[논문]디스플레이 유리의 눈부심 방지 표면처리를 위한 샌드 블래스팅 공정의 모형화

민철홍; 김태선

doi:10.5695/jkise.2018.51.5.303

Abstract ▼ AI-Helper

Currently hydrofluoric acid (HF) based glass etch method is widely used for anti-glare (AG) surface treatment since it can effectively alleviate the specular reflection problem with relatively low processing cost. However, due to the environmental regulation and safety problem, it is essential to de...

Currently hydrofluoric acid (HF) based glass etch method is widely used for anti-glare (AG) surface treatment since it can effectively alleviate the specular reflection problem with relatively low processing cost. However, due to the environmental regulation and safety problem, it is essential to develop alternative technology to replace this method. For this, in this paper, we propose sand blasting based AG surface treatment method for display glass. To characterize the sand blasting process, surface roughness, haze, surface durability, and flatness are considered as process outputs and central composite design (CCD) method and response surface model (RSM) method are applied to model each process output. Models for surface roughness and haze showed 96.44% and 97.24% of R-squared values, respectively and they can be applied to optimize AG surface treatment process for various haze level requirements of display industries.

Keyword

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 A simple expression of sand blaster for AG surface treatment.
표 Table 1. Range of input parameters for sand blasting.
표 Table 2. Response parameters for characterization of AG surface treatment.
그림 Fig. 2 Effects of height and speed on surface roughness.
표 Table 3. Estimated regression coefficients for roughness (R_a).
그림 Fig. 3 Residual plot for haze.
그림 Fig. 4 Main effect plot for haze.
그림 Fig. 5 Interaction plot for haze.
그림 Fig. 6 Main effect plot for surface durability.
그림 Fig. 7 Interaction plot for durability.

AI 본문요약
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문제 정의

통상적으로 이 방법은 유리의 표면을 거칠게 하여 이중유리 구조를 만들기 위한 방법이나 심미적 목적으로 유리면에 패턴을 형성하기 위한 방법으로 많이 사용되고 있는 방식이지만 [7-8] 이를 AG 표면처리 용도로 사용하여 공정인자와의 관계를 밝힌 연구결과는 확인되지 않는다. 본 논문에서는 샌드 블래스팅 공법을 AG 표면처리의 용도로 사용하기 위하여 샌드 블래스팅 공법의 공정변수들과 디스플레이용 AG의 특성간의 관계를 실험계획법을 통하여 통계적으로 분석하고 향후 다양한 AG 표면처리 특성에 대응할 수 있는 공정최적화를 위한 인자분석을 하였다. 표면처리결과의 성능분석을 위해 노즐의 압력, 노즐의 높이 및 이송속도가 공정변수로 고려되었고 표면의 거칠기(roughness), 헤이즈(haze), 면압강도(surface durability) 및 평탄도(flatness)의 네 가지를 공정의 특성평가지표로 설정하여 샌드 블래스팅공정 입력에 따른 특성을 분석했다.

제안 방법

본 논문에서는 디스플레이 장치의 눈부심방지 표면처리를 위한 새로운 방식으로 샌드 블래스팅 공법을 적용하기 위한 공정을 모형화 하였다. AG 표면처리된 유리기판의 특성을 평가하기 위해 노즐의 압력, 노즐의 높이 및 이송속도 세 가지 공정변수를 설정하고 중심합성설계법을 이용하여 표면처리된 유리의 표면 거칠기, 헤이즈, 면압강도 및 평탄도를 분석하였다. 분석결과 표면거칠기에 영향이 큰 인자는 압력과 노즐의 높이였으며 이송속도와 노즐의 높이는 교호효과를 보였으나 그 강도는 상대적으로 크지 않았다.

대상 데이터

AG 처리를 위한 유리기판은 양산에 사용되는 휴대폰의 디스플레이용 유리가 사용되었다. 샌드 블래스팅공정의 입력변수로는 표 1에 나타난 바와 같이 샌딩 노즐의 압력(Pressure)과 높이(Height) 그리고 유리 기판의 이송속도(Speed)의 세 가지가 설정되었다.

이론/모형

효과적인 통계분석을 위하여 실험계획법(design of experiment, DOE)에 기반한 실험을 진행하였다[9]. 사용된 실험계획법은 중심합성설계법(central composite design, CCD)으로 3개의 입력인자에 대해 2 block을 통해 총 20번의 실험으로 구성된다.

성능/효과

AG 표면처리된 유리기판의 특성을 평가하기 위해 노즐의 압력, 노즐의 높이 및 이송속도 세 가지 공정변수를 설정하고 중심합성설계법을 이용하여 표면처리된 유리의 표면 거칠기, 헤이즈, 면압강도 및 평탄도를 분석하였다. 분석결과 표면거칠기에 영향이 큰 인자는 압력과 노즐의 높이였으며 이송속도와 노즐의 높이는 교호효과를 보였으나 그 강도는 상대적으로 크지 않았다. 헤이즈 값에는 압력, 높이 및 속도 모두 영향이 있는 것으로 나타났으나 교호효과는 나타나지 않았다.
분석결과 표면거칠기에 영향이 큰 인자는 압력과 노즐의 높이였으며 이송속도와 노즐의 높이는 교호효과를 보였으나 그 강도는 상대적으로 크지 않았다. 헤이즈 값에는 압력, 높이 및 속도 모두 영향이 있는 것으로 나타났으나 교호효과는 나타나지 않았다. 면압강도의 경우 유의한 수준의 변동인자는 확인되지 않았고 주 효과분석 및 교호효과 분석결과 역시 유의한 경향을 찾을 수는 없었다.
헤이즈 값에는 압력, 높이 및 속도 모두 영향이 있는 것으로 나타났으나 교호효과는 나타나지 않았다. 면압강도의 경우 유의한 수준의 변동인자는 확인되지 않았고 주 효과분석 및 교호효과 분석결과 역시 유의한 경향을 찾을 수는 없었다. 마지막으로 평탄도의 경우 노즐의 높이인지가 유의한 것으로 파악되었으나, 평탄도의 절대 수치 및 그 차이가 크지 않아 측정장비의 오차수준을 고려할 때 샌드 블래스팅 표면처리는 기판의 휘어짐과 상관도가 낮아 평탄도에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
면압강도의 경우 유의한 수준의 변동인자는 확인되지 않았고 주 효과분석 및 교호효과 분석결과 역시 유의한 경향을 찾을 수는 없었다. 마지막으로 평탄도의 경우 노즐의 높이인지가 유의한 것으로 파악되었으나, 평탄도의 절대 수치 및 그 차이가 크지 않아 측정장비의 오차수준을 고려할 때 샌드 블래스팅 표면처리는 기판의 휘어짐과 상관도가 낮아 평탄도에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 이러한 분석 결과 및 모형은 추후 사용목적에 따라 다양한 헤이즈 값을 갖는 디스플레이기판의 공정 최적화에 사용 가능할 것으로 본다.

후속연구

마지막으로 평탄도의 경우 노즐의 높이인지가 유의한 것으로 파악되었으나, 평탄도의 절대 수치 및 그 차이가 크지 않아 측정장비의 오차수준을 고려할 때 샌드 블래스팅 표면처리는 기판의 휘어짐과 상관도가 낮아 평탄도에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 이러한 분석 결과 및 모형은 추후 사용목적에 따라 다양한 헤이즈 값을 갖는 디스플레이기판의 공정 최적화에 사용 가능할 것으로 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AG 표면처리의 장단점은 무엇인가	통상적으로 AR 표면처리를 위해서는 여러 층의 절연막을 유리기판 위에 적층하는 과정이 필요하며 이로 인해 필름의 내구성이나 투과도 등의 문제로 가독성을 떨어뜨릴 수 있고 제조단가가 높다는 단점이 있다 [4]. AG 표면처리는 표면을 거칠게 하기 위한 산란층이 디스플레이의 선명도를 떨어뜨리는 문제를 가지고 있으나 [5] 유리표면의 직접 식각을 통해 상대적으로 낮은 제조단가로 경면반사(specular reflection) 문제를 완화할 수 있어 양산에 많이 쓰이고 있다 [6]. 통상 양산과정에서는 AG 표면처리를 위하여 불산계(HF) 식각용액을 이용하여 유리기판을 직접 처리하는 방식을 사용하고 있다.
	AR 표면처리의 단점은 무엇인가	이러한 빛반사 문제의 해결방법으로는 유리기판에 굴절률이 다른 필름층을 입혀 반사광을 무효화하는 반사방지(antireflective, AR) 표면처리기술과 반사면을 거칠게 처리하거나 [2] 작은 입자들을 표면에 코팅하여 빛의 산란을 이용하는 눈부심방지(anti-glare, AG) 표면처리기술이 대표적이다 [3]. 통상적으로 AR 표면처리를 위해서는 여러 층의 절연막을 유리기판 위에 적층하는 과정이 필요하며 이로 인해 필름의 내구성이나 투과도 등의 문제로 가독성을 떨어뜨릴 수 있고 제조단가가 높다는 단점이 있다 [4]. AG 표면처리는 표면을 거칠게 하기 위한 산란층이 디스플레이의 선명도를 떨어뜨리는 문제를 가지고 있으나 [5] 유리표면의 직접 식각을 통해 상대적으로 낮은 제조단가로 경면반사(specular reflection) 문제를 완화할 수 있어 양산에 많이 쓰이고 있다 [6].
	디스플레이장치의 빛 반사 문제를 해결하는 방법은 무엇이 있는가	이러한 평가지표는 기본적으로 디스플레이 소자의 특성과 1차적인 관련을 갖고 있으나 조명이나 밝은 야외에서의 시인성 혹은 가독성은 디스플레이장치의 표면에 사용되는 유리의 빛 반사 현상과도 큰 관련을 갖는다 [1]. 이러한 빛반사 문제의 해결방법으로는 유리기판에 굴절률이 다른 필름층을 입혀 반사광을 무효화하는 반사방지(antireflective, AR) 표면처리기술과 반사면을 거칠게 처리하거나 [2] 작은 입자들을 표면에 코팅하여 빛의 산란을 이용하는 눈부심방지(anti-glare, AG) 표면처리기술이 대표적이다 [3]. 통상적으로 AR 표면처리를 위해서는 여러 층의 절연막을 유리기판 위에 적층하는 과정이 필요하며 이로 인해 필름의 내구성이나 투과도 등의 문제로 가독성을 떨어뜨릴 수 있고 제조단가가 높다는 단점이 있다 [4].

참고문헌 (11)

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D. Tulli, S. D. Hart, P. Mazumder, A. Carrilero, L. Tian, K. W. Koch, Monolithically integrated micro- and nanostructured glass surface with antiglare, antireflection, and superhydrophobic Properties, appl. mater. interfaces 6 (2014) 11198-11203.

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H. Laouamri, S. Giljean, G. Arnold, M. Kolli, N. Bouaouadja, M. Tuilier, Roughness influence on the optical properties and scratch behavior of acrylic coating deposited on sandblasted glass, Prog. Org. Coat. 101 (2016) 400-406

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E. Kang, J. Kim, H. Jang, D. Park, Machinability evaluation of sapphire glass using powder blasting, J. Korean Soc. Manuf. Technol. Eng. 24 (2015) 224-230
C. Min, D. Shin, K. Park, T. Kim, T. Park and T. Kim, Process analysis for surface treatment of glass anti-glare using sand blast process, Proc. IEEK summer Conf. (2018) 1435-1437.
D. Whitehouse, Surfaces and their Measurement. 1st Ed. Boston Butterworth-Heinemann, Boston (2012) 16-24.
D. Montgomery, Design and analysis of experiments, 4th Ed. Jonh Wiley & Sons, New York (1996) 575-606.

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