^*사전변형전략(prestrain): 변형(strain)을 미리 가해, 추가적 변형을 가했을 때 원래 변형 상태로 돌아올 수 있게 만드는 전략. 점착제를 원래 길이의 10%에 해당하는 만큼 미리 늘려준 뒤 여기에 추가적 변형을 가하면, 이 추가적인 변형을 제거됐을 때 사전변형 상태로 돌아올 수 있다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

디스플레이를 통해서 인간과 소자는(Devices) 피드백(Feedback)과 반응(Response)을 주고받을 수 있으므로 디스플레이는 현시대에서 인간과 소자 사이의 중요한 소통의 창 역할을 하고 있다. 디스플레이는 딱딱하며 판 형태의 디자인에서부터 플렉서블하며 곡선이 있는 디자인까지 변화해 왔다. Health care systems을 부여한 바이오 기기들의(Epidermal electronics) 등장에 따라 늘여나면서도, 유연한 디스플레이 개발이 더 요구됐다. 이에 따라서 스트레쳐블·플렉서블 기기와 호환될 수 있는 성능을 갖는 점착제의 개발이 중요해 졌다.

감압성 점착제1) (Press Sensitive Adhesive)는 낮은 압력에서 피접착제와 결합을 형성할 수 있으며 대부분은 떼어 낼 때 잔여물이 남지 않는다는 특징이 있다. 또한 디스플레이 구성요소 사이를 부착시켜주는 점착제의 역할뿐 아니라, 공기층을 없애 광투과도를 높이는 효과가 있다. 하지만 점착제 본연의 플렉서블한 특성으로는 스트레쳐블 소자 적용에 한계가 있다. 왜냐하면 스트레쳐블 소자는 형태의 변형에 따른 즉각적인 회복을 요구하지만 플렉서블한 점착제 자체로 성질로 부분적 회복은 가능하나, 즉각 적인 회복이 제한되기 때문이다. 또 접착성을 높이기 위해 사용되는 아크릴산 단량체로 인한 기판 부식 가능성이 있다. 뿐만 아니라 스트레쳐블·플렉서블 소자가 변형될 때 점착제에 가해지는 스트레스 (stress)가 지속될 경우 디스플레이 구성요소의 층간 박리 (Delamination)를 야기시킬 가능성이 있다. 이러만 문제점을 해결하기 위해 점착제의 응력완화(stress relaxation)2)능력이 필요하다. 점착제의 응력완화 (stress relaxation)는 신축성(용수철처럼 원래 상태로 즉각적으로 회복되는 성질)과 트레이드오프 (tradeoff)관계에 있기 때문에 스트레쳐블·플렉서블 점착제로 사용되기 위해서는 두 가지 특성의 균형이 필요하다.

2. 연구내용 

본 연구에서는 아크릴산 단량체의 함량 변화에 따른 점착제의 물리적 특성을 분석하고, 박리강도(peel adhesion, 점착제를 표면에서 벗겨낼 때 필요한 힘) 및 저장 탄성률(storage modulus) 측정을 통해 최적의 점착력을 보여주는 물질 구성을 제시하였다. 또 스트레쳐블 전자소자에 적용될 수 있음을 입증하기 위하여 개발된 점착제의 점탄성3)과 금속 내부식성, 광투과도를 측정했다.

연구팀이 제조한 아크릴산이 첨가된 복합재료 형태의 점착제는 널리 사용되고 있는 Scotch tape (3M, USA)보다 약 65% 높은 박리강도를 가지며, 25% 신율(원래 길이보다 25%더 늘어난 상태)에서는 40% 이상의 응력완화 효과를 보였다. 또한 1000회의 반복적인 인장시험을 통하여 점착제의 기계적 특성 및 형태 회복을 확인했다. 특히 10%의 사전변형이 적용된 후에는 25% 신율에서 즉각적인 형태 회복(신축성)이 가능하였다.

또 디스플레이스 소자에 적용하기 위한 필수요건인 금속 내부식성과 투명성과을 점검했다. 아크릴산이 첨가된 점착제는 높은 점착력을 보이지만 카르복실산 (carboxylic acid) 작용기에 의한 금속 기판 부식 가능성이 제기됐었다. 하지만 개발된 점착제는 4주간의 고온다습한 조건에서 접촉한 ITO (Indium tin oxide)기판에 표면저항 증가를 일으키지 않았으며 30% 신율에서 높은 투명성(90 %T >)을 보였다.

3. 기대효과

자체 점착력을 가질 수 있는 최적의 아크릴산 함량을 제시함과 동시에 개발된 소재의 물성을 고분자 과학의 관점으로 해석함으로써 감압성 점착제의 기술 분야에 중요한 시각을 제시했다. 특히 본 연구에서 다룬 점작체의 신율(길이 늘림 비율) 변화별 투명성에 관한 연구는 디스플레이 분야 연구의 자산이 될 것이다. 이번 연구결과는 IoT (Internet of Things) 시대에 적합한 디스플레이 디자인 및 개발뿐 아니라 새로운 점착제의 연구개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 감압성 점착제 (Pressure sensitive adhesives, PSA)

일반적으로 상온에서 유연한 특성을 갖고 있으며 대부분의 표면에 낮은 압력에도 붙을 수 있게 설계돼있다. 다른 접착제와는 다르게 한 번 붙였다 뗀 후에 다시 붙일 수 있는 지속성이 있다.

2. 응력완화 (Stress relaxation)

고정된 신율에서 물체에 가해지는 인장강도가 시간이 지나면서 감소하는 물리적 특성. 물질에 변형(strain)이 가해지면 물질 내부에 원래 상태로 돌아가려는 저항력인 응력(stress)이 쌓인다. 이 스트레스가 해소되지 못하면 물질이 파괴된다. 디스플레이 소자의 층간을 연결하는 점착제의 경우 응력완화가 적절히 되지 않으면 표면에서 박리되는 현상이 발생한다. 응력완화는 물질이 원래 상태로 다시 회복되려는 신축성과 trade off 관계가 있다. 고무줄 바지를 오래 입어서 안에 고무줄이 헐거워진 상태가 응력완화 상태인데, 이 상태에서는 예전의 용수철과 같이 변형을 즉각적으로 회복하는 성질(신축성)을 갖기 어렵기 때문이다. 

3. 점탄성 (Viscoelasticity)

물체에 변형이 일어날 때 탄성(고무줄 같이 늘어났다 줄어드는 성질) 및 점성(물질의 끈끈한 정도)특성을 모두 나타내는 재료의 특성임. 본 연구에서는 점착제가 변형될 때 응력이 완화되는 정도를 점성으로 표현하였으며, 변형 후 회복되는 정도를 탄성으로 표현하였음.

[붙임] 그림설명

그림 1. 감압성 점착제(PSA)를 사용하여 제조된 디스플레이 도식

그림 2. 개발된 점착제의 디스플레이 소자 호환성 평가. a 신율 변화에 따른 투과도 평가, b 30% 신율에서의 점착제의 실제적 투명도, c 고온다습 조건에서 점착제와 접촉한 ITO 기판의 표면 저항값, d 표면저항 측정 기기