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  1. 2013.05.22 접착력 증진
  2. 2013.05.21 LCD구동 드라이버의 실장기술 및 향후전망
  3. 2013.05.20 양이온 UV 반응 접착의 응용

접착력 증진

접착제란? 2013. 5. 22. 08:30
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전도성 접착제에서 해결되어야 할 중요한 문제 중 하나는 열악한 접착강도 입니다. 피치의 미세화가 극단적으로 추진되는 현재의 시점에서 접착강도의 중요성은 그어느때보다 크다고 할 수 있습니다.
접착거동은 화학적 그리고 물리적 결합력에 의한것으로 나누어 볼 수 있습니다. 화학적 결합은 말그대로 접속되는 고분자와 기판의 표면 사이에 공유결합 또는 이온결합 반응을 유발시키는 것이며, 물리적 결합은 피착 표면과 고분자수지사이에 물리적 흡착 또는 기계적 맞물림(mechanical interlocking)을 통하여 결합이 일어나는 경우를 말하는 것으로, ICA의 고분자 성분과 피착기판 사이에 친화력이 있는 경우 고분자와 기판사이의 상호확산층의 형성으로 충분한 결합강도를 얻을 수 있습니다. 기계적 맞물림은 이보다는 좀더 큰 규모에서 일어나는 현상으로 고분자가 기판표면의 미세한 구멍이나 틈새등으로 유입되어 접착이 이루어지는 경우로 기판의 표면이 거칠수록 접착력의 증대를 기대할 수 있습니다. 전도성 접착제의 접착강도를 증가시키는 방법에 대하여 알아보겠 습니다.


[플라즈마 세척 및 진공공정]
표면을 플라즈마로 세척하는것은 전도성 접착제의 접착강도를 증대시키는 효과적인 방법으로 알려져 있습니다. 접착표면의 불순물과 산화막은 플라즈마 라디칼에 의하여 매우작은 분자단위의 기체상태로 분해되고 이를 진공펌프로 제거한 후 다시 금속표면을 다른원소로 보호막을 만들어 다시 산화막이 형성되는 것을 막음으로써 깨끗한 접착면을 확보할 수 있으며, 이와 더불어 플라즈마처리에 의하여 표면의 일부를 식각하여 mechanical interlocking에 의한 접착강도의 증대를 도모할 수도 있습니다.


[coupling agent의 적용]
coupling agent를 이용한 접착강도의 증대는 고전적인 방법중의 하나로, 대표적인 coupling agent는 실리콘, 티타늄, 지르코늄등을 내재한, 고분자와 무기성분의 접착면 각각와 친화력 또는 결합력을 지닌 2개이상의 관능기로 구성된 유기화합물을 지칭합니다.
coupling agent에 의한 계면에서의 결합력 증대는 몇가지 이론에 의하여 검토된바 있으며 그중 대표적인것이 화학적결합이론과 젖음성(wettability) 및 표면에너지 변화와 이에의한 물리적 결합이론 입니다. 화학적 결합에의한 접착강도 증대는 말그대로 coupling agent의 두관능기가 각각 고분자와 무기접착면에 공유결합을 형성하여 coupling agent를 사이에둔 가교결합체를 형성함으로써 접착면의 안정성을 도모할 수 있다는 것입니다. 한편 공유결합의 형성이 없는경우에도 얻어지는 계면접착력의 증가는 접착표면에 흡착된 coupling agent에 의하여 표면에너지가 높은, 친수성의 무기성분의 기판표면이 소수성으로 바뀜으로써 전도성 접착제의 고분자 바인더와 상용성(compatibility)을 증가시킴으로 얻어질 수 있습니다.
실란계 coupling agent는 가장 대표적인 coupling agent로써 금속피착제 표면과 물리적결합에 이어서 금속-산소-실란이 포함된 화학결합을 형성하고, 고분자수지와는 아민말단기등을 통하여 공유결합을 형성, 접착계면의 안정성을 얻을 수 있으며, 이와 동일한 방식으로 전도성 접착제 분야에서도 여러가지 금속표면에 대하여 접착강도를 증가시킬 수 있다는 연구결과가 나왔습니다.


[접착면의 거칠기 증가]
표면이 거칠수록 접착력 증대가 얻어진다는 것은 잘알려진 사실이며 이또한 전도성 접착제의 접착강도증대에 적용될 수 있는 방법입니다. 화학적식각, 플라즈마식각 이나 아노다이징과 같은기법에 의하여 접착강도 향상에 유리한 특정한 표면형상을 창출하여 mechanical interlocking등을 적극적으로 유발시켜 전도성 접착제의 고분자 바인더 성분이 금속표면위에 안정적인 고착상태를 유지시켜 주도록 합니다.


[탄성계수의 최적화]
금속성분과 고분자는 물질의 고유특성상 탄성계수가 많이 차이가 납니다. 금속성분이 탄성계수가 아주작은 반면에 고분자는 대개 월등히큰 탄성계수를 보입니다. 이러한 탄성계수의 차이는 외부에서 주어지는 열이력에따른 수축 팽창중에 계면에 심각한 잔류응력을 유발시켜 계면박리를 일으키게 됩니다. 이를 막기위해서는 상이한 두물질사이의 탄성계수 차이를 줄여주는것이 필요합니다. 금속의경우 종류에 따라서 탄성계수 변화가 크지않으나 고분자는 다양한 탄성계수를 가지고 있기 때문에 가급적 접착하고자하는 금속성분에 가까운, 낮은 탄성계수를 지닌 고분자로 전도성 접착제를 구성하는것이 바람직 합니다. 그러나 탄성계수가 지나치게 낮아지면 cohesive 에너지의 저하로 자체 기계적 물성이 저하되기 때문에 무조건 낮은 탄성계수의 고분자가 바람직한 것은 아니며, 최적화된 탄성계수 조건을 찾아내는 노력이 필요합니다.

 

 

 

 

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LCD 구동을 위한 Driver IC 를 LCD 패널 과 연결시키는 기술에는, COB (Chip On Board), TAB (Tape Automated Bonding), COG (Chip On 유리기판) 등이 있습니다. Segment 방식의 LCD 또는 낮은 해상도의 패널 의 경우에 있어서는, lead 의 수가 적기 때문에 드라이버 IC 가 PCB (Printed Circuit Board) 위에 있고, board의 lead를 패널 과 HSC (Heat Seal Connector) 또는 elastomeric connector로 연결하는 것이 용이했습니다. 그러나, LCD 패널 이 고해상도화 되면서, 엄청난 수의 리드를 갖는 driver IC를 board에 장착하기가 용이하지 않게 되었습니다. TAB는 driver IC를 carrier tape 위에 장착함으로써 이 문제를 해결한 방법입니다.


SMT (Surface Mount Technology)
Driver LSI의 실장의 고전적 방식으로, flat package 를 PCB 위에 납땜(soldering)하는 방식입니다. LSI가 장착된 PCB는 elastomeric connector 또는 HSC (Heat Seal Connector)에 의해 LCD 패널에 연결됩니다. 핀 수가 적은 LSI를 장착할 경우 유리합니다( < 100 pins).


COB (Chip On Board)
SMT 의 일종이나, 직접 LSI 를 PCB 위에 wire-bonding 하는 방식입니다. 소형, 박형 실장용 assemble 기술로서 실용화되고 있습니다( < 200 pins). 이 방법으로 LSI 를 PCB 에 장착한 후, PCB를 HSC등에 의해 LCD 패널에 연결합니다.


COF (Chip On Film) - TAB (Tape Automated Bonding)
Driver LSI (bare chip)에 Bump (돌기전극)을 형성하고 carrier tape Inner lead bonding한 후 carrier tape와 패널을 접속하는 것입니다. 보통 LSI의 Al 전극 상에, barrier metal을 매개로 하여 Au bump도금에 의해 형성됩니다. COF 방식은 tape carrier driver LSI의 패널에의 접속 직전에 검사가 가능하여 불량 device를 제거할 수 있고 또 입력처리가 간단하다는 본래의 특징과 tape 기술의 진보가 어우러져 널리 실용화되고 있습니다.

 


COG (Chip On Glass)
본 방식의 최대과제는 driver LSI와 패널전극 사이를, 어떠한 방법으로 전기적으로 접속하느냐입니다. Driver 탑재용 PCB, carrier tape 등이 필요 없습니다. 얇고 compact한 실장이 가능한 형태이며, 유리기판 위에 driver IC를 직접 bonding 하는 방식입니다. 현재 소형 액정 TV를 비롯해서 대형 디스플레이에 일부 사용되고 있습니다.


향후전망
과거에는 액정이 지니고 있던 고질적인 문제인 시야각과 응답 속도의 문제 때문에 TV 등에서는 액정 분야가 소외되었던 것도 사실입니다. 그러나 액정 재료를 중심으로 한 고속 응답화 기술과 액정 구동 모드와 광학 보상 필름의 개발로 광시야각 기술이 확보되면서 액정 TV의 대형화의 한계도 점차로 무너지고 있으며, 50인치 TV가 양산 판매되고 있습니다.
또한 TFT 분야에서는 전통적으로 사용되었던 a-Si:H 기술 이외에 poly-Si 을 이용하는 기술이 나날이 발전하여 소자에 적용 생산되고 있습니다. Poly-Si은 a-Si:H에 비하여 전자가 100배 이상 빠르게 움직입니다. 이와 같은 빠른 속도는 LCD를 구동시키기 위하여 필요한 주변 회로를 직접 LCD 유리 기판 내에 만드는 것을 가능하게 만들 수 있습니다. 기판 글래스 위에 모든 것을 만드는 SOP(System on 패널)이 실현된다는 것을 의미합니다. 일부 회로가 내장되는 것은 이미 상품화 되어 있으면 완전 내장하는 것도 조만간 실현되어 질 것으로 예상됩니다. 이렇게 되면 우리는 LCD를 더욱 값싸게 얻을 수 있게 될 것이고, 고정도, 고휘도를 갖춘 고품질의 LCD를 만나는 것이 가능해 질 것입니다.

 

 

 

 

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① 디지털 비디오디스크(DVD)
CD, CD-ROM, MD, MO 같은 광디스크는 단판 구조로 되어 있다. 그래서 디스크 접합공정이 불필요하여 접착제를 사용하지 않았습니다. 그러나 DVD-ROM, RAM과 같은 평면 디스크의 경우에는 구조상 디스크를 접합하여 제조하기 때문에 접착제가 필요합니다. 광 디스크용 UV 경화형 접착제는 대부분 라디칼 UV 경화 시스템입니다. 하지만 양이온 UV 경화형 접착제는 UV 조사 후에도 반응이 진행되어 충분한 접착경화가 가능하므로 광을 전혀 투과하지 않는 디스크의 접합에 사용할 수 있습니다.
DVD용 UV 경화형 접착제의 요구 물성은 박막 코팅을 할 수 있을 정도의 저점도를 가져야 하고 경화 후 디스크의 휨이 작아야 합니다. 이에 대해 양이온 UV 경화형 접착제는 초박막이 가능하고 경화 수축률이 라디칼에 비해 적습니다. 또한 내고온 내습성이 우수하여 DVD용 접착재의 요구조건을 충족시켜 줍니다.


② 유기 다이오드(OLED)
최근 전자⋅전기업계에 있어서 각종 표시소자를 이용한 플랫 패널 디스플레이의 개발과 제조가 행해지고 있습니다. 이들 디스플레이의 대부분은 유리나 플라스틱 등의 셀에 표시 소자를 봉지한 것입니다. 그 대표로서 액정(LC)디스플레이, 일렉트로루미네센스(EL) 디스플레이 등을 들 수 있습니다. 그들 중에서 EL 디스플레이는 고휘도, 고효율, 고속응답성 등의 점에서 우수하고, 차세대의 플랫 패널 디스플레이로서 주목받고 있습니다. 소자로는 유⋅무기 EL소자가 있고 무기 EL 소자는 시계의 백라이트 등으로 실용화되어 있지만, 풀컬러화에는 아직 기술적 과제가 있다고 되어 있습니다. 유기EL (유기다이오드, OLED) 소자는 고휘도, 고효율, 고속 응답성, 다색화의 점에서 무기 EL소자보다 우수하지만 내열성이 낮고 내열온도는 80~120 ℃ 정도로 알려져 있습니다. 또한 유기다이오드는 공기 중의 수분과 산소를 고립시켜야 하는 요구 조건을 가지고 있습니다. 따라서 유기 다이오드의 실링에 있어 열경화형 에폭시 수지로는 충분히 가열 경화될 수 없다는 문제가 있었습니다. 이들 문제를 해결하기 위해서, 저온 속경화가 가능한 광경화형 실링제의 제안이 이루어졌고 이러한 이유 때문에 유기 다이오드의 팩킹에 있어서 UV-경화형 접착제는 절대적인 위치에 있습니다. UV-경화형 실링제는 크게 나누어, 광라디칼 경화형 실링제와 광양이온 경화형 실링제가 있다. UV-라디칼 경화형 실링제는 다양한 아크릴레이트 모노머, 올리고머를 사용할 수 있다는 이점을 가지고 있지만, 경화시의 체적 수축률이 높고, 접착력이낮다는 결점을 갖고 있습니다. 체적 수축률을 낮게 억제하기 위해서는 실링제의 단위 중량당 관능기 수를 적게 해야 하므로, 여러 가지 물성에 제약이 가해지게 됩니다. 따라서 UV-경화 중에서도 우수한 접착력과 산소에 대한 저항성 뛰어나고 수축률이 작으며, 박리 강도와 내열성이 좋은 양이온 중합 접착제가 유기 다이오드 팩킹 적용에 대부분을 차지하고 있습니다.
플랫 패널 디스플레이를 제조할 때에는, 생산 효율의 향상을 위해, 큰 유리 기판 내에 몇개의 패널을 형성하고, 합착 후에 유리 기판을 분리하는 공정이 마련됩니다. 이 조작 시, 유리기판에는 큰 응력이 가해져 실링제의 접착력이 충분하지 않은 경우에는 박리되는 것이 문제가 됩니다. 따라서 수축률을 줄임으로써 접착력을 높이고 기판에 응력이 작용하지 않게 하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있습니다. 예를들어 에폭시 수지 중에서 빠른 반응 속도를 가지고 있는 사이클릭알리파픽 에폭사이드(cycloaliphatic epoxide)를 가지고 양이온 광중합 접착제를 만들 때 -OH를 가지고 있는 polyol을 첨가하게 되면 경화 시간을 연장시키면서 수축률을 줄일 수 있습니다. 그러나 polyol 대신에 비닐 에테르나 아크릴레이트를 첨가하게 되면 반응 속도는 증가되지만 높은 수축률을 보이며 유리 기재로부터의 접착력이 떨어집니다.

 

UV 광반응은 단시간 경화에 따른 에너지절약과 생산효율 증가, 무용제를 통한 친환경성, 이 밖에 공간 절약, 작업 간편성 등 많은 장점을 가지고 있습니다. 과거에는 이러한 UV 광반응 중에서도 라디칼 중합에 대한 연구와 산업 적용이 대부분을 차지하였습니다. 그러나 오니윰 염 등 효율적인 양이온 광개시제들이 개발되고, 옥세탄과 같은 양이온 중합을 위한 다양한 모노머들이 연구됨에 따라 양이온 광반응이 라디칼 반응의 역할을 대신할 뿐만 아니라 라디칼 반응에서는 얻을 수 없는 여러 성질들을 구현할 수 있게 되었습니다. 이러한 양이온 광반응의 응용분야 중에서도 양이온 UV 경화형 접착제는 다양한 접착 물성을 요구하는 소재에 적용이 가능해짐에 따라 그 연구 가치가 높아지고 있습니다. 따라서 향후 국내에서도 양이온 UV 경화형 접착제에 대한 연구가 활기를 띠며 높은 성장 가능성을 가지게 될 것으로 보입니다.

 

 

 

 

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