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문제 정의
- 즉, 모든 전선이 전류 흐름에 저항을 갖듯이 마이크로 팁도 폭이 감소하거나 길이가 증가하면 유체 흐름에 대한 저항이 증가한다. 본 연구에서는 유체 유동 전산모사(Computational fluid dynamics (CFD), [7])를 통해 마이크로 팁 길이에 따른 유체유동 변화를 분석하였으며 실제 롤투롤 슬롯 다이 코팅실험을 통해 마이크로 팁 길이에 따른 코팅 및 박막 특성변화를 자세히 조사하였다.
제안 방법
- 실제 3D 구조를 전산모사하기 위해서는 많은 계산량과 시간이 요구된다. 계산량을 줄이기 위해 3D 구조 대신 2D 구조를 고려하였으며 대칭 구조를 갖기 때문에 전체 영역 중 반만 계산하였다. 용액이 토출되는 inlet은 마이크로 팁 양끝 헤드립 영역(20µm)에 정의하였으며 velocity inlet (유속 0.
- 그리고 난 후 열 증착기를 이용하여 정공 수송층으로 40 nm N,N-Bis(3-methylphenyl)-N,N-diphenylbenzidine (TPD), 발광층으로 15 nm 4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl (CBP), 정공 차단층으로 10 nm 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (Bphen), 전자 수송층으로30 nm Tris(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3), 전자 주입층으로1 nm lithium fluoride (LiF), 음극 전극으로 100 nm aluminum (Al)을 순차적으로 제작하였다.
- 레이저 가공 장비 및 polyethylene terephthalate (PET) 필름을 이용하여 150 µm 폭의 microtip을 갖는 메니스커스 가이드를 제작하였다.
- 마이크로 팁을 갖는 슬롯 다이 헤드를 이용하여 미세 PEDOT:PSS 스트라이프를 제작하였으며 마이크로 팁 길이에 따른 코팅 및 박막 특성 변화를 자세히 연구하였다. 마이크로 팁 길이가 짧을 경우 메니스커스가 마이크로팁과 기판 사이가 아닌 헤드 립과 기판사이에서 형성되었다.
- 먼저 150 µm 폭의 마이크로 팁 길이를 500 µm에서 50 µm까지 줄이면서 코팅된 PEDOT:PSS 스트라이프 폭이 마이크로 팁 폭과 유사하도록 코팅 속도를 조절하였다.
- 먼저 전산모사를 통해 마이크로 팁 길이에 따른 유체유동 변화를 조사하였다. 전산모사는 용액이 기판에 닿기 직전까지 진행하였다.
- 슬롯 다이 헤드로의 용액 공급은 시린지 펌프(11 Elite I/W Single, Harvard Apparatus)를 이용하였으며 유량 0.8µl/min로 PEDOT:PSS 용액을 토출하였다.
- 3에서 보듯이 마이크로 팁의 길이가 길어질수록 용액이 헤드립을 따라 퍼지는 정도가 더 심해진다. 용액의 퍼짐 정도를 정량화하기 위하여 마이크로 팁으로부터 헤드 립을 타고 퍼져 나가는 거리(ds)를 측정하였다. 마이크로 팁이 300 µm, 200 µm, 100 µm 로 줄어들 때 ds 값은 1,208 µm, 898 µm, 541 µm로 각각 줄어들었다.
- 8µl/min로 PEDOT:PSS 용액을 토출하였다. 용액이 토출되어 마이크로 팁 부근에 형성되는 용액 분포는 area scan camera (acA1300-30gm, BASLER)를 사용하여 측정하였다.
- 또한 스트라이프 폭이 마이크로 팁 폭보다 좁은 이유는 코팅이 최대 속도 이상에서 진행되면 라인이 끊기지는 않은 상태에서 메니스커스가 마이크로 팁 안쪽에서 형성되기 때문이었다. 우리는 150 μm 폭과 250 μm 길이의 마이크로 팁을 이용하여 153 μm 폭과 94 nm 두께를 갖는 PEDOT:PSS 스트라이프를 제작하였으며 이러한 미세 스트라이프는 1.5 μm 높이의 단차가 있는 경우에도 라인 끊김없이 코팅될 수 있음을 OLED 발광 소자를 제작하여 입증하였다.
- 이 기판위에 150 µm 폭과 250 µm 길이의 마이크로 팁을 갖는 헤드를 이용하여 PEDOT: PSS 스트라이프를 13 mm/s 속도에서 코팅하였다.
- 하지만 미세 스트라이프 코팅에서 마이크로 팁 길이가 짧은 경우에는 반대의 결과가 나타났다. 이 원인을 알아보기 위하여 마이크로 팁 근처에서 형성되는 용액의 분포를 area scan camera로 측정하였다. Fig.
- 실제 환경에서 스트라이프 코팅은 투명전극(indium-tinoxide, ITO) 기판 위에서 수행되며 코팅되는 기판 표면에는 단차가 존재할 수 있다. 이러한 환경에서 마이크로 팁을갖는 슬롯 다이 헤드로 스트라이프 코팅이 안정적으로형성되는지 알아보기 위해 다음과 같이 인광 그린 OLED소자를 제작하였다. 먼저 active 영역이 2 mm×2 mm가 되도록 두께 1.
- 전산모사를 통해 예측된 결과를 실험을 통해 더 자세히 조사하였다. 먼저 150 µm 폭의 마이크로 팁 길이를 500 µm에서 50 µm까지 줄이면서 코팅된 PEDOT:PSS 스트라이프 폭이 마이크로 팁 폭과 유사하도록 코팅 속도를 조절하였다.
- 기판으로는 170 µm 폭을 갖는 PET film roll을 사용하였다. 코팅 용액인 PEDOT:PSS 원액에는 젖음성(wettability) 향상을 위하여 불소계 계면활성제를 0.2 wt% 첨가하였다. 슬롯 다이 헤드로의 용액 공급은 시린지 펌프(11 Elite I/W Single, Harvard Apparatus)를 이용하였으며 유량 0.
- 헤드 립과 마이크로 팁의 용액(PEDOT:PSS) 접촉각(contact angle)은 실제 측정된 16º로 하였다.
대상 데이터
- 기판으로는 170 µm 폭을 갖는 PET film roll을 사용하였다.
- 먼저 active 영역이 2 mm×2 mm가 되도록 두께 1.5 μm의 photoresistor(PR) 절연층이 형성된 ITO 기판을 사용하였다 (Fig.
- 설정된 용액 파라미터 값은 수계 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)(Clevios AI 4083) 물성값(표면장력 21.32 mN/m, 점도 6 mPa·s)을 사용하였다.
이론/모형
- 유체 유동 전산모사는 CFD software(ANSYS Fluent 19.1Ver.)을 사용하여 수행하였다. 이 툴은 volume of fluid (VOF, 유체체적) 방법을 사용하여 Navier–Stokes equations을 수치적으로 계산함으로써 용액의 움직임을 추적할 수 있다.
- 이 툴은 volume of fluid (VOF, 유체체적) 방법을 사용하여 Navier–Stokes equations을 수치적으로 계산함으로써 용액의 움직임을 추적할 수 있다.
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