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표. 터치스크린 패널 방식 비교

 

근래에 들어 smart phone 및 tablet PC의 수요가 폭발적으로 늘어나면서 터치패널 개발에 대한 관심이 커지고 있습니다.
터치패널의 종류를 살펴보면 상기표와 같습니다. Smart phone 이전의 핸드폰에 저항막(registive) 방식의 터치스크린 패널을 주로 사용하였는데, 현재는 반응속도가 빠른 정전용량(electros tatic capacity) 방식을 채택하고 있습니다.
터치패널에도 역시 광학용 접착제가 사용되고 있는데, 공통적으로 높은 투과율, 낮은 탁도가 요구되며 ITO(indium tin oxide)에 대한 내부식성이 요구됩니다. 또한 작업 용이성 및 불량 감소를 위해 기포 발생이 최소화 되어야 합니다. 여기서 ITO는 투명한 전도막으로 스퍼터(sputter) 방식으로 수십 nm로 증착되고, 유리에 시트(sheet) 방식, PET 필름에 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 진행됩니다.

 

 

 

아이폰 터치패널의 구성도

 

박막형 On-Cell 타입의 터치패널의 구성

 


상기그림은 유리기재에 ITO 증착을 한 것을 예로 든 것인데, 첫번째그림은 유리의 상하면에 각각 X, Y축의 전극을 형성하였고, 두번째그림은 유리기재의 한 면에 유전체를 사이에 두고 X축과 Y축을 동시에 형성한 것이 가장 큰 차이점입니다. 공통적으로 광학적 접착제가 ITO와 직접 닿는 구조이기 때문에 비산성(acid free)이 내구성 측면에서 크게 작용합니다. 왜냐하면 장시간 산에 접촉할 경우 금속과 반응하여 전도막의 저항을 높여 터치 불량을 야기할 수 있기 때문입니다.
광학용 접착제를 개발함에 있어 고려해야 할 사항을 자세히 살펴보자면 다음과 같습니다. 광학용 접착제에서 중요한 것은 투과율을 높이고 탁도를 낮추는 것인데, 높은 온도와 습도에서 장시간 노출되면 부옇게 보여서 인성에 영향을 줍니다.

 

 

접착제의 탁도 상승의 예상 원인 모식도

 


이와 같은 현상은 외부의 수분이 접착제 안으로 흡수되어 내구성 측정 조건에서 팽창했다가 응축되어 빛을 산란시키는 것으로 예상됩니다(상기그림). 이에 대한 대응책은 친수성 또는 친유성으로 설계하면 사용되는 모노머가 친수성일 경우 수분이 흡수될 것이고, 친유성이 되면 흡수되지 못하여 탁도 상승에 대한 수분 영향을 줄일 수 있을 것입니다.
ITO 내부식성을 높이기 위해서는 선행되어야 할 것은 접착제 설계 시 산을 사용하지 않는 것입니다. PET 필름 기재에 ITO가 증착된면과 접착제를 붙인 후 60 ℃/90% 조건에서 시간이 지남에 따른 저항의 상승 정도를 살펴보았습니다. Control은 접착제를 붙이지 않은 것이며, 각 예시에 따른 조성은 사용된 모노머의 종류만을 명기하였습니다. 아크릴산이 들어가 있는 comparative 그래프가 저항이 급격히 상승한 것을 알 수 있습니다. 이로써 산이 ITO에 미치는 영향을 극명하게 볼 수 있습니다. 이는 저항이 높아지는 것뿐만 아니라 ITO가 부식됨에 따라 초기의 투과도와 달라지게 됩니다.
접착제 적용 시 불량 원인으로 많이 지목되는 것 중에 하나가 기포 발생입니다. 이는 앞서 편광판에 적용되는 접착제에서 신뢰성 테스트 조건에 따라 수축되는 PVA로 인해 기포가 과장되게 보이는 경우를 짧게 언급하였습니다. 기포가 발생되는 이유를 접착제뿐만 아니라 접착제 이외에서도 찾아볼수 있습니다. 첫 번째는 접착제가 탄성이 없어서 기포가 발생되는 경우입니다. 유리 기재의 표면이 균일하지 않아 접착제를 붙였을 때 그 안에 있던 기포가 미쳐 빠져나가지 못하는 경우입니다. 이와 비슷한 경우로 다른 한가지는 터치패널의 테두리(bezel)과 같이 인쇄된 층의 단차를 접착제가 모두 채우지 못하여 발생되는 기포 입니다. 색에 따라 사용되는 pigment가 달라져 검정색은 10 μm 흰색은 40 μm 분홍색은 70 μm의 두께를 갖습니다. 이 두 경우 모두 접착제가 부드럽지 못하여 발생한 것으로 Tg를 높이거나 겔분율(gel fraction)을 낮추는 것이 해결방안으로 제시됩니다. 이를 통해 응집력을 약화시켜 기포가 쉽게 빠져나갈 수 있도록 해줌과 동시에 표면 젖음성(wetting)의 향상을 기대할 수 있다. 접착제 합성에서 주로 사용되는 모노머의 종류 및 특성이 있습니다. 원하는 tack과 peel strength값에 맞게 알킬기의 사슬길이가 4~10의 탄소수를 갖는 soft 모노머 혹은 hard 모노머를 선택하여 디자인합니다. 사용된 모노머의 비율과 Tg 값에 따라 합성된 접착제의 Tg를 Fox equation으로 구할 수 있는데 식은 다음과 같습니다.

 


Tack과 peel adhesion을 높이기 위해 soft 모노머를 사용하고 응집력을 부여하기 위해 hard 모노머를 선택합니다. AA와 2-HEA는 기재와의 부착력 증진에 도움을 주기 때문에 소량 사용하기도 합니다. 고분자 디자인 이외에도 물리적인 방법으로는 오토클레이브(autoclave)를 이용하여 기포를 빼내는 방법도 있습니다.
두 번째는 접착제층 안에 기포가 갇혀 있는 예로써 미세한 기포가 접착제 안에 존재하다가 외부에서 열을 받아 팽창하면서 눈에 감지될 정도의 기포로 자라는 것입니다. 또한 PC(polycarbonate)와 같은 플라스틱을 기재로 사용할 경우 기재에서 발생되는 가스가 접착제 내부로 들어와서 기포로 보이게 되는 경우입니다. 이와 같은 경우에는 접착제의 분자량 또는 겔분율을 높여 내부응집력을 강화하여 기포가 커지지 않게 하거나, 초기에 접착제 안으로 들어오지 못하게 하여 해결하는 방법이 있습니다.

이처럼 접착제 적용 시 기포 발생 원인을 정확히 판단하고, 그에 따른 Tg의 조절과 겔분율의 조절 그리고 내부응집력의 조화가 중요합니다. 이와 더불어 오토클레이브로 처리하는 것도 기포 제거시 중요합니다.

 

 

 

 

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얇은 플라스틱 계열의 필름이나 박막 제품의 열변형 원인은 램프에서 발생하는 열입니다.
열변형 원인은 UV 램프에서는 입력전력 대비 70-80%의 열이 발생하므로 이 열이 적게 발생하게 램프를 만들고, 경화기 설계시 열을 얼마나 효율적으로 제거되게 UV 경화기를 만들었느냐의 문제입니다.
제품이 받는 열은 램프의 길이 부하, UV요구량, 제품에서 램프까지의 거리, 컨베이어 선속도, 냉각 시스템 구조등 여러가지 요인에 의해 달라집니다. 대부분의 제품은 uv 경화기를 통과할 때 온도가 40-100℃ 까지 열을 받습니다. 현재 생산하는 제품의 내열 온도가 이 온도 보다 낮다면, 제품의 최종 온도를 몇도까지 낮추느냐가 uv 경화기의 가장 핵심 기술입니다.
열변형 되는 이유는 UV조사량이 부족하여 경화가 미처 덜되어 접착력, 경도 등이 요구치 만큼 나오지 않으므로 uv조사량을 증가시키게 되는데 uv조사량을 증가시키면 열도 따라서 올라가므로 열변형이 일어납니다.
UV조사량을 증가시키기 위해 램프를 제품에 가까이 하거나, 램프수를 증가 시키거나, 컨베이어 속도를 천천히 하면 UV조사량은 수천 - 수만 mJ/cm2로 증가되지만 제품도 열을 받아 소재 자체가 열변형되거나 모재나 경화된 uv 수지층이 열변형 됩니다. 경화 후 즉시 열변형 되는 이외에도 일정 시간 예를 들면 하루나 이틀 후에 열변형 되거나 경화 후 다음 공정에서 다시 열을 받으면 2차적으로 변형이 일어나며, 열변형되는 유형은 3가지로 나누어 집니다.


1) 경화하는 제품이 경화기에서 나오면 즉시 열변형되는 형
2) 경화 후 상온에서 보관해도 2-3일 후에 서서히 2차적으로 변형이 일어나는 형
3) 제품에 일정량의 열이 다시 가해지면 일어나는 2차 열변형 형


이처럼3가지 유형으로 열변형이 일어나는 이유는 각 플라스틱 소재가 고유하게 가지고 있는 자기 고유의 변이점과 내열 한계가 있는데, 그 내열 한계 보다 얼마나 많은 열을 어느 정도의 시간 동안 받았느냐에 따라 각각 나타나는 유형이 달라집니다. 소재의 고유한 내열 한계 보다 많은 열을 받으면 열변형이 즉시 나타나고, 내열 한계치 직전인 변이점(Transfomation Point) 부근 까지 받았을 때는 그 열 이력에 따라 상온에서 일정 시간이 경과하면 외형적인 열 변형이 나타나는 경시 변화형과, 2차적으로 다시 열 충격을 받으면 일어나는 2차 열변형 형이 있습니다. 경시 변형이나, 2차 열변형은 그 동안 받은 열 스트레스가 추가적인 조건에 따라 “변형”이라는 형태로 나타나지만, 제품을 납품 받는 입장에서는 모두 열변형에 속합니다.
이처럼 열변형 불량은 대부분의 UV 경화 제품에서 가장 해결하기 힘든 문제인데 그 원인은 UV 램프에서 입력전력 대비 70-80%의 많은 열이 발생하고, 이 열을 99% 제거해 주어야 하는데, 열을 충분히 제거하면 UV 램프에서 과냉 현상이 발생하여 UV가 나오지 않아서 경화가 되지 않고, 과냉이 생기지 않는 범위 내에서 UV 경화기를 운전하면  제품이 열변형 되는 것이 담당자들의 애로사항입니다.
UV 방사량에 영향을 주지 않고, UV 경화기에서 발생하는 열을 99% 을 제거하게 UV 경화기를 설계하는 것은 광학, 유체 역학, 열역학은 물론 UV램프라는 플라즈마 장치의 관점에서도 충분히 고려 해야 하는데, 국내 뿐만이 아니라 외국 UV 경화기 메이커에서도, 이러한 역학과 플라즈마 물리학에 대해서 체계적 이론과 엔지니어링 데이터를 확보한 메이커가 매우 드물므로 수만 mJ/cm2의 충분한 UV조사량을 조사하고도 열변형이 일어나지 않는 40℃ 이하의 초저온 UV 경화기는 찾아 보기 어렵습니다.

 

 

 

 

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접착제는 기능적 특성을 탐구하고, 상품개발을 적극적으로 전개해 온 니즈지향형 상품입니다. 예를 들면 단시간 접착, 내열성 접착제 외에 일액형 접착제, 습기경화형 접착제 등 여러 가지 접착제가 개발되고 있습니다. 최근에는 기능개발을 목적으로 신소재에 대한 재료개발이 추진되고 있습니다.
접착제의 앞으로의 기능성 개발 니즈는 다음과 같습니다.
① 접착제의 고강도화와 우수한 접착 내구성능(고성능화)
② 접착공정의 고속화(접착의 단시간화)
③ 접착조작성의 간소화(경화속도의 제어)
④ 표면의 탈전처리화(계면의 활용)
⑤ 접착의 환경대응(시크하우스의 문제 등)
⑥ 피착재의 재이용(자원 유효이용, 접착 해체성)
접착제의 개발에 있어서 접착제의 물성이나 경화특성 등에 부가하여 환경, 자원절약, 자원의 유효이용이라는 사회적 니즈에의 대응이 장래 접착제의 개발에는 중요한 과제로 되어 있습니다. 이와 같은 니즈를 모색함으로써 제품의 경량화, 소형화, 콤팩트화 등 현재의 성형가공 산업에 강하게 요구되고 있는 사회적 니즈에 응해야 할 것입니다.

 

 

 

 

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