 이렇게 금속 마스크가 고정되어 인장이 이루어지는 과정을 해석에 모사하기 위하여 금속 마스크 모델 외곽의 네 꼭지점에 휨을 방지하는 Z 변위 구속조건과 중심부에 금속마스크의 절대 이동을 방지하는 Y 변위 구속조건을 적용하였다. 또한, 인장에 의한 각 방향에 대한 인장하중 P1, P2는 금속 마스크의 인장 전후 상대거리 측정과 해석을 비교하는 일련의 과정을 통하여 6.92MPa, 4.34MPa로 각각 설정되었으며, 국부영역의 외곽에 부영역 경계조건(Cut- boundary condition)을 설정하여 전체영역 해석결과 중 변위결과가 해당 절점에서 보간되어 변위 경계조건으로 설정되도록 하였다.
- 마스크에 인가되는 응력 및 변형은 슬롯과 미세구멍이 형성되어 있는 영역에서 지배적으로 발생하기 때문에 패턴이 존재하는 85×115mm²의 부영역을 중점적으로 검토하였다.
- 금속 마스크의 인장 과정은 금속 박판이 수직방향으로 변형되는 것을 방지하기 위하여 일정한 틀(Frame)에 장착하여 수행된다. 이렇게 금속 마스크가 고정되어 인장이 이루어지는 과정을 해석에 모사하기 위하여 금속 마스크 모델 외곽의 네 꼭지점에 휨을 방지하는 Z 변위 구속조건과 중심부에 금속마스크의 절대 이동을 방지하는 Y 변위 구속조건을 적용하였다. 또한, 인장에 의한 각 방향에 대한 인장하중 P1, P2는 금속 마스크의 인장 전후 상대거리 측정과 해석을 비교하는 일련의 과정을 통하여 6.
- 해석 모델은 슬롯이 전혀 존재 하지 않는 경우(모델 1)부터 외곽에 슬롯을 추가한 경우(모델 2), 외곽 안쪽 코너에 슬롯을 성형한 경우(모델 3), 외곽의 슬롯과 미세 구멍 사이에 추가적으로 슬롯을 성형한 경우(모델 4)로 구분하여 슬롯을 증가시키며 모델을 생성하였다. 추가적으로 슬롯의 비대칭적인 분포에 대한 영향을 파악하기 위해 모델 4를 변형한 모델 5와 모델 6을 생성하여 동일한 조건하에 해석을 수행하였다.
- 8에 수정된 6개의 금속 마스크 모델을 도시하였다. 해석 모델은 슬롯이 전혀 존재 하지 않는 경우(모델 1)부터 외곽에 슬롯을 추가한 경우(모델 2), 외곽 안쪽 코너에 슬롯을 성형한 경우(모델 3), 외곽의 슬롯과 미세 구멍 사이에 추가적으로 슬롯을 성형한 경우(모델 4)로 구분하여 슬롯을 증가시키며 모델을 생성하였다. 추가적으로 슬롯의 비대칭적인 분포에 대한 영향을 파악하기 위해 모델 4를 변형한 모델 5와 모델 6을 생성하여 동일한 조건하에 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 이용된 스크린 인쇄 공정용 금속 마스크는 100㎛ 두께를 갖는 박판 금속소재를 사용하여 제작되며, 전체 마스크 300×600mm² 영역 중 마스크 중심부의 85×115mm²의 국부 영역에 미세 범프를 형성하기 위한 미세 구멍(0.6×0.6mm²)들이 형성된다.
- 인장시험은 압연방향의 0°, 45°, 90°의 각도를 종방향으로 갖는 3종류의 시편을 제작하여 진행되었으며, 각 방향별 시편에 대해 7개의 유효데이터를 획득하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 금속마스크의 인장시 발생하는 변형을 예측하기 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS™를 사용하여 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 금속마스크의 인장시 발생하는 변형을 예측하기 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS™를 사용하여 해석을 수행하였다. 대칭성을 고려하여 전체 마스크 모델의 1/2 형상에 대해 유한요소 모델을 생성하였으며, 또한 미세 구멍이 존재하는 금속 마스크의 형상특성을 고려하여 부영역 (Sub- domain) 해석기법을 적용하였다. 부영역 해석기법은 전체 해석영역(Global analysis domain)의 해석결과와 관심영역인 국부 해석영역(Local analysis domain)의 해석을 연계하는 기법으로 성긴 격자구성을 갖는 전체 영역 대비 조밀한 격자로 이루어진 국부영역에서 주요 해석 결과가 계산됨으로써 관심 영역에서의 해석 결과를 향상된 해석속도로 더욱 정확하게 획득할 수 있다(9).
성능/효과
- (1) 금속 마스크의 인장해석 결과 미세구멍의 형상변형은 위치에 따라 0.03~0.1% 정도로 발생되었고, 미세구멍 중심위치의 편차는 0.02~0.08%로 발생하는 것으로 예측되어 미세범프의 형상 및 위치정밀도에 영향을 미침을 확인하였다.
- (2) 미세범프의 형상 및 위치변화를 감소시키기 위해 일반적으로 변형방지용 슬롯을 사용하는데, 본 연구에서는 변형방지 슬롯이 추가된 모델에 대하여 유한요소해석을 진행하였고, 슬롯이 추가됨에 따라 미세 구멍의 변형률이 최대 31.2% 감소함을 확인하였다. 또한 미세 구멍의 중심위치 이동량이 미세 구멍의 최대 변형량 대비 7배 이상의 크기임을 확인함으로써 금속 마스크의 변형에 의한 설계 보정은 미세 구멍의 변형보다 중심 위치를 중점적으로 고려하는 것이 중요하다고 판단하였다.
- (3) 상기 결과를 바탕으로 다양한 형태(모델 1~6)의 슬롯설계에 대한 유한요소해석을 수행한 결과 5번 모델의 경우 X방 향과 Y방향간의 변형률 편차(5.78%)가 가장 적어 변형 방지를 위한 마스크 형상보정에 가장 유리함을 확인하였다.
- 슬롯이 존재하지 않는 모델 1은 미세 구멍에서 최대응력이 발생함을 확인하였고, 그 외의 모델에서는 주변 부의 슬롯에서 최대응력이 발생함을 알 수 있었다. 6가지 모델 에서 발생한 최대 응력은 130.9~363.7MPa 의 사이로 확인되었으며, 슬롯의 수가 증가할수록 최대응력이 증가함을 확인할 수 있다. 이는 슬롯이 증가됨에 따라 해당 위치에서 응력집중 효과가 발생하기 때문으로 판단된다.
- 또한, 미세구멍의 변형률과 마찬가지로 장축방향(Y)에 슬롯이 추가된 모델 5에서 Y방향과 X방향의 중심위치 이동률 비는 0. 94배로 가장 작았으며, 상대적으로 길이가 짧은 단축방향(X)에 슬롯을 추가한 모델 6에서는 중심위치 이동률의 비가 6.88배로 나타나면서 두 방향의 중심위치 이동률 편차가 확연히 증가했음을 알 수 있었다.
- Table 3에 변형된 금속 마스크의 미세 구멍의 크기 변화에 대한 예측 결과를 정량적으로 비교하였다. X방향 변형률은 위치에 따라 0.033~0.073%의 분포를 보였으며, 중심에 가장 근접한 위치 2의 미세 구멍에서 가장 높게 나타났고, 중심과의 거리가 증가함에 따라 감소함을 알 수 있었다. 반면 Y방향의 변형률은 0.
- 09% 이내로 나타났다. X방향 중심이동 변형률의 경우 전반적으로 0.02~0.03% 이내의 값을 보인 반면 Y방향 변형률의 경우 0.03% 이상으로 나타났으며, 특이 중심과 인접한 2번 지점에 서 0.08% 이상으로 높게 나타났다. 상기 결과는 Table 3에 제시된 미세구멍의 변형률 결과와 다소 다른 경향을 나타냄을 알 수 있다.
- 이러한 형상 보정 방법으로 인해 금속 마스크의 각 방향별 변형률의 편차가 가장 작게 나타나는 슬롯 패턴이 형상 보정을 위한 마스크 설계에 가장 적합하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서 해석을 수행한 모델 중 변형률과 중심위치 이동률에서 각 방향별로 편차가 가장 작게 나타난 모델 5의 슬롯 패턴이 설계 보정을 고려하였을 때 가장 적합한 변형방지용 슬롯 설계라고 판단하였다. 또한, 미세 구멍의 중심위치 이동량이 최대 5.
- 7MPa로 확인되어 슬롯 증가에 따른 응력 증가 효과가 완화됨을 확인할 수 있었다. 또한 모든 슬롯 설계 조건에 대해 금속 마스크에 발생하는 등가 응력은 SUS305의 항복 응력의 10.1%~28.0%에 불과하여 모든 슬롯 설계 모델에서 탄성변형이 발생함을 확인할 수 있었다.
- 2% 감소함을 확인하였다. 또한 미세 구멍의 중심위치 이동량이 미세 구멍의 최대 변형량 대비 7배 이상의 크기임을 확인함으로써 금속 마스크의 변형에 의한 설계 보정은 미세 구멍의 변형보다 중심 위치를 중점적으로 고려하는 것이 중요하다고 판단하였다.
- 위치별로 비교하면 위치 2의 미세 구멍에서 가장 낮게 나타났고 거리가 증가할수록 Y방향 변형률이 증가하여 X방향 변형률과 반대 경향이 발생함을 확인하였다. 또한, 가장 근접한 위치 2에서 두 방향의 변형률의 비율이 1.431로 확인되어 유일하게 Y방향 대비 X방향의 변형률이 높게 발생함을 확인하였다.
- 10에 그래프로 비교하였다. 모든 모델에서 미세구멍의 변형은 1㎛ 이내로 발생하였으며, Fig. 10(a)로 부터 슬롯의 수가 점차 증가하는 모델 1, 2, 3, 4의 결과 순으로 미세 구멍에 대한 각 방향의 변형률이 감소함을 확인하였다. 어떠한 슬롯도 성형되지 않은 모델 1 대비 가장 많은 슬롯이 추가된 모델 4에서 최대 31.
- 이는 슬롯이 증가됨에 따라 해당 위치에서 응력집중 효과가 발생하기 때문으로 판단된다. 반면 미세 구멍이 존재하는 영역에서의 최대응력은 130.9~245.7MPa로 확인되어 슬롯 증가에 따른 응력 증가 효과가 완화됨을 확인할 수 있었다. 또한 모든 슬롯 설계 조건에 대해 금속 마스크에 발생하는 등가 응력은 SUS305의 항복 응력의 10.
- 또한, 변형방지용 슬롯 패턴의 대칭적 분포에 대한 영향을 확인하기 위해 모델 5, 모델 6의 변형 결과를 확인하였다. 상대적으로 길이가 긴 장축방향(Y)에 슬롯이 추가로 형성되어있는 모델 5에서 Y방향 변형률이 X방향 변형률 대비 1.46배로 양방향의 변형률 편차가 가장 작은 반면, 단축방향(X)에 슬롯이 추가된 모델 6에서는 양방향의 변형률비가 7.02배로 확인되어 변형률 편차가 오히려 증가함을 확인하였다.
- 마스크에 인가되는 응력 및 변형은 슬롯과 미세구멍이 형성되어 있는 영역에서 지배적으로 발생하기 때문에 패턴이 존재하는 85×115mm²의 부영역을 중점적으로 검토하였다. 슬롯의 세로방향 모서리(A부)에서 응력 집중이 확인되었으며, 최대 등가응력은 392.3MPa로 예측되었다. 이는 금속 마스크 재료 SUS305의 항복강도 1301MPa의 30.
- 10(b)에서도 동일하게 확인되었다. 슬롯의 수가 점차 증가하는 모델 1, 2, 3, 4 순으로 양방향의 중심이동률이 모두 감소하였으며, 모델 1 대비 모델 4의 중심위치 이동률이 19.8% 감소함을 확인하여 변형방지용 슬롯이 미세 구멍의 중심위치 이동에도 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 또한, 미세구멍의 변형률과 마찬가지로 장축방향(Y)에 슬롯이 추가된 모델 5에서 Y방향과 X방향의 중심위치 이동률 비는 0.
- 9 에 다양한 슬롯형상의 모델에 따른 등가응력 분포 결과를 도시하였다. 슬롯이 존재하지 않는 모델 1은 미세 구멍에서 최대응력이 발생함을 확인하였고, 그 외의 모델에서는 주변 부의 슬롯에서 최대응력이 발생함을 알 수 있었다. 6가지 모델 에서 발생한 최대 응력은 130.
- 10(a)로 부터 슬롯의 수가 점차 증가하는 모델 1, 2, 3, 4의 결과 순으로 미세 구멍에 대한 각 방향의 변형률이 감소함을 확인하였다. 어떠한 슬롯도 성형되지 않은 모델 1 대비 가장 많은 슬롯이 추가된 모델 4에서 최대 31.2%의 변형률 감소가 확인되어 슬롯이 변형 방지에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한, 변형방지용 슬롯 패턴의 대칭적 분포에 대한 영향을 확인하기 위해 모델 5, 모델 6의 변형 결과를 확인하였다.
- 105%로 상대적으로 높게 나타났다. 위치별로 비교하면 위치 2의 미세 구멍에서 가장 낮게 나타났고 거리가 증가할수록 Y방향 변형률이 증가하여 X방향 변형률과 반대 경향이 발생함을 확인하였다. 또한, 가장 근접한 위치 2에서 두 방향의 변형률의 비율이 1.
- 3MPa로 예측되었다. 이는 금속 마스크 재료 SUS305의 항복강도 1301MPa의 30.2% 에 불과하며, 이에 따라 금속 마스크 변형이 탄성영역에서 발생함을 확인하였고 미세 구멍의 변형으로 인한 금속 마스크의 설계 보정이 탄성 구조해석을 통해 수행될 수 있음을 판단하였다.
- 인장시험은 압연방향의 0°, 45°, 90°의 각도를 종방향으로 갖는 3종류의 시편을 제작하여 진행되었으며, 각 방향별 시편에 대해 7개의 유효데이터를 획득하였다. 획득한 데이터의 유효성을 분석하기 위하여 군내 편차와 군간 편차를 계산한 결과, 항복응력(Sy)과 탄성계수(E)의 군간편차는 각각 평균대비 2.95%, 5.89%로 계산되었으며, 최대 군내편차 대비 Sy는 2.59배, E는 2.24배로 확인되어 획득한 이방성 물성이 유효하다고 판단하였다. Table 2에 마이크로 인장시험 데이터의 방향별 평균값과 표준편차를 요약하였다.
후속연구
- 상기 결과를 반영하여 5번 모델의 금속마스크에 중심이동 변형률을 보정한 치수(5.78%만큼 축소)로 제작하면 스크린 프린 팅 공정에서의 미세범프의 위치정밀도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
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