[논문]롤투롤 와인딩 시스템에서 테이퍼 장력과 감김롤 응력분포에 관한 연구

이창우

doi:10.7736/kspe.2014.31.2.125

문제 정의

본 연구에서는 와인딩 공정에서의 테이퍼 장력 형태와 감김롤 내부의 응력분포간 상관관계를 분석하고, 기존 테이퍼 장력 형태 적용시 발생하는 한계점을 분석 및 검증하였다. 기존 테이퍼 장력의 한계점을 극복하기 위한 새로운 테이퍼 장력 형태를 개발하여, 과도한 응력발생으로 인한 결함을 최소화하였으며, 실험적 검증을 통하여 제안된 테이퍼 장력 형태의 우수성을 확인하였다.
본 연구에서는 와인딩공정에서 테이퍼장력과 반경방향 응력간의 상관관계를 해석하였고, 기존 테이퍼 형태의 한계점 검증 및 이를 극복하기 위한 새로운 파라볼릭 테이퍼 형태를 개발하였다. 최근 다품종 소량방식의 시장 요구 증대로 인하여 감김롤의 최대 와인딩 비율은 상대적으로 감소하고 있다.

가설 설정

^1,4,5-8 또한, 인자 B는 식(7)에 의해 결정되는 상수값이다. 본 모델은 와인딩의 초기 상태부터 만권 시까지 연속적인 관계를 가정하고 있다. 즉, 감김롤의 각 층(layer)을 개별적으로 가정하지 않고, 코어와 소재 사이의 연속적인 관계로 정의한 것이다.

제안 방법

감김롤 내부에서 발생하는 응력분포해석을 위하여, 비선형 유한요소법(nonlinear FEM)이나 연신율 기반 모델(strain based formula) 또는 선형 탄성 모델(second order differential Eqn for the linear elastic material) 등이 연구되었지만, 기능성필름이 아닌 일반적인 PET 나 종이에 대해 적용되었으며, 전통적인 테이퍼 장력에 대한 영향만을 분석하였다.^2-5
이는 내층으로 갈수록 증가된 반경방향 응력으로 인하여 소재 표면에 존재하는 점착성능이 저하되기 때문이다. 그러므로, 개발된 파라볼릭 형태를 적용하여 반경방향 응력 최소화 및 최적화하였다. 실험 시 적용된 조건은 Table 1과 같다.
기존 하이퍼볼릭 형태(Fig. 9)와 개발된 파라볼릭 형태(Fig. 10)을 와인딩 시스템에 적용하여 성능 검증을 수행하였다. 또한, 압력측정센서(FSR: force sensing resistor) 센서를 일정 와인딩 길이 별로 삽입하여 감김롤 내부 반경방향 응력을 측정하였다(Fig.
10)을 와인딩 시스템에 적용하여 성능 검증을 수행하였다. 또한, 압력측정센서(FSR: force sensing resistor) 센서를 일정 와인딩 길이 별로 삽입하여 감김롤 내부 반경방향 응력을 측정하였다(Fig. 11). 롤 교체 공정(splicing process)으로 인하여 와인딩 초기 비교적 큰 장력 외란이 발생하지만, 기존 하이퍼볼릭 형태는 기준 테이퍼값의 절반수준인 8%에 수렴하며, 파라볼릭 형태는 설정된 값(16%)으로 정확히 수렴하는 것을 알 수 있다.
먼저, 장력을 일정한 기울기로 감소시키는 선형 테이퍼 형태(linear taper tension profile)와 와인딩 동경 증가에 따라 장력의 감소율을 변화시키는 하이퍼볼릭 테이퍼 형태(hyperbolic taper tension profile)이다. 최대 와인딩동경을 고려하여 테이퍼 형태를 설정하며 각 테이퍼 형태에 대해 적절한 테이퍼량(taper value)을 선정한다.

대상 데이터

실험에 적용된 소재는 유리기판(LCD panel 용)의 표면보호를 위해 부착되고, 후공정을 위해 다시 제거되는 점착성 필름이다. 본 필름의 특징은 일정한 점착력을 유지하여 쉽게 기판에 부착됨과 동시에 일정한 힘으로 쉽게 제거되어야 한다.

성능/효과

이러한 문제점을 극복하기 위한 파라볼릭 테이퍼 형태는 식(10)과 같다. Fig. 7에서, 하이퍼볼릭 형태는 와인딩 종료 시 설정된 테이퍼 량(24%)의 절반 수준인 약 15%로 수렴하지만, 개발된 파라볼릭 형태는 설정된 값으로 정확하게 수렴하는 동시에 반경방향 응력이 감소됨을 확인할 수 있다.
Fig. 8에서, 파라볼릭 형태 적용 시에 감김롤 내부(1<r<2.2) 영역에서 반경방향 응력이 감소하였으며, 또한, 최대 반경방향 응력도 약 10% 이상 감소하는 것을 볼 수 있으며, 결과적으로 반경방향 응력감소로 인하여 소재 표면에 존재하는 점착특성이 향상될 것으로 예측할 수 있다.
이로 인하여, 설정된 테이퍼값으로 수렴이 어려운 하이퍼볼릭 형태의 한계점이 발생하였다. 개발된 파라볼릭 형태는 최대 와인딩비율이 작은 경우에도 효과적으로 설정된 테이퍼값으로 수렴하여 최대 와인딩 비가 작은 경우에도 적합함을 확인하였다.
그러나, 하이퍼볼릭 장력 형태는 식(2) 에서 표현된 바와 같이 감김롤의 와인딩 반경 증가비(R)에 따라 장력을 감소시키는 형태를 가지고 있다. 결과적으로, 최대 와인딩 반경값에 따라서 설정된 테이퍼 량으로의 수렴여부가 달라지는 것을 확인할 수 있다(Fig. 5). 최대 와인딩 반경 비율이 큰 경우(R>10), 설정된 테이퍼 량(24%)만큼 감소하여 초기장력인 100 N에서 76 N 으로 수렴하지만, 최대 와인딩 반경 비율이 작은 경우 (R<10)에는 설정된 테이퍼 량(24%)보다 작은 값으로 수렴한다(Fig.
본 연구에서는 와인딩 공정에서의 테이퍼 장력 형태와 감김롤 내부의 응력분포간 상관관계를 분석하고, 기존 테이퍼 장력 형태 적용시 발생하는 한계점을 분석 및 검증하였다. 기존 테이퍼 장력의 한계점을 극복하기 위한 새로운 테이퍼 장력 형태를 개발하여, 과도한 응력발생으로 인한 결함을 최소화하였으며, 실험적 검증을 통하여 제안된 테이퍼 장력 형태의 우수성을 확인하였다.
또한, 와인딩 공정에 적용하여 반경방향 응력의 감소를 통한 점착력 향상에 매우 효과적임을 실험적으로 확인하여 그 성능을 검증하였다.
또한, 테이프 점착력 테스트(TA method)를 통하여, 감김롤 내부 소재의 점착력이 증가됨과 동시에 기준점착력(115)을 만족하는 범위가 기존 대비 80% 이상 증대된 것을 확인 하였다(Fig. 13).
롤 교체 공정(splicing process)으로 인하여 와인딩 초기 비교적 큰 장력 외란이 발생하지만, 기존 하이퍼볼릭 형태는 기준 테이퍼값의 절반수준인 8%에 수렴하며, 파라볼릭 형태는 설정된 값(16%)으로 정확히 수렴하는 것을 알 수 있다.
12와 같다. 시뮬레이션에서 예측한 바와 같이, 파라볼릭 형태 적용 시 감김롤 내층 영역 전반에 걸쳐 반경방향 응력이 감소함과 동시에 최대 반경방향 응력은 기존 하이퍼볼릭 형태 대비 약 20% 감소한 것을 확인할 수 있다. 또한, 테이프 점착력 테스트(TA method)를 통하여, 감김롤 내부 소재의 점착력이 증가됨과 동시에 기준점착력(115)을 만족하는 범위가 기존 대비 80% 이상 증대된 것을 확인 하였다(Fig.
설정된 테이퍼값으로의 수렴여부가 결과적으로 감김롤 내부 반경반향 응력을 증가 또는 감소시키는 원인이 된다. 테이퍼값을 증가시킬수록 반경방향 응력이 감소하여 소재의 점착특성을 향상시킬 수 있지만, 감김롤 자체의 경도가 감소하여 그 형태를 유지하기 어려운 문제가 발생하여, 최대값을 기준 운정 장력의 16%로 설정하였다.
하이퍼볼릭 테이퍼 형태를 통하여, 감김롤 반경방향 응력을 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 와인딩 초기 장력의 감소량을 증가시키고, 후반부에는 저장력을 유지하여 감김롤 내부 응력을 최소화하는 것이다.
하이퍼볼릭 형태를 통하여 과도한 감김롤 내부 응력을 감소시킬 수 있지만, 최대 와인딩 반경 비가 작을 경우(R<5)에는 오히려 내부 응력이 증가함을 확인하였다.

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