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문제 정의
- 나노 사이즈의 입자를 가진 전도성 잉크의 물성 변화를 주어 그라비어 전극을 인쇄하고 물성 변화에 따른 인쇄성을 비교하기 위한 실험을 진행하였다.
제안 방법
- 공초점 현미경(Confocal micro scope)를 이용하여 인쇄된 전극의 패턴을 측정하였다. 각 잉크 물성에 따라 인쇄 실험을 한 인쇄된 패턴의 선폭 및 높이를 측정하여 비교하였다. Fig.
- 공초점 현미경(Confocal micro scope)를 이용하여 인쇄된 전극의 패턴을 측정하였다. 각 잉크 물성에 따라 인쇄 실험을 한 인쇄된 패턴의 선폭 및 높이를 측정하여 비교하였다.
- 1s-1에서 100 s-1까지 변화 시키면서 Ink A, Ink B, Ink C, Ink D에 대하여 점도를 측정하였다. 또한 진동 전단 변형에 따른 측정에서 전단응력을 변화시켜가면서 저장탄성률과 손실탄성률을 측정하였다. 전단응력 변화에 따른 측정 결과에서 선형 점탄성 특성을 보이는 응력 범위 내(τ = 2 Pa)에서 Ink A~D 까지 주파수 변화에 따른 저장탄성률과 손실탄성률을 측정하였다.
- 본 논문에서는 나노 사이즈 입자를 가진 전도성 잉크의 물성을 다르게 제조하여 인쇄속도를 변화시켜 인쇄한 후 인쇄 결과를 패턴의 선폭과 종횡비(Aspect ratio) 관점에서 비교하여 전도성 잉크의 유변학적 특성과 그라비어 인쇄 속도변화가 패턴의 형성에 미치는 영향을 실험적 방법을 통하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 용제 함량을 달리한 전도성 잉크의 유변학적 특성을 평가하고, 이를 그라비어방식으로 인쇄한 전극 패턴을 인쇄성 관점에서 비교하였다. 특히, 인쇄성을 판단하기 위해서는 단순히 선폭 비교가 아닌, 높이를 같이 고려한 종횡비를 고려해야 전이된 잉크의 양, 즉 인쇄성을 올바르게 평가할 수 있다.
- 5의 롤투롤 그라비어 인쇄장비를 이용하여 전극을 인쇄하였다. 인쇄속도는 0.6m/min, 1.8m/min, 3m/min, 6m/min으로 변화를 주었으며, 압력 10kgf, 건조온도 110℃ 공정 조건으로 인쇄 실험을 진행하였다. 피인쇄체로는 SKC의 폭 300mm 두께 100μm인 코로나 전처리가 된 PET 필름을 사용하였다.
- 용제의 비율이 높아지면 점도가 낮아지게 된다. 잉크의 점도 변화에 따른 인쇄성을 비교하기 위하여 용제의 함량을 증가시켜 가면서 물성을 변화시켰다. Ink A는 초기 용제 비율인 18%, Ink B는 19%, Ink C는 21%, Ink B 는 23%로 용제를 증가하여 물성을 변화시켰다.
- 측정 센서는 plate-plate(35mm)를 사용하였고 온도는 20℃에서 측정 하였다. 전단속도 0.1s-1에서 100 s-1까지 변화 시키면서 Ink A, Ink B, Ink C, Ink D에 대하여 점도를 측정하였다. 또한 진동 전단 변형에 따른 측정에서 전단응력을 변화시켜가면서 저장탄성률과 손실탄성률을 측정하였다.
- 전단응력 변화에 따른 측정 결과에서 선형 점탄성 특성을 보이는 응력 범위 내(τ = 2 Pa)에서 Ink A~D 까지 주파수 변화에 따른 저장탄성률과 손실탄성률을 측정하였다.
- 6은 인쇄된 패턴의 공초점 현미경 측정 결과를 보여준다. 전도성 잉크가 PET필름에 인쇄 된 후에 잉크의 물성에 따라 패턴 형성의 변화에 대해 비교하였다.
대상 데이터
- 피인쇄체로는 SKC의 폭 300mm 두께 100μm인 코로나 전처리가 된 PET 필름을 사용하였다.
이론/모형
- 전도성 잉크의 유변 물성은 HAAKE MARS(Modular Advanced Rheometer system)를 이용하여 측정하였다. 측정 센서는 plate-plate(35mm)를 사용하였고 온도는 20℃에서 측정 하였다.
성능/효과
- 이는 전이된 잉크의 양이 감소하는것, 즉, 인쇄성이 저하됨을 의미한다. 결과적으로 용제의 함량이 증가할수록 점도가 낮아지고 낮은 전단응력 범위에서 손실탄성률이 저장탄성률보다 높아지면 잉크의 흐름을 쉽게 발생시켜 인쇄 패턴의 폭에 영향을 주게 됨을 알 수 있다. 점도가 낮아질수록 전극 패턴에 채워지는 양은 많아지지만 잉크가 피인쇄체로 전이될 때 유동이 커져서 미세패턴을 인쇄하기가 어렵다.
- 점도가 낮아질수록 전극 패턴에 채워지는 양은 많아지지만 잉크가 피인쇄체로 전이될 때 유동이 커져서 미세패턴을 인쇄하기가 어렵다. 또한, 인쇄 속도가 증가함에 따라 잉크 전이율이 낮아지고, 결과적으로 인쇄성이 좋지 않아 선폭과 높이가 감소함을 알 수 있다. 특히, 선폭 관점에서만 보았을 때는 높은 인쇄속도에서 선폭이 작게 나타나 미세 패턴에 유리할 것으로 보여질 수 있으나, 종횡비는 변함이 없어 높이가 같이 감소하는, 즉, 전이성 또한 같이 감소하는 것을 알 수 있다.
- 특히, 인쇄성을 판단하기 위해서는 단순히 선폭 비교가 아닌, 높이를 같이 고려한 종횡비를 고려해야 전이된 잉크의 양, 즉 인쇄성을 올바르게 평가할 수 있다. 실험 결과 인쇄성을 향상시키기 위해서는 일반적인 그라비어 잉크의 점도 보다는 상대적으로 높은 점도의 잉크가 유리하고 인쇄속도 측면에서는 인쇄성에 크게 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.
- 4는 선형점탄성 영역 내에서의 주파수 변화에 따른 저장탄성률과 손실탄성률의 변화를 측정한 결과이다. 용제의 함량이 증가할수록 저장탄성률과 손실탄성률의 크기가 감소하였고 저장탄성률과 손실탄성률의 교차점에서의 전단응력의 크기가 용제가 증가할수록 감소하는 것을 확인하였다. 교차점의 전단응력이 감소한다는 것은 상대적으로 작은 전단응력이 가해졌을 때 잉크가 흐름을 발생시키기 쉽다는 것을 의미한다.
- 점도가 점점 낮아질수록 선폭은 증가하고, 인쇄속도가 빨라 질수록 선폭은 감소하는 것을 알 수 있다. 잉크 전이량을 분석하기 위하여 전극 패턴의 선폭과 높이를 측정한 결과 Fig. 8에서 보여지듯이 점도가 낮아질수록 전극 패턴의 종횡비는 낮아지지만, 동일한 잉크의 경우 인쇄속도는 종횡비에 거의 영향을 주지 않음을 알 수 있다. 종횡비는 높이와 선폭의 비율로 정의되는데, 종횡비가 일정한 것은 전이된 패턴의 단면 형상이 일정하다고 볼 수 있으며, Fig.
- 3에 나타내었다. 잉크의 점도는 용제의 함량이 증가할수록 감소하는 경향을 보였고 네 종류의 잉크 모두 전단 속도가 증가할수록 점도가 감소하는 전단 담화(shear thinning)의 특성을 보였다. 전단 속도 100s-1에서 Ink A는 3200cps, Ink B는 2800cps, Ink C는 2200cps, Ink D는 1700cps을 나타내었다.
- 전도성 잉크의 인쇄 시 패턴의 형상에 영향을 미치는 대표적인 유변 물성은 진동전단 유동 시험에서 측정할 수 있는 저장탄성률 (G')과 손실탄성률 (G")이 있다. 저장탄성률이 손실탄성률 보다 크면 상대적으로 점성보다는 탄성이 크다는 것을 의미하고, 반대로 손실탄성률이 저장탄성률보다 크면 탄성보다는 점성이 크다는 것을 의미한다. 3 일반적인 측정 결과를 살펴보면 두 그래프의 교차점 (cross-over point)을 기준으로 탄성이 큰 영역과 점성이 큰 영역으로 나누어 진다.
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