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접착이란 두 면 사이에서 일어나는 원자간, 분자간 상호인력에 의해 일어나는 현상입니다. 접착현상을 이해하기 위해서는 표면화학, 물리, 레오로지, 고분자화학, 응력분석, 고분자물리, 파괴분석 등과 같은 복합적 연구가 필요하며 단순한 기구로 설명하기 어려운 현상입니다. 지금까지 접착에 관련되어 연구된 확산, 기계적, 분자론적, 화학적, 열역학적인 접착 모델 기구들을 소개하고 이의 측정기술 및 접착 사례에 대해 소개하도록 하겠습니다.
접착은 자동차공업과 우주산업분야에서부터 발전하기 시작하였는데 접착 기구는 재료의 표면특성에 따른다고 알려졌습니다. 그 후 이 분야에서는 30여 년간 접착 기구에 대한 연구가 꾸준히 발전하여 금속을 대체할수 있는 값싸고 가벼운 재료를 개발하기에 이르게 되었습니다.
– 최근에는 낮은 가격과 높은 기계적 성질을 갖는 벌크와 표면성질을 부여하기 위해 폴리머와 에폭시수지 사용이 시도되고 있습니다.
– 폴리머 표면과 페인트 재료 층 사이의 접착은 접촉면이나 접촉면 가까운 위치에 반응기를 위치시켜 조절됩니다.
․ 그 예로 자동차산업에서 폴리머 범퍼 접착성을 높이기 위해 촉진제 첨가, 플라즈마처리에 의한 극성기 생성, 블랜딩과 같은 가공방법이 이용됩니다.
․ 건축공학, 생의학공업에서도 폴리머 접착제를 개발하고 있습니다.
접착 기구와 접착강도에 관계되는 성질을 알기 위해서는 time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), X-ray Photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM), secondary electron microscopy (SEM), attenuated total reflectance infrared spectroscopy (ATR-IR), 및 광학적 접촉각 분석 같은 표면에너지를 측정하는 기기 등이 필요합니다. 강인성, 극성, 화학적 조성과 표면 자유에너지와 같은 표면의 성질을 찾아내기 위한 연구와 측정기술이 발전하고 있습니다.

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(a) Mother glass 위에 UV Curable sealant를 형틀에 묘화합니다.

(b) 묘화된 형틀 내에 LC를 적하합니다.

(c) 쌍이 되는 또 다른 Mother glass를 감압하에 겹치고 하중을 두고 고정한 뒤 UV를 조사하여 경화시켜 기판의 신속한 고정(cell gap 형성)을 합니다.

(d) UV 조사 후 열경화를 진행하여 경화를 완료합니다.

One drop filling (ODF) process of LCD panel.

열경화성 Seal제를 사용하는 제 4세대 이전의 제조 방식은 상하 Mother glass를 합착한 후 셀 내부를 진공 상태에서 모세관 원리를 이용하여 액정(Liquid crystal)을 주입합니다. 이 방법은 Seal제 경화 후 액정을 주입하기 때문에 Seal제에 의한 액정의 오염을 사전에 방지할 수 있지만, 열 경화 중 Mother glass의 Mislocation과 Distortion이 발생할 수 있습니다. 제 5세대 이후 대형화되어 가는 액정패널의 Mother glass에 액정을 주입하기 위한 시간이 많이 걸려 제조 공정 시간이 길어지는 문제가 발생하였습니다.
그러나 기존의 액정 주입 공법으로는 제 4세대(730 × 920 mm2)에서 Mother glass의 기판 대형화가 어려웠으나, 액정 적하공법의 개발로 Mother glass의 면적이 3년에 1.8배가 된다는 Nishimura의 법칙을 뛰어넘어 대형화가 실현되었습니다. 액정 적하공법에서는 하판 Mother glass위에 Seal제를 형틀에 묘화한 후 액정을 적하한 후 상판 Mother glass 합착한 후 UV경화를 하는 방식이기 때문에 액정 주입에서 지체되는 제조 공정을 획기적으로 단축시킬수 있습니다. 하지만 액정 적하공법은 액정이 UV경화 전에 seal제와의 접촉으로 인해 오염이 발생할 수 있고 UV 경화시 수축에 의한 Mother glass의 Mislocation과 Distortion이 발생할 수 있는 단점이 있습니다.
상기그림에 간략한 셀조립에 대한 프로세스를 나타내었습니다.
Mother glass의 한쪽은 LCD 구동회로를 형성한 TFT (Thin film transistor) 기판상에 직접 액정을 적하하고 다른 Mother glass에는 스페이서(Spacer)를 살포하든가 포토리소그래피(Photolithography)로 기둥을 형성한 CF (Color filter) 기판에 Seal제를 도포하여 양 기판을 진공합착기로 옮겨 내부를 진공 배기하고 위 아래에 배치한 TFT 기판과 CF 기판을 위치 결정한 다음 두 기판을 합착합니다.
그 다음 공정에서 액정 적하용 Seal제를 Spot으로 여러 곳에 UV를 조사하고 그 후 이어지는 반송에서 얼라인먼트(Aliment) 위치가 어긋나지 않게 합니다. 그리고 합착한 후에 챔버(Chamber) 내부를 대기에 개방하여 패널을 대기압으로 균일하게 가압합니다. 이렇게 해서 합착한 기판은 합착기 안에서 반출하여 UV조사로써 Seal제를 가경화하고 그 다음에는 열 경화를 진행하여 완료합니다.

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올리고머 길이가 다른 에폭시 수지 경화물의 구조 모델

에폭시 수지는 경화 과정에서 일반적으로 직쇄상, 곁사슬을 갖는 사슬 모양 경화물, 가교를 갖는 경화물의 3단계를 갖습니다. 여기서 접착성과 같은 물성이 나타나고 발달하는 것은 망상 사슬이 형성된 후입니다. 단, 사슬상 경화물이라도 분자량이 큰 경우에는 이들 물성이 나타납니다.
이 망상 사슬 중에는 사용한 올리고머나 경화제도 넣어지게 되므로 경화물의 성질은 올리고머나 경화제의 구조와 가교 망목의 조밀에 지배되게 됩니다.
이러한 사고 방식에서 분자 사슬의 길이가 다른 비스페놀형 에폭시 수지를 동일 경화제(DDM)로 경화해서 가교 망목의 거칠음이 다른 것을 유도하여, 망상 사슬의 조밀과 경화물 성질과의 관계가 구해졌습니다. 상기그림서 알 수 있듯이 이들 수지는 분자 사슬의 양쪽 말단에 에폭시기를 가지고 있으며 분자량은 380에서 2900의 범위를 나타냈습니다.
이들 올리고머는 말단의 에폭시기로 반응하고, 가교는 형성된 수산기 또는 아미노기에 의해서만 행해집니다. 이 가교점을 화살표로 나타내고 비스페놀 골핵을 4각으로 표시하여 모델화한 것이 상기그림 입니다. 가교점은 위와 같이 정해져 있기 때문에, 올리고머 사슬의 길이는 그대로 망목의 조밀을 지배하게 됩니다.

경화 에폭시수지의 동력학적 성질

상기그림은 사용된 경화제의 동역학적 성질을 나타낸 것입니다. 그림에서 보이는 것 같이 올리고머 사슬이 짧은(n : 0.1) 경화물이 가장 높은 유리 전이 온도 Tg를 나타내며 반응률도 높고, 감쇠 tanδ의 극대값은 가장 작습니다. 즉 경화물의 망상 사슬이 치밀할수록 Tg는 높고 분자 사슬의 구속력도 강합니다.
또한 올리고머의 구조가 달라도 탄성률 곡선이나 감쇠 곡선이 각각 아주 유사한 형태를 하고 있음을 알 수 있습니다.
유리상 영역(< Tg)의 탄성률은 Tg(t - Tg=0)보다 저온일수록 크고, 고무상 영역(> Tg)의 탄성률은 올리고머 사슬이 짧고 가교 밀도가 높을수록 큽니다. 또 감쇠는 어느 것이나 Tg에서 극대값을 취하고, 올리고머 사슬이 긴 것일수록 이 극대값은 큽니다.

경화 에폭시 수지의 가교밀도(ν)와 유리전이온도(Tg)

상기그림에는 경화물의 Tg와 가교 밀도 ν와의 관계를 나타내었습니다. 그림과 같이 ν가 높은 것일수록 Tg가 높고, 양자 사이에는 직선 관계가 성립하고 있습니다. 이 결과에 따르면 경화물의 탄성률, 인장 강도, 전단강도 등을 증가하고 싶을 때는 ν가 높은 경화물을 만들면 됩니다.

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