In recent years, as demand for flexible and wearable products in the electronics and bio industries has increased, products required a higher level of mechanical deformation. The systematic research about the deformation amount and deformation shape of the flexible and soft substrate depending on external factors becomes important to analyze, predict, and control the mechanical deformation. Mechanical deformations include bending, tension, compression, and twisting. Among them, bending deformation is the most typical deformation occurring in a flexible and wearable product. In this thesis, we observed bending deformation caused by environmental factors such as temperature and pH of dissimilar materials and investigate the deformation mechanism through theoretical approach and finite element method (FEM) simulation. A polymer packaging substrate that is thinned to obtain flexibility can be easily deformed due to residual stresses of deposited film and difference of the coefficient of thermal expansion between layers and substrate. During the manufacturing process, the initial room temperature warpage was rotated by the high temperature process. It was verified that the stress relaxation at the polymeric substrate due to the viscoelasticity was the main factor of the warpage orientation change by measuring the material properties and using the FEM simulation. The self-bending phenomenon of bilayed pH sensitive soft hydrogel with the different swelling ratio was verified through experiments and theories and FEM simulation. In order to observe the change of self-bending behavior, external geometric parameters such as thickness ratio and aspect ratio of double layer were controlled. The geometric parameters as well as intrinsic properties, including the elastic modulus and the swelling ratio, determine the final shape of the self-bending deformation of the hydrogel substrate. Soft and flexible substrate such as polymeric packaging substrate and hydrogel was systematically analyzed by measuring material properties and controlling parameters with experiment and FEM simulation.
최근 전자, 바이오 산업에서 플렉시블, 웨어러블 제품의 수요가 증가함에 따라 제품에 기존보다 더 높은 수준의 기계적인 변형을 요구하게 되었다. 이에 따라 제품에 쓰이는 유연, 연성 기판의 외부적 변수에 따른 변형량, 변형 형태를 분석하고 예측하고 더 나아가 조절하는 것이 중요해지고 있다. 기계적 변형에는 굽힘, 인장, 압축, 비틀림 등이 있는데 그 중에서도 굽힘 변형은 플렉시블, 웨어러블 제품에서 일어나는 가장 대표적인 변형이다. 본 학위 논문에서는 온도와 pH등 환경적 요인에 의해 생기는 굽힘 변형을 관찰하고 이론적인 접근과 유한 요소 시뮬레이션을 통하여 변형 메커니즘을 규명한다. 유연성을 얻기 위해 얇아진 패키징 기판은 기판 위에 증착되는 필름 층의 잔류응력과 물성 차이로 인해 휨이 생기게 된다. 이때 생긴 초기 상온 휨은 고온 공정을 거치면서 휨 방향이 돌아가게 된다. 휨 방향 변화의 주요 인자는 폴리머 기판의 점탄성 물성으로 인한 응력 완화임을 점탄성 물성 측정과 유한 요소 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 또한 pH 수치에 따른 연성 하이드로젤 기판의 흡습도 차이를 이용한 이중층 구조의 자기 굽힘 (self-bending) 현상을 실험과 이론 그리고 FEM 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 디자인 변수에 따른 자기 굽힘 현상 변화를 관찰하기 위해 이중층의 두께 비율과 세장비 같은 외부적인 기하학적 변수를 조절하였고 기하학적 변수와 함께 탄성 계수 및 팽창비와 같은 물질 고유 특성이 하이드로젤 기판의 자기 굽힘 변형의 최종 형상이 결정된다는 것을 확인하였다. 패키징 기판과 하이드로젤 기판과 같은 유연, 연성 기판의 굽힘 변형을 물성 측정과 변수를 조절하여 굽힘 변형을 관찰하여 따른 굽힘 변형의 원리를 규명하였다.
