레올로지를 활용하여 전자 부품 디스펜싱 및 유동을 최적화하고 처리량 증대

디스펜싱과 유동성은 다양한 전자제품 제조 공정 및 소재에 있어 중요합니다. 솔더 페이스트와 접착제의 정밀 도포부터 유연 전자 소자 및 적층 제조 방식의 새로운 기술 개발에 이르기까지, 유변학은 공정성, 제품 품질 및 제조 일관성을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 합니다.

유변학은 힘이 가해질 때 발생하는 변형과 흐름을 연구하는 학문으로, 전자제품 제조 공정을 최적화하는 데 있어 매우 중요합니다. 유변학은 다음과 같은 다양한 전자 분야 응용 사례에서 중요한 질문들에 대한 해답을 제시합니다.

• 보관 중 솔더 페이스트는 어떤 변화를 겪으며, 그 유통기한은 어떻게 예측할 수 있습니까?
• 잉크젯으로 인쇄하는 전자 회로의 이상적인 점도는 얼마입니까?
• 박막이나 에폭시가 건조 또는 경화되기 전에 형태를 유지할까요, 아니면 흘러내릴까요?
• 사용하려는 재료가 주사기에서 원활하게 흐를까요, 아니면 막힐까요?

이러한 거동은 전단(shear)에 의존하는데 , 이는 혼합, 토출, 보관 또는 경화 과정에서 재료가 받는 힘에 따라 재료의 점도(유동에 대한 저항)가 변한다는 것을 의미합니다. 따라서 이러한 재료는 넓은 범위의 전단 속도에서 평가되어야 하는데, 이는 점도계가 아닌 레오 미터(rheometer )를 통해서만 가능합니다. 레오미터는 또한 장기 거동을 예측하기 위해 시간 의존성 재료의 항복 응력을 측정할 수 있습니다.

전 세계 연구자와 제조업체들은 전자 소재의 디스펜싱 및 유동 특성을 연구하기 위해 Waters 레오미터를 사용합니다. 아래 섹션에서 소개하는 네 편의 논문을 통해, 유변학(rheology)이 어떻게 소재와 공정을 개선했는지 확인해 보십시오.

솔더 페이스트는 전자제품의 대량 생산을 효율화하지만, 세심한 취급과 보관이 필요한 반응성 혼합물입니다. 솔더 페이스트의 분말과 플럭스 성분은 “혼합 직후 화학 반응을 시작”하므로 ^, 솔더 페이스트는 제조, 운송, 보관 및 사용 전 과정에 걸쳐 온도와 습도의 영향을 받으며 지속적으로 변화합니다. 전단 속도와 변형을 제어하는 레오미터(rheometer)의 기능은 토크 감도와 결합되어, “솔더 페이스트의 변화를 정량화하는 가장 효과적인 방법 중 하나”로 꼽힙니다.

솔더 페이스트 제조업체인 Kester Inc.의 연구진은 Discovery Hybrid Rheometer를 사용하여 솔더 페이스트의 유통기한과 물성을 연구했습니다 ^. 이들은 여러 가지 유변학적 시험법을 활용한 가속 유통기한 예측 방법을 개발했으며, 보관 온도와 보관 기간 중 최종 사용 시점의 점도에 더 큰 영향을 미치는 요인은 보관 온도임을 확인했습니다.

잉크젯 인쇄는 유연 및 웨어러블 전자기기를 포함한 인쇄 전자 기술을 구현하는 핵심 기술입니다. 케임브리지 대학교, 장난(Jiangnan) 대학교, 밀라노 공과대학교의 연구진은 직물 위에 잉크젯 방식으로 인쇄 가능한 유연하고 세탁 가능한 전계 효과 트랜지스터(FET)를 제작하여, 전자 회로 전체를 잉크젯 방식으로 인쇄할 수 있게 했습니다. 연구진 ^은 ‘Discovery Hybrid Rheometer’를 사용하여 두 가지 잉크 조성물의 전단 속도에 따른 점도를 측정했으며, 이를 통해 최적의 잉크젯 인쇄를 위한 역 오네소르게 수(inverse Ohnesorge number, Z) 범위와 같은 인쇄 적합성 지표를 산출했습니다.

또 다른 연구에서는 비접촉식 마이크로젯 프린팅 기술을 활용해 개인 맞춤형 뇌파 측정용 전자 문신(e-tattoo)을 제작했습니다. 텍사스 대학교와 UCLA의 ^연구진 은 저점도 생체 적합성 잉크를 개발했는데, 이 잉크를 두피에 분사하면 “스스로 건조되어 부드럽고 신축성이 있으며 전도성을 띤 박막”이 형성됩니다. 그들은 Discovery Hybrid Rheometer 30을 이용한 점도 측정을 통해, 해당 잉크의 조절 가능한 점도와 전단 박화(shear thinning) 특성이 안정적인 마이크로젯 프린팅을 가능하게 한다는 점을 확인했습니다.

적층 제조는(AM) 웨어러블 기기, 소프트 로봇, 맞춤형 에너지 저장 장치를 포함한 복잡한 전자 구조물을 인쇄하기 위해 점점 더 많이 활용되는 기술입니다. 앨버타 대학교 연구진은 수성 잉크를 사용하여 정전용량형 압력 센서를 직접 잉크 쓰기(적층 제조의 일종) 방식으로 제작하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 ARES 레오미터를 활용하여 해당 잉크 배합이 바람직한 전단 박화(shear thinning) 특성을 보인다는 점을 확인했습니다. ^즉 , 잉크가 좁은 주사기 내부를 통과할 때는 자유롭게 흐르다가 기판 위에 토출된 후에는 더 높은 점도를 유지하는 특성입니다. 또한 잉크의 전단 박화(shear thinning) 특성 덕분에 압출에 필요한 압력이 줄어들어, “미세 노즐을 통한 원활한 압출이 가능해지고 결과적으로 연속적인 패턴을 형성할 수 있게 됩니다.”

위의 기사들에서 입증된 바와 같이, 전자 제품의 제조와 설계는 유변학을 통해 가능해집니다. 보관 수명에서부터 디스펜싱 및 건조에 이르기까지, 전자제품 제조의 각 단계는 유변학적 특성의 영향을 받습니다. 이러한 특성을 정량화하는 것은 더 효율적인 공정과 혁신적인 제품을 설계하기 위한 첫걸음입니다.

유변학이 너무 복잡하거나 귀하의 실험실과는 무관하다고 생각하신다면, 다시 한번 생각해 보십시오. 선도적인 전자공학 연구소들은 이미 소재 배합, 공정 조건, 그리고 유통기한 예측과 관련하여 합리적인 의사결정을 내리기 위해 유변학을 적극적으로 도입하고 있습니다. ‘레올로지에 관한 5가지 오해 해소’ 블로그 글을 통해, 레올로지가 왜 모든 수준의 사용자에게 유용하고 쉽게 접근할 수 있는 분야인지 알아보세요.