높은 신뢰성을 요구하는 PAS Tape 부착 공정에서 가압 조건 및 테이프 노출이 온 신뢰성에 미치는 영향에 관한 고찰

초록 (Abstract)

본 연구는 차량용 대면적 디스플레이의 조립 공정에서 발생하는 열시험 후 테이프 탈거(Delamination) 불량의 원인을 공학적으로 분석하였다. 일정 두께 및 미세 폭 사양의 PSA(감압성 점착제) 테이프를 적용한 모델을 대상으로 가압력(저가압 및 고가압 조건), 공정 온도, 가압 시간이 접착 성능에 미치는 상관관계를 고찰하였다. 특히, 공정에서 발생할 수 있는 테이프의 노출(Overhang) 구조가 디스플레이 대면적화에 따라 치명적인 박리 기점(Crack Initiation)으로 작용함을 증명하였다. 상온에서의 정적 박리 강도 평가에서는 가압 하중에 따른 유의차가 가려질 수 있으나, 열 환경의 열팽창 변위 저항성을 확보하기 위해서는 적정 수준 이상의 유효 단위 압착력 확보가 필수적임을 제안한다.

---

1. 서론 (Introduction)

차량용 인포테인먼트 디스플레이가 대면적화됨에 따라 고온 및 저온을 오가는 환경 신뢰성 시험(Thermal Shock Test) 시 부품 간의 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인한 내부 응력 제어가 주요 품질 과제로 대두되고 있다. 본 연구의 대상인 대면적 디스플레이 조립 공정에서 기존의 가압력을 적용할 때 열충격 후 디스플레이가 떨어지는 불량이 발생하였다. 가압력을 상향하여 증압 조건을 적용했을 때 개선 효과가 확인되었으나, 타 모델과 유사한 수준의 테이프 외곽 노출 조건임에도 불구하고 왜 유독 대면적 모델에서 신뢰성 불량이 집중되는지, 그리고 상온 평가 시에는 왜 두 조건의 차이가 미미한지에 대한 메커니즘적 규명이 필요하다.

---

2. 본론 (Main Body)

2.1 가압력, 시간, 온도의 상관관계 및 점탄성 거동

PSA(Pressure Sensitive Adhesive) 테이프의 접착 품질은 가압력, 공정 온도, 가압 시간의 복합적인 함수 관계를 따르며, 다음과 같은 점탄성 거동 모델로 표현할 수 있다.

 

점착제는 유동성과 탄성을 동시에 지니므로, 온도가 상승하면 점도가 낮아져 피착면의 미세 요철을 채우는 속도가 빨라진다. 가압력(P)은 테이프와 피착면 사이의 미세 공극(Air Gap)을 제거하는 동력원이다. 저가압 하중 조건은 상온에서 점착제가 충분히 흐를 수 있는 유동성을 제공하지 못해 실질 접착 면적(Wetting Area) 확보에 한계를 유발하는 반면, 고가압 하중 조건은 기계적 강제 밀착을 통해 유효 접착 면적을 극대화한다.

2.2 테이프 측면 노출(Overhang) 및 터널링 현상 메커니즘

설계 공차 또는 조립 오차로 인해 테이프 에지(Edge)가 외곽으로 노출되면 다음과 같은 신뢰성 저하 경로를 밟는다.

1. 지렛대 효과와 박리 응력(Peel Stress): 점착제는 전단 응력(Shear Stress)에는 강하나 수직 방향으로 들어 올리는 박리 응력에 취약하다. 외곽으로 노출된 영역은 외부 응력 발생 시 모멘트 암(Moment Arm) 역할을 하여 경계면에 박리 응력을 집중시킨다.
2. 터널링(Tunneling) 현상: 미압착 노출면을 통해 공기 중의 수분 및 이물이 침투하며, 열충격 시험의 고온 구간에서 내부 기포가 팽창하여 점착 영역 안쪽으로 파고드는 터널링 현상을 가속화한다.

2.3 상온 정적 점착력과 고온 동적 신뢰성의 괴리

상온(Room Temperature) 평가 시 저가압과 고가압 조건의 초기 박리 강도가 유사하게 측정되는 이유는 점착제의 '임계 젖음성(Critical Wetting)' 특성 때문이다. 상온에서 PSA가 단단한 상태일 때는 일정 압력 이상에서 거시적인 표면 접촉 수치가 포화 상태에 이른다.

그러나 열충격 환경(Delta T)에서는 제품의 절대 길이(L)에 비례하여 다음과 같이 열팽창 변위(Delta L)가 발생한다.

 

 

소형 모델에서는 절대 길이(L)가 작아 변위 \Delta L이 미미하므로 낮은 결합력으로도 버틸 수 있었으나, 대면적 모델에서는 변위량이 임계치를 초과하여 미세 공극이 많던 저가압 조건의 경계면이 먼저 파괴되는 결과를 초래한다.

2.4 대면적 사양 기반 수리적 하중 해석

디스플레이의 외곽 테두리 총 길이를 L_{\text{total}}, 테이프 폭을 W_{\text{tape}}, 외곽 노출 폭을 W_{\text{overhang}}이라 할 때, 실질 유효 접착 면적(A)은 다음과 같이 정의된다.

 

 

차량용 디스플레이의 가혹 신뢰성을 만족하기 위한 PSA의 표준 요구 단위 압력을 P_{\text{req}}라 할 때, 저가압 하중(F_{\text{low}})과 고가압 하중(F_{\text{high}}) 인가 시의 유효 단위 압력 비교는 다음과 같다.

• 저가압 하중 인가 시 유효 압력 (P_eff1):

 

• 고가압 하중 인가 시 유효 압력 (P_eff2):

두꺼운 테이프의 높은 탄성 복원력을 극복하고 외곽 에지 부위까지 확실하게 앵커링(Anchoring)하기 위해서는 총 접착 면적의 감소분을 보상할 수 있는 고가압 하중 설계가 타당함을 수학적으로 증명한다.

---

3. 결론 및 제언 (Conclusion)

본 연구를 통해 대면적 디스플레이 의 열환경 탈거 불량은 '제품 대면적화에 따른 열팽창 변위 증가'와 '테이프 에지 노출 구조'가 '상대적으로 낮은 조립 하중'과 결합하여 발생한 복합적 불량임을 확인하였다. 이에 따라 향후 개선 방향으로 다음 세 가지를 제언한다.

1. 양산 공정 조건 변경: 조립 가압력을 기존 기준 하중에서 신뢰성 확보가 가능한 고가압 조건으로 상향 관리하되, 지그(Jig)의 평탄도를 상시 점검하여 압력 불균형을 방지해야 한다. 또한 조립 공정 온도를 가온하는 'Warm Bonding' 공정을 도입하면 점착제 유동성이 확보되어 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.
2. 구조 설계 보완 (Inset 설계): 외곽 테이프 노출 구조는 신뢰성 취약 인자이므로, 장기적으로 테이프 사양을 실제 부착면보다 안쪽으로 배치하는 인셋(Inset) 구조로 변경하여 박리 기점을 근본적으로 제거해야 한다.
3. 한계 모니터링: 가압력을 증압할 시 발생할 수 있는 내부 기구물의 물리적 변형 및 액정 눌림으로 인한 화면 얼룩(Mura), 빛샘 불량 여부를 양산 라인에서 병행 검증하여 최적의 공정 마진을 수립해야 한다.