Fig. 1은 롤투롤 장비 개략도를 나타낸다. 롤투롤 시스템에서 이송되는 소재는 장력을 인가 받는다. 소재의 인가된 장력은 수학적 장력모델에서 소재 폭 방향으로 일정하다고 가정된다.⁸ 하지만 실제로 장력은 소재 폭 방향으로 중앙에서 최대, 양 끝단에서 최소로 나타난다.⁹ 장력이 증가할수록 중앙과 양 끝단에서 장력 편차는 가중되기 때문에 장력 편차를 최소화하기 위해서는 저장력 범위에서 소재를 이송해야 한다. 하지만 생산성을 높이기 위한 고속 이송조건에서는 장력 수준을 높이는 것이 필요하다. 왜냐하면 저장력-고속 이송조건에서는 소재와 롤 사이 공기층이 유입되어 미끌림(Slip) 발생 및 감김 공정에서는 소재와 감김롤 층간 공기가 유입되면 텔레스코핑(Telescoping) 등의 결함이 발생되기 때문이다.^10-13 이러한 결함은 소재에 인가된 장력을 높임으로써 발생 빈도를 감소시킬 수 있다. 따라서 롤투롤 공정에서 장력제어는 중요한 이슈 중 하나이다.

Fig. 1 
The schematic of roll-to-roll continuous systems: (a) Unwinder, (b), (j) EPC, (c), (h), (n) Dancer, (d), (g), (i), (m) Load cell, (e), (k) Nip roll, (f) Driven roll, (j) Master speed, (o) Rewinder

Fig. 2는 고착 액적의 개략도를 나타낸다. 식(1)은 영의 방정식(Young’s Equation)으로, 접촉각과 표면 에너지에 대한 상관관계를 나타낸다.

Fig. 2 
The schematic of sessile droplet in Young’s equation

γ_SG는 고체-기체간의 계면 에너지, γ_SL은 고체-액체간의 계면 에너지, γ_LG는 액체-기체간의 계면 에너지를 각각 나타낸다. θ_C는 평형 접촉각(Equilibrium Contact Angle)으로 소재의 표면 에너지에 대한 정보가 주어지면 영의 방정식을 통해 이론적으로 계산 가능하다.

앞서 언급된 Lee⁶ 등의 연구에 의해 소재에 인가된 장력이 소재 표면 거칠기에 영향을 미친다는 것을 확인했다. 식(2)는 후크의 법칙(Hooke’s Law)을 나타내고, 후크의 법칙을 통해 장력이 인가된 플렉시블 소재는 연신됨을 알 수 있다.

T는 장력, A는 소재의 단면적, E는 소재의 탄성계수, ε은 연신률을 나타낸다.

장력에 의해 연신된 소재는 표면 상태 변화로 인하여 표면 에너지가 변하게 된다. 변화된 표면 에너지는 고착 액적의 접촉각 형성에 영향을 미치게 된다. Fig. 3은 소재 인가된 장력이 3 kgf, 5 kgf, 7 kgf일 경우의 고착 액적의 형상이다. 본 연구에서는 소재에 인가된 장력의 변화가 고착 액적의 접촉각 형성에 미치는 영향을 실험적으로 검증한다.

Fig. 3 
The images of sessile droplet according to tension levels: (a) 3 kgf, (b) 5 kgf, (c) 7 kgf

Good⁷ 등에 의해 액적의 크기에 따른 고착 액적의 접촉각 변화가 확인되었다. 액적의 부피가 클수록 중력의 영향을 받는 액적의 면적이 증가 한다. 따라서 액적의 크기가 증가할수록 크기가 작은 액적에 비해 형상이 퍼지는 경향을 나타난다. 그 결과로 고착 액적의 접촉각 형성에 중력이 중요 변수로 작용함을 알 수 있다. 액적의 분사 높이가 높을수록 액적이 소재에 고착되기까지 걸리는 체공시간이 증가하기 때문에 분사 높이는 접촉각 형성에 영향을 미치게 됨을 알 수 있다. 본 연구에서는 분사 실험을 통해 액적의 분사 높이가 접촉각 형성에 미치는 영향을 확인한다. Fig. 4는 일정 장력 조건에서 분사 높이에 따른 고착 액적의 형상을 나타낸다.

Fig. 4 
The images of sessile droplet according to drop height levels (a) 1 mm, (b) 25 mm

Fig. 5는 실험 장비의 구성도를 나타낸다. 플렉시블 소재로 Polyethylene Terephthalate (PET) 필름을 사용하였고, 액적은 상온의 물을 사용하였다. 물은 수소 결합(Hydrogen Bond)에 의해 다른 액체 물질에 비해 분자간의 응집력이 강하다. 따라서 물은 다른 물질과 접촉하여도 물 분자간에 응집이 강해 접촉각 측정에 용이한 특성을 가진다.

Fig. 5 
Experimental setup of the equipment in roll-to-roll systems

일정량의 액적을 분사하기 위해 마이크로 피펫을 사용하였다. 마이크로 피펫의 사용 범위는 20 - 200 μL이며, 50 μL의 사용범위에서 오차범위는 0.44% 이하이고, 변동계수(Coefficient of Variation)는 0.14% 이하의 성능을 갖는다. 실험에서는 100 μL의 분사조건을 사용하였다. Fig. 6은 액적의 분사 위치를 나타낸다. 고착 액적의 접촉각 형성에 장력의 영향을 확인하기 위하여 장력이 최대로 인가되는 소재 중앙부에 액적을 분사하여 접촉각을 측정하였다.

Fig. 6 
The position of droplet on the flexible substrate

고착 액적의 접촉각 측정은 공개 영상 분석 소프트웨어인 ImageJ의 Drop_Analysis를 사용하였다. Drop_Analysis에서는 Drop Snake와 LBADSA 두 가지의 접촉각 측정 방식을 제공한다. LBADSA 법은 Young-Laplace 곡선을 고착 액적 형상에 맞추어 접촉각을 측정하게 된다. 이 방법은 30° 미만의 접촉각에서는 Young-Laplace 곡선이 얻어 지지 않는 단점이 있으나, 좌우 접촉각이 같고 Drop Snake 방식보다 안정적인 장점이 있기 때문에 본 연구에서는 접촉각 측정을 위하여 LBADSA 법을 사용하였다.

Table 1은 접촉각 측정 결과와 분사 높이에 따른 접촉각 형성의 경향을 나타내고, Table 2는 장력에 따른 접촉각 형성의 경향을 나타낸다. 실험은 각 조건 별 10번 수행하였으며, 10개의 실험 데이터 중 최대, 최소 접촉각을 제외한 8개 데이터의 평균값을 사용하였다.

접촉각은 10 mm의 분사 높이에서 장력이 3 kgf일 경우 64.75°, 장력이 5 kgf일 경우 63.57°, 장력이 7 kgf일 경우 62.68°로 측정되었고, 25 mm의 분사 높이에서 장력이 3 kgf일 경우 53.26°, 장력이 5 kgf일 경우 53.00°, 장력이 7 kgf일 경우 52.61°로 측정되었다.

Fig. 7은 장력, 분사 높이에 따른 고착 액적의 접촉각을 나타낸다. Tables 1과 2 및 Fig. 7을 통해 접촉각 형성의 경향을 파악 할 수 있다. 모든 경우에서 분사 높이의 증가는 접촉각 감소를 야기하고, 장력이 증가할수록 평균 접촉각은 감소하는 경향을 나타지만 부분적으로 접촉각 변화가 없거나 접촉각이 증가하는 경우가 발생한다. 따라서 장력의 변화에 의해 형성되는 고착 액적의 접촉각은 분사 높이에 의해 형성되는 접촉각에 비해 외부요인에 민감하게 반응함을 알 수 있다.

Fig. 7 
The contact angle of sessile droplet according to tension and drop height