[논문]Stripe 코팅용 슬롯 다이 헤드 모세관 유동 전산모사

유수호; 이진영; 박종운

Stripe 코팅용 슬롯 다이 헤드 모세관 유동 전산모사
Simulation of Capillary Flow Along a Slot-die Head for Stripe Coatings 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.1, 2019년, pp.92 - 96

유수호 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부) , 이진영 (한국기술교육대학교 창의융합공학협동과정) , 박종운 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부)

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In the presence of ${\mu}-tip$ embedded in a slot-die head for stripe coatings, there arises the capillary flow that limits an increase of the stripe density, which is required for the potential applications in organic light-emitting diode displays. With an attempt to suppress it, we have employed a computational fluid dynamics software and performed simulations by varying the ${\mu}-tip$ length and the contact angles of the head lip and ${\mu}-tip$. We have first demonstrated that such a capillary flow phenomenon (a spread of solution along the head lip) observed experimentally can be reproduced by the computational fluid dynamics software. Through simulations, we have found that stronger capillary flow is observed in the hydrophilic head lip with a smaller contact angle and it is suppressed effectively as the contact angle increases. When the contact angle of the head lip increases from $16^{\circ}$ to $130^{\circ}$, the distance a solution can reach decreases sharply from $256{\mu}m$ to $44{\mu}m$. With increasing contact angle of the ${\mu}-tip$, however, the solution flow along the ${\mu}-tip$ is disturbed and thus the capillary flow phenomenon becomes more severe. If the ${\mu}-tip$ is long, the capillary flow also appears strong due to an increase of flow resistance (electronic-hydraulic analogy). It can be suppressed by reducing the ${\mu}-tip$ length, but not as effectively as reducing the contact angle of the head lip.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 실험을 통해 stripe 코팅을 위한 µ-tip을 갖는 슬롯 다이 헤드에서 용액이 헤드 립을 따라 옆으로 퍼지는 모세관 유동 현상이 발생함을 확인하였고 유체유동 전산모사에 의해 이를 재현할 수 있음을 입증하였다. 이런 검증된 유체유동 알고리듬을 이용하여 모세관 유동 현상을 억제하여 stripe density를 높이기 위한 µ-tip 구조 및접촉각 최적화 연구를 수행하였다.
이번에는 µ-tip의 접촉각을 조절하여 모세관 유동 현상을 억제할 수 있는지 조사하였다.

가설 설정

실제 코팅용액은 용액 분산 챔버인 cavity로부터 shim에 형성된 slit channel을 타고 토출구로 나오지만 Fig. 2의 2D 전산모사에 서는 µ-tip 근처에 설정된 20µm 길이의 inlet에서 나오는 것으로 가정하였다.

제안 방법

계산량을 줄이기 위해 3D 구조대신 2D 구조를 고려하였으며 용액이 미치지 않는 영역은 제외하였다. 경계 조건으로 inlet(용액이 나오는 곳), outlet(용액이 빠져 나가는 곳), tip, head lip으로 정의하였으며 inlet은 velocity inlet (유속 0.2 m/s)으로, outlet은 outflow으로 설정하였다. 실제 코팅용액은 용액 분산 챔버인 cavity로부터 shim에 형성된 slit channel을 타고 토출구로 나오지만 Fig.
두께 100µm, 폭 170mm를 갖는 polyethylene terephthalate (PET) 필름 롤을 기판으로 사용하였으며 50µm폭과 300µm 길이의 µ-tip을 갖는 meniscus guide와 shim이 함께 삽입된 슬롯 다이 헤드를 이용하여 스트라이프 코팅을 하였다.
또한 헤드 립의 접촉각과 µ-tip의접촉각을 변화하여 용액 퍼짐 현상의 억제 가능성을 조사하였다.
마지막으로 µ-tip 길이를 조절하여 모세관 유동을 억제할 수 있는지를 조사하였다.
이러한 용액 퍼짐 현상을 억제하기 위해 유체유동 전산 모사를 수행하였다. 먼저 실험 결과와 비교를 통해 전산모사의 정확도를 확인하였다. Fig.
먼저 헤드 립의 접촉각을 조절하여 capillary flow를 제어할 수 있는지를 조사하였다. 실제 헤드 립이나 meniscus guide의 접촉각은 소수성 테프론을 코팅하거나 소수성 패턴을 형성하여 130º까지 높일 수 있다 [6].
메쉬 간격은 5 µm이며 초기 계산 영역은 air로 설정하였으며 헤드 립과 µ-tip의 용액(PEDOT:PSS) 접촉각(contact angle, θc)은 실제 측정된 16 º로 하였다.
본 연구에서는 이를 해결하기 위해 유체유동 전산모사(Computational fluid dynamics (CFD), [5])를 통해 µ-tip 길이별 용액 퍼짐 정도를 조사하였으며 용액 mixing 없이 stripe density를 높일 수 있는 최적의 µ-tip 간 간격을 도출하였다.
실제 헤드 립을 따라 용액이 퍼지는 정도를 실험을 통해 알아보기 위해 Fig. 1과 같이 크기가 200mm×30mm×58mm 인 헤드가 장착된 롤투롤 슬롯 다이 코팅 시스템을 사용하 였다.
이러한 CFD 툴을 이용하여 µ-tip간 간격이 충분하지 않을 경우 나타나는 용액 mixing 현상을 전산모사 하였다.
이러한 용액 퍼짐 현상을 억제하기 위해 유체유동 전산 모사를 수행하였다. 먼저 실험 결과와 비교를 통해 전산모사의 정확도를 확인하였다.
전산모사를 위한 구조는 Fig. 2와 같으며 실제 µ-tip을 갖는 meniscus guide 구조를 드로잉 하였다.

이론/모형

유체유동 전산모사를 위해 CFD software(ANSYS Fluent 19.1Ver.)을 사용하였다. 이 툴은 volume of fluid (VOF) 방법을 사용하여 Navier–Stokes equations 을 수치적으로 계산함으로써 용액의 움직임을 추적할 수 있다.
이 툴은 volume of fluid (VOF) 방법을 사용하여 Navier–Stokes equations 을 수치적으로 계산함으로써 용액의 움직임을 추적할 수 있다.

성능/효과

먼저 접촉각이 작은 친수성 헤드 립에서 모세관 유동 현상이 강하게 나타났으며 접촉각이 증가할수록 모세관 유동 현상이 효과적으로 억제될 수 있음을 보였다. 헤드립 접촉각이 16º에서 130º로 증가하면 용액이 퍼지는 거리가 256 µm에서 44 µm로 급격히 감소하였다.
본 연구에서는 실험을 통해 stripe 코팅을 위한 µ-tip을 갖는 슬롯 다이 헤드에서 용액이 헤드 립을 따라 옆으로 퍼지는 모세관 유동 현상이 발생함을 확인하였고 유체유동 전산모사에 의해 이를 재현할 수 있음을 입증하였다. 이런 검증된 유체유동 알고리듬을 이용하여 모세관 유동 현상을 억제하여 stripe density를 높이기 위한 µ-tip 구조 및접촉각 최적화 연구를 수행하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬롯 다이 코팅(Slot-die coating) 기술은 어디에 사용되고 있는가?	슬롯 다이 코팅(Slot-die coating) 기술은 대면적 고균일 박막 필름을 요하는 고분자 태양전지, 유기 발광 다이오드(Organic light-emitting diode(OLED)), 양자 점(Quantum dot) 태양 전지 및 디스플레이 분야에 사용되어 왔다 [1-3]. 슬롯 다이 코팅은 정액 토출 방식으로 롤투롤 생산 및 여러 용액을 동시에 다층 코팅할 수 있다.
	실제 코팅된 stripe의 폭은 89µm로 µ-tip 폭보다 조금 넓은 이유는?	실제 코팅된 stripe의 폭은 89µm로 µ-tip 폭보다 조금 넓다. 이는 용액분포에서 보듯이 기판 부근에서 용액이 µ-tip보다 넓게 퍼지기 때문이다. 따라서 stripe 폭은 µ-tip에 의해 조절 가능할 뿐만 아니라 헤드로부터 기판으로의 용액 전달이 µ-tip에 의해 정밀하게 제어됨을 알 수 있다.
	Stripe 코팅은 어떤 방법을 제공하는가?	Stripe 코팅은 화소 형성을 위하여 잉크젯 프린팅에서 요구하는 bank 구조를 제거할 수 있는 방법을 제공한다. 슬롯 다이 코팅을 이용하여 stripe 코팅을 하기 위해서는 기존 슬롯 다이 헤드에 삽입되는 shim외에 스트라이프 폭에 대응하는 마이크로 팁(µ-tip)을 갖는 meniscus guide가 필요하다.

참고문헌 (6)

Krebs, F., "Fabrication and processing of polymer solar cells: A review of printing and coating techniques," Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 93, pp. 394-412, 2009.

상세보기
Chesterfield, R., Johnson, A., Lang, C., Stainer, M., and Ziebarth, J., "Solution-Coating Technology for AMOLED Displays," Information Display, Vol. 1/11, pp. 24-30, 2011.
Wengeler, L., "Coating and drying processes for functional films in polymer solar cells," KIT Scientific Publishing, 2014.
Kim, G., Lee, J., Shin, D., and Park, J., "Roll-to-Roll Fabrication of PEDOT:PSS Stripes Using Slot-Die Head With ${\mu}$ -Tips for AMOLEDs," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 66, pp. 1041-1049, 2019.

상세보기
Shin, D., Hong, G., Park, J., and Seo, I., "Simulation of capillary phenomenon for solution coating of high-uniformity organic thin films," J. of The Korean Society of Semiconductor & Display Technology, Vol. 16, pp. 106-111, 2017.
Luo, B., Shum, P., Zhou, Z., and Li, K., "Preparation of hydrophobic surface on steel by patterning using laser ablation process," Surface & Coatings Technology, Vol. 204, pp. 1080-1185, 2010.

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