폴리머 구조 복합체를 통한 소재 보호 필름 재료 및 구조 검토

Abstract

최근 스마트폰의 디자인은 넓은 화면과 좋은 휴대성을 지향하고 있고 그에 따라 스마트폰은 더 얇고 가벼운 소재 및 구조를 적용하게 되었으나 제품 운반, 생산 시 재료의 기계적 파손은 더 증가하고 있다.

신규 스마트폰의 주요 흐름인 폴더블 디스플레이는 기존 스마트폰이 가지고 있던 소재보다 더 얇고 무른 재질의 소재로 구성되게 된다. 폴리머, Ultra thin glass 등과 같은 얇고 무른 재질의 소재는 폴더블 디스플레이에서 폴딩 기능을 위해 필수적으로 사용되어야 하는 재료들이나 그 기계적 낮은 강도로 인해 제품의 생산, 운반 과정에서 고질적인 기계적 파손으로 이어지고 있다. 개선을 위해 재료의 기계적 강도 향상을 하게 되면 반대로 폴딩의 특성 저하로 이어지게 되어 해당 문제는 고질적인 품질 이슈가 되고 있다.

본 연구에서는 폴리머 소재의 보호 필름에 대해 연구를 하였으며, 다양한 폴리머들의 기계적 특성 연구를 통하여 보호 필름의 재료적, 구조적 검토를 하여 보호 필름의 보호 기능 향상 시키는 것이 목표이다.

보호 필름의 변형 거동을 예측하기 위해서는 폴리머 소재의 기계적 물성 파악이 필요하다. 본 연구에서는 탄성과 소성 특성, 선형 점탄성 특성을 고려하여 PET(polyethylene terephthalate), PS(polystyrene), Elastomer 총 세 가지 폴리머 재료에 대해 인장 시험, 응력 완화 시험을 통해 기계적 특성을 얻었다.

외부 충격에 의한 보호 능력 확인을 위해 유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 각 구조를 2차원 축 대칭 모델링으로 구성하였고 앞서 인장 시험, 응력 완화 시험을 통해 얻은 기계적 특성을 입력하여 각 Case 별 보호체가 받는 소성 변형률과 응력에 대해 확인하였다.

우선적으로 점탄성 특성이 해석과 실제와 일치하는지 확인을 위해 Creep 시험을 실행하여 비교하여 검증하였으며 이후 동일 PET 소재에서 보호 필름의 두께 구조 변화에 따른 보호 능력 변화, 단일 PET 소재와 Sandwich 구조 복합체 간의 보호 능력 비교를 하였다.

추가로, Sandwich 구조 복합체에서 외피와 코어에 들어가는 폴리머의 Split 평가를 하여 Sandwich 구조에서 최적 보호 필름 구조를 확인하였으며, Sandwich 구조 복합체에서 상부 외피의 변화에 따른 보호 능력 비교를 하여 Sandwich 구조 복합체 내에서 다양한 구조 해석을 하였다.

최종적으로 앞서 해석된 내용들을 바탕으로 보호 필름의 효과를 높이기 위한 설계 가이드를 정립하였다.

본 연구에서 제안된 폴리머 보호 필름은 디스플레이 분야에서 뿐만 아니라 연질 재료를 사용하는 다양한 분야에서 사용 할 수 있으며 연질 재료의 기계적 특성을 보완하여 공정의 생산, 재료의 운반 등에서 발생 가능한 기계적 파손을 줄일 수 있어 중요한 의미가 있다고 볼 수 있다.

Innovative foldable displays have been reported to experience failures derived from mechanical defects by external force, since the consisting polymer films of foldable displays contain low level mechanical property.

To reduce the mechanical failure, this paper suggests new structure composite of polymer protect films with to protect material by using viscoelasticity object.

We evaluated each mechanical property of polymer film through tensile test and stress relaxation test. Furthermore, we constructed various structure composites cases and confirmed the effect of various structural composite cases by using the indentation test of finite element analysis.

In this study, we presented many types of polymer protect films structures and we found several way to improve the strength of the protective film.

(1) The thicker the protective film has better the protective ability.

(2) The sandwich structure composite protective film has better protective ability than single material protective film.

(3) The protective effect is improved when a viscoelastic material is added to the core or outer layer of the sandwich structure composite protective film.

(4) When a viscoelastic material is put in the core of the sandwich structure composite protective film, the viscoelastic material protrudes out of the protective film.

(5) In Sandwich Structure Composite Protective Film, the thicker the upper outer has better the protective ability.

This result shows the possibility of more efficient composite by combining various materials and compositions. We also hope that based on these results, we can reduce the mechanical failure of soft material.