KR101258073B1 - 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 박막을 그립핑하지 않고 필 테스트를 수행할 수 있도록 기판 전체 두께에 걸쳐 균열을 유도하는, 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치를 제공함에 있다. 또한 본 발명의 목적은, 특히 연질 박막과 경질 기판이 조합된 구조물에서 최적으로 적용될 수 있는, 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치는, 기판(520) 상부에 박막(510)이 증착된 형태로 형성되는 시험물(500)에 대하여, 계면 접착력을 측정하기 위하여 상기 박막(510)과 상기 기판(520)을 분리시키는 계면 분리 장치(100)에 있어서, 상기 계면 분리 장치(100)는 로드 셀(111)이 구비되는 고정단(110); 및 변위 측정 수단(121)이 구비되는 이동단(120);을 포함하여 이루어지며, 상기 기판(520)에 균열이 형성되도록 한 후, 균열된 상기 기판(520)의 일측을 상기 고정단(110)에 수평하게 고정시키고, 균열된 상기 기판(520)의 타측을 상기 이동단(120)에 수평하게 고정시키며, 상기 이동단(120)을 수직 방향으로 이동시켜 상기 로드 셀(111)에서 측정되는 하중 값 및 상기 변위 측정 수단(121)에서 측정되는 수직 이송 변위 값을 사용하여 상기 박막(510) 및 상기 기판(520) 간의 계면 접착력을 측정하는 것을 특징으로 하며, 상기 시험물(500)은 틈새가 형성된 압축 다이 상에 수평하게 올려놓은 후 상기 시험물(500) 면적 전체에 걸쳐 압축 하중을 가함으로써 상기 기판(520)의 상기 틈새 위치에 균열이 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치 {Interfacial delaminating apparatus by introducing a substrate through-thickness crack}
본 발명은 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치에 관한 것이다.
박막형 태양 전지와 같이 다층막이 적층되는 구조물의 경우 계면의 접착 성능이 전체 소자의 신뢰성을 지배하는 경우가 많다. 따라서 계면 접착력을 측정하고자 하는 수요가 점차 증가하고 있어, 계면을 박리시키기 위하여 다양한 하중을 인가하는 시험 기법들이 개발되었다. 특히 종래에 스카치 테이프 등과 같은 접착 테이프를 이용한 필 테스트(peel-off test)나, 경질 탐침을 이용하는 스크래치 시험법(scratch test)이 많이 사용되어 왔다. 그런데 이러한 방법들은 시험이 용이하다는 장점 때문에 많이 사용되기는 하였으나 단지 정성적인 특성을 파악할 수 있는 정도에 그칠 뿐 정량적인 계면 접착력의 측정을 할 수는 없는 한계가 있었다. 이에 따라 정량적으로 계면 접착력을 측정할 수 있도록 하기 위한 여러 시험법들이 개발되고 있다.
계면 접착력을 측정하기 위한 시험법들 중에는 풀 테스트(pull test), 필 테스트(peel test), 4접 굽힘(four-point bending)을 통한 균열 성장 방법 등이 있다. 풀 테스트(pull test)는, 일정 면적의 막대(stud)를 접착제(adhesive)로 박막 표면에 고정하고, 막대를 수직으로 잡아당김으로써 계면 접착력을 측정하도록 하고 있다. 필 테스트(peel test)는, 접착 테이프로 박막을 뜯거나 혹은 기판으로부터 일부 박리된 박막 자체를 잡아당겨서 계면을 분리시키면서 계면 접착력을 측정하는 것으로, 계면에 직접 분리하중을 인가하는 방법이다. 4점 굽힘을 이용한 균열 성장 방법이란, 박막에 균열을 형성시킨 후 4점 굽힘하여 안정적으로 균열을 성장시키는 것으로, 균열의 성장 특성을 이용하여 계면 접착력을 측정할 수 있다. 그런데 앞서 설명한 이러한 방법들의 경우, 그러나 박막의 강성이 충분히 확보되지 않거나 유연할 경우 계면 박리를 유발할 수 없다는 문제점을 공통적으로 가지고 있었다. 이와 달리 압입(indentation)이나 스크래치(scratch) 시험법은 박막과 접촉을 이루는 경질 탐침 앞단에 압축 응력의 축적을 일으켜 계면을 분리하는 방법이며, 이는 응력의 축적이 용이한 경질 박막에 주로 적용할 수 있다.
경질 탐침을 이용하거나 4점 굽힘을 이용하는 방법 모두 경질 박막에 용이하게 적용될 수 있는 방법인 반면, 연질 박막의 경우 이러한 종래의 방법들을 적용함에 있어서 여러 한계를 가지고 있다. 풀 테스트의 경우, 접착제가 계면을 박리시킬 수준의 높은 접착 강도를 갖고 있어야 하며, 접착제가 계면으로 침투하여 계면 특성을 변화시키지 않아야 한다는 전제 조건을 가지고 있어, 적용 가능 대상이 한정적이라는 문제가 있다. 필 테스트 역시 여러 한계를 가지고 있는데, 이하에서 이에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 필 테스트 시스템을 도시한 것이다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 필 테스트 장치는 기판(substrate)에 부착된 박막(thin film)을 그립핑하여 뜯어내되, 여기에 로드 셀(load cell)을 구비시켜 계면 접착력을 측정하도록 되어 있다. 보다 상세히 설명하자면, 필 테스트의 경우, 공정 중에 박막을 그립핑(gripping)할 목적으로 일부분을 기판으로 박리시켜 두게 되고, 이 박리된 부분을 고정하여 수직으로 하중을 가하여 박막을 뜯어내게 된다.
즉 도 1에서 도시되어 있는 바와 같이 종래의 필 테스트에서는 박막을 일부 뜯어 놓고 이를 붙잡아 수직으로 당긴 상태로 점차로 더 잡아당겨 박막을 계속 뜯어내게 되는데, 이 때 박막이 충분한 강도를 갖고 있지 못할 경우 특히 그립핑 부위나 그 외의 하중이 가해지는 여러 영역에서 박막이 변형될 우려가 매우 큰 문제가 있다. 뿐만 아니라 박막의 강도가 충분하지 못할 때 박막의 파괴가 계면 박리보다 먼저 발생하게 될 위험성, 즉 박막이 뜯어지기 전에 찢어져 버릴 위험성이 매우 크다. 실제로 이러한 문제 때문에 실험을 여러 번 반복해야 하는 문제가 있으며, 이에 따라 실험에 드는 비용 또한 상승하는 부가적인 문제도 있었던 것이 사실이다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 박막을 그립핑하지 않고 필 테스트를 수행할 수 있도록 기판 전체 두께에 걸쳐 균열을 유도하는, 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치를 제공함에 있다. 또한 본 발명의 목적은, 특히 연질 박막과 경질 기판이 조합된 구조물에서 최적으로 적용될 수 있는, 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치는, 기판(520) 상부에 박막(510)이 증착된 형태로 형성되는 시험물(500)에 대하여, 계면 접착력을 측정하기 위하여 상기 박막(510)과 상기 기판(520)을 분리시키는 계면 분리 장치(100)에 있어서, 상기 계면 분리 장치(100)는 로드 셀(111)이 구비되는 고정단(110); 및 변위 측정 수단(121)이 구비되는 이동단(120);을 포함하여 이루어지며, 상기 기판(520)에 균열이 형성되도록 한 후, 균열된 상기 기판(520)의 일측을 상기 고정단(110)에 수평하게 고정시키고, 균열된 상기 기판(520)의 타측을 상기 이동단(120)에 수평하게 고정시키며, 상기 이동단(120)을 수직 방향으로 이동시켜 상기 로드 셀(111)에서 측정되는 하중 값 및 상기 변위 측정 수단(121)에서 측정되는 수직 이송 변위 값을 사용하여 상기 박막(510) 및 상기 기판(520) 간의 계면 접착력을 측정하는 것을 특징으로 하며, 상기 시험물(500)은 틈새가 형성된 압축 다이 상에 수평하게 올려놓은 후 상기 시험물(500) 면적 전체에 걸쳐 압축 하중을 가함으로써 상기 기판(520)의 상기 틈새 위치에 균열이 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시험물(500)은 상기 기판(520) 두께 전체에 걸쳐 균열이 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시험물(500)은 상기 박막(510)은 연질 박막이며, 상기 기판(520)은 경질 기판인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 종래 필 테스트 장치에서 박막 그립핑 시 박막이 손상되는 문제나 계면 분리가 잘 이루어지지 않던 문제를 극복하고, 기판을 포함하는 박막전체를 핸들링하기 때문에 안정적으로 계면 분리를 유발할 수 있으며, 정량적인 계면 접착력의 평가가 가능하다는 큰 효과가 있다.
특히 본 발명은 스크래치 방법 등이 적용될 수 없는 다양한 연질 박막에 적용할 수 있으며, 정량적인 계면 접착력 데이터의 제공이 가능한 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면, 필 테스트나 접착 테이프 테스트 등의 종래 방법들에 비해 소규모(sub 10 mm)의 시험편에 적용할 수 있다. 뿐만 아니라 본 발명은, 종래의 필 테스트와 같은 그립핑 목적의 예비 균열을 도입한 특수 시험편 제작 없이 굽힘이 가능한 길쭉한 박막 시험편만 있으면 시험이 가능하다.
또한 본 발명은 종래의 세라믹 파괴 인성 측정 등을 목적으로 개발되어 안정화된 틈새 균열 성장 방법을 기판 균열 유발방법으로 활용하기 때문에 실험의 성공도를 높일 수 있다는 장점이 있다. 더불어 틈새 균열 성장을 통해 기판 전체 두께에 균열을 도입하기 때문에 균열과 접하는 박막의 경우 기판에서 탈착된 자유 박막 상태가 존재하며, 따라서 자유 박막에 대한 다양한 시험 적용이 가능할 수 있다.
도 1은 종래의 필 테스트 시스템 및 계면 박리 현상.
도 2는 본 발명에 의한, 틈새 굽힘을 통한 기판 균열 유도 및 개선된 필 테스트 계면 박리 현상.
도 3은 수직 이송 변위 및 계면 분리 시 측정된 하중 간의 관계 곡선의 실제 결과의 한 예시.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
상술한 바와 같이 종래의 필 테스트 또는 접착 테이프 테스트의 경우 계면 분리 하중이 간접적으로 인가되게 되었으며, 따라서 계면 접착력을 정확하게 정량적으로 측정하는 데 어려움이 있었다. 뿐만 아니라 박막을 직접 그립핑하거나 접착시켜서 뜯어내는 방식으로 계면 분리를 수행하였기 때문에 박막이 찢어지거나 변형됨으로써 손상이 일어나 시험을 제대로 진행할 수 없게 되는 문제가 자주 발생하였다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해소하기 위하여, 박막에 계면 분리 하중을 직접적으로 인가시키는 계면 분리 장치를 제시한다.
도 2는 본 발명에 의한, 틈새 굽힘을 통한 기판 균열 유도 및 개선된 필 테스트 계면 박리 현상을 도시한 것이다. 본 발명의 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치(100)는, 기본적으로는 물론 기판(520) 상부에 박막(510)이 증착된 형태로 형성되는 시험물(500)에 대하여, 계면 접착력을 측정하기 위하여 상기 박막(510)과 상기 기판(520)을 분리시키는 기능을 수행한다. 이 때, 본 발명의 계면 분리 장치(100)는 도 2(B)에 도시된 바와 같이, 로드 셀(111)이 구비되는 고정단(110); 및 변위 측정 수단(121)이 구비되는 이동단(120);을 포함하여 이루어져서 상기 시험물(500)에 계면 분리 하중을 직접 인가할 수 있도록 한다.
보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명에 계면 분리 장치(100)에서는, 시험을 수행하기 전에 미리 상기 기판(520)에 균열이 형성되도록 한다. 도 2(A)에는 상기 시험물(500)의 상기 기판(520)에 균열이 형성되도록 하는 한 예시를 도시하고 있다. 도 2(A)에 도시된 바와 같이 상기 시험물(500)을 틈새가 형성된 압축 다이 상에 수평하게 올려놓은 후, 상기 시험물(500) 면적 전체에 걸쳐 압축 하중을 가함으로써, 상기 시험물(500)의 기판(520)에서는 상기 틈새 위치에 균열이 형성되게 된다. 이 때, 이하에 보다 상세히 설명하겠으나 본 발명의 계면 분리 장치(100)에서의 계면 접착력 시험을 보다 용이하게 수행할 수 있도록 하기 위해서는, 상기 시험물(500)은 상기 기판(520) 두께 전체에 걸쳐 균열이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 기반의 두께 전체에 걸쳐 균열을 유도하는 방법은, 세라믹 파괴 인성 측정 등을 목적으로 개발된 틈새 균열 유도 방법(bridge indentation)을 적용한 것이다. 즉 세라믹 파괴 인성 측정 분야에서 이러한 방법은 다양한 이론 및 실험적인 결과가 축적되어 있는 바, 이를 기판 균열 유도에 도입함으로써 안정적인 균열 발생을 수행할 수 있다. 일반적으로 상기 틈새는 200 ~ 500 ㎛ 정도의 폭을 가지도록 형성되는데, 물론 본 발명의 경우 상기 기판(520)의 재질 등의 특성에 따라 이 폭은 적절하게 결정될 수 있다.
이와 같이 상기 시험물(500)에 대하여 상기 기판(520)에 있어서 상기 기판(520) 두께 전체에 걸쳐 균열이 형성되면, 균열이 형성된 부분, 즉 균열부 첨단의 국소 박막 부분은 기판과 분리된 상태에 놓이게 된다. 이 상태에서, 균열된 상기 기판(520)의 일측을 상기 고정단(110)에 수평하게 고정시키고, 균열된 상기 기판(520)의 타측을 상기 이동단(120)에 수평하게 고정시킨다. 그리고 상기 이동단(120)을 수직 방향으로 이동시키면, 도 2(B)에 도시되어 있는 바와 같이 상기 이동단(120)이 상승함에 따라 상기 고정단(110)에 고정된 상기 기판(520) 일측에 부착되어 있던 상기 박막(510)이 분리되게 된다.
이 때 상기 고정단(110)에 구비되어 있는 상기 로드 셀(111)에서는, 상기 박막(510)이 당겨지면서 분리되는 과정에서 발생되는 하중이 측정된다. 또한 상기 이동단(120)에 구비되어 있는 상기 변위 측정 수단(121)에서는, 상기 이동단(120)의 수직 이송 변위, 즉 상승 높이 값을 측정하게 된다. 이와 같이 측정된, 즉 상기 로드 셀(111)에서 측정되는 하중 값 및 상기 변위 측정 수단(121)에서 측정되는 수직 이송 변위 값을 사용함으로써, 상기 박막(510) 및 상기 기판(520) 간의 계면 접착력을 정량적으로 측정할 수 있게 된다.
보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 상기 기판(520) 타측을 수직으로 들어올리게 되면 고정되어 있는 상기 기판(520) 일측에서는 상기 기판(520)과 상기 박막(510) 사이에 계면을 분리시키는 하중이 발생하게 된다. 즉 계면 분리 하중에 도달하는 순간 안정적인 균열의 성장 또한 발생하는 것이다. 이를 수직 이송 변위와 계면 분리 시 측정된 하중 간의 관계 곡선으로 얻게 되면, 이와 같이 구해진 시험 결과를 통해 상기 박막(510)과 상기 기판(520) 간의 계면 접착력의 정량적인 측정이 가능하게 되는 것이다.
도 3은 수직 이송 변위 및 계면 분리 시 측정된 하중 간의 관계 곡선의 실제 결과의 한 예시를 도시하고 있다. 이 때 가로축은 수직 이송 변위를, 세로축은 계면 분리 시 측정된 하중을 나타내고 있다. 도 3에 도시되어 있는 바와, 최대 하중에 도달하는 순간까지는 변위와 하중이 거의 비례하여 증가하다가(S1 영역), 최대 하중에 도달한 이후로는 변위 증가와 관계없이 하중이 안정적으로 거의 일정하게 나오게 된다(S2 영역). 즉 박막을 최초로 뜯어낼 때는 좀더 강한 힘이 필요하나, 안정화된 이후로는 거의 일정한 힘으로 박막과 기판의 계면 분리가 가능하며, 따라서 S2 영역에서의 측정값을 이용하여 계면 접착력의 용이한 산출이 가능함을 알 수 있다. 즉 이와 같이 측정된 곡선에 대하여, S2 영역에서 계면 분리에 소모되는 에너지(곡선의 하부 면적)을 광학적으로 측정된 박리 면적으로 나눔으로써 단위 계면 박리를 위해 필요한 에너지(J/m2)를 구할 수 있으며, 이로부터 매우 높은 정확도를 가지고 정량적으로 계면 접착력을 구할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명의 계면 분리 장치(100)를 사용하여 계면 분리 시험을 수행하면, 종래에 박막을 그립핑하거나 접착 테이프 등으로 따로 고정시키는 등의 장치가 전혀 필요하지 않을뿐더러, 그립핑 또는 접착 등의 고정 부위에서 박막이 변형되거나 손상되는 등의 문제가 전혀 발생하지 않는다. 따라서 본 발명의 계면 분리 장치(100)를 사용할 경우 시험 성공 확률이 종래에 비해 훨씬 높아지게 됨은 당연하다.
또한, 그립핑이나 접착 등이 필요하지 않고 단지 상기 기판(520)에 균열을 일으킨 후 일측 및 타측을 각각 상기 고정단(110) 및 상기 이동단(120)에 고정시키기만 하면 되기 때문에, 종래의 필 테스트나 접착 테이프 테스트 등에서 요구되던 시험물의 크기와 비교하여 본 발명의 계면 분리 장치(100)에서 요구되는 상기 시험물(100)의 크기는 훨씬 축소될 수 있다. 뿐만 아니라, 종래의 필 테스트 등의 경우에는 그립핑을 위하여 예비 균열을 도입한 특수 시험편을 제작했어야 하는 불편함이 있었으나, 본 발명의 경우 단지 틈새가 있는 압축 다이에 상기 시험물(500)을 올려놓고 압축 하중을 가해 줌으로써 상기 기판(520) 두께 전체에 걸쳐 균열을 발생시켜 주기만 하면 되므로, 상기 시험물(500)의 준비 과정이 훨씬 간편해져, 특수 시험편 제작에 드는 비용, 인력, 시간 등의 자원을 훨씬 절약할 수 있다.
특히 본 발명은 다양한 재질의 시험물(500)에 적용 가능하다. 상술한 바와 같이 필 테스트 등의 방법과 비교하였을 때, 박막이 찢어지는 등의 문제 때문에 종래의 방법에서는 어느 정도 강도가 있는 박막에 대해서만 적용이 가능하였다. 그러나 본 발명은 이러한 제한으로부터 훨씬 자유롭다. 반대로, 종래의 방법 중 스크래치 방법 등의 경우 연질 박막에는 적용될 수 없는 문제가 있었다. 그러나 본 발명은 연질 박막의 경우 최적이라 할 수 있을 만큼 용이하게 적용이 가능하다. 이와 같이 본 발명의 계면 분리 장치(100)는, 종래의 방법들에 비하여 시험 가능한 상기 박막(510) 및 상기 기판(520)의 재질적 한계를 훨씬 확장시킨다. 특히 본 발명의 계면 분리 장치(100)는, 금속 박막이 유리 기판에 증착된 것과 같은 형태의 시험물, 즉 상기 박막(510)은 연질 박막이며, 상기 기판(520)은 경질 기판인 시험물(500)에 적용할 때 가장 효과적이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 계면 분리 장치
110: 고정단
111: 로드 셀
120: 이동단
121: 변위 측정 수단
500: 시험물
510: 박막
520: 기판

Claims (3)

  1. 기판(520) 상부에 박막(510)이 증착된 형태로 형성되는 시험물(500)에 대하여, 계면 접착력을 측정하기 위하여 상기 박막(510)과 상기 기판(520)을 분리시키는 계면 분리 장치(100)에 있어서,
    상기 계면 분리 장치(100)는
    로드 셀(111)이 구비되는 고정단(110); 및 변위 측정 수단(121)이 구비되는 이동단(120);을 포함하여 이루어지며,
    상기 기판(520)에 균열이 형성되도록 한 후, 균열된 상기 기판(520)의 일측을 상기 고정단(110)에 수평하게 고정시키고, 균열된 상기 기판(520)의 타측을 상기 이동단(120)에 수평하게 고정시키며, 상기 이동단(120)을 수직 방향으로 이동시켜 상기 로드 셀(111)에서 측정되는 하중 값 및 상기 변위 측정 수단(121)에서 측정되는 수직 이송 변위 값을 사용하여 상기 박막(510) 및 상기 기판(520) 간의 계면 접착력을 측정하는 것을 특징으로 하며,
    상기 시험물(500)은
    틈새가 형성된 압축 다이 상에 수평하게 올려놓은 후 상기 시험물(500) 면적 전체에 걸쳐 압축 하중을 가함으로써 상기 기판(520)의 상기 틈새 위치에 균열이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 시험물(500)은
    상기 박막(510) - 상기 기판(520)이 상하로 순차적으로 적층된 형태로 형성되어, 압축 하중에 의하여 상기 기판(520) 두께 전체에 걸쳐 균열이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 시험물(500)은
    상기 박막(510) - 상기 기판(520)이 상하로 순차적으로 적층된 형태로 형성되되, 상기 박막(510)은 연질 박막이며, 상기 기판(520)은 경질 기판인 것을 특징으로 하는 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치.
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