플렉서블 디바이스용 은 나노와이어 투명 전도성 필름의 기계적, 열적 및 전기적 신뢰성 연구 Mechanical, Thermal and Electrical Reliability of Ag Nanowire Transparent Conductive Films for Flexible Devices원문보기
최근 전자 산업의 발전에 따라 평판 디스플레이에서 플렉서블과 같은 유연한 형태로 발전하고 있다. 현재 투명 전극 소재로 가장 많이 사용되고 있는 ITO는 세라믹 재료가 지니는 취성으로 인하여 유연 환경에서 균열이 발생하여 차세대 소재로 활용이 어려운 단점이 있다. ...
최근 전자 산업의 발전에 따라 평판 디스플레이에서 플렉서블과 같은 유연한 형태로 발전하고 있다. 현재 투명 전극 소재로 가장 많이 사용되고 있는 ITO는 세라믹 재료가 지니는 취성으로 인하여 유연 환경에서 균열이 발생하여 차세대 소재로 활용이 어려운 단점이 있다. 그래핀, 탄소나노 튜브, 메탈 매쉬, 전도성 폴리머 등의 대체물질들 중에서 은 나노와이어(Silver nanowire)는 낮은 면저항과 고투과도의 우수한 성능을 갖고 있고 유연성을 가질 수 있기 때문에 차세대 디스플레이, 태양전지 등 다양한 분야에서 적용 가능하다. 하지만 은 나노와이어가 기계적, 열적 환경에 노출되었을 때 변형 거동과 신뢰성에 관한 연구는 부족하다. 본 연구에서는 차세대 디스플레이를 위해 인장시험과 단순 접힘 시험을 넘어선 굴곡 반경이 변화하는 접힘 시험(Folding fatigue test), 비틀림 시험(Torsional fatigue test)과 같은 기계적 신뢰성 평가와 고온 열화 시험을 통한 신뢰성 평가를 진행하였다. 은 나노와이어가 인장 응력을 받았을 때 나노와이어 접점에서 발생한 접점분절(Junction failure)과 선 분절(Line failure)의 두 종류의 분절이 발생하는 것을 확인하였고, 분절의 개수를 측정하여 분절이 저항변화에 미치는 영향을 정량화 하였다. 또한 은 나노와이어의 밀도가 낮아 면저항이 큰 시편에서는 면저항이 작은 시편과는 다르게 접점에서의 균열 형태의 분절이 아닌 나노와이어가 완전히 분리된 분절이 발생 한 것을 확인하였다. 이는 나노와이어의 밀도가 작아져 같은 응력을 받았을 때 접점에서 집중되는 응력이 더 크기 때문이라고 판단된다. 접힘 피로 시험에서는 저항이 감소하였고, 이는 미세구조 관찰 결과 반복 피로 응력에 의한 기계적 접합(Mechanical welding)의 발생으로 인한 것을 확인하였다. 따라서 면저항이 큰 시편은 접점이 상대적으로 작기 때문에 저항 변화가 거의 없었다. 또한 접힘 반경이 증가할수록 기계적 접합이 증가하여 저항 감소율이 커졌고, 가장 큰 접힘 반경 변화율에서는 저항이 증가하는 경향을 보였다. 미세구조 관찰결과 이것은 반복 응력으로 인한 분절이 발생으로 인한 것임을 확인하였다. 비틀림 시험에서는 인장 응력과 마찬가지로 두 종류의 분절이 발생한 것을 확인하였다. 비틀림 피로의 면저항이 증가할수록 나노와이어 간의 완전 분리된 분절이 발생하여 저항 증가율이 큰 것을 확인하였고, 각도가 증가 할수록 분절의 형태가 완전히 분리된 분절이 발생하여 저항 증가에 더 큰 영향을 미친다고 판단하였다. 고온 열화에 의해 나노와이어의 산화와 산화물 형성, 분절이 발생 한 것을 확인하였다. 단계별 시편을 제작하여 고장 메커니즘을 관찰한 결과 산화로 인한 은 입자의 확산으로 산화물이 구형으로 형성되었고 이로 인한 주변 은 입자의 고갈로 분절이 발생한 것을 확인하였다. 온도와 시간이 증가 할수록 산화물과 분절의 개수는 증가 하였고 저항 증가와 분절 개수의 증가 경향이 일치한 것을 확인하였다. 또한 저온에서 장시간 열화 시편은 수 µm 의 산화물이 형성되었고 이로 인해 은 나노와이어의 네트워크가 형성되어있지 않아 저항이 급격하게 증가한 것을 확인하였다. 은 나노와이어 전도성 필름에서 발생할 수 있는 기계적, 열적 고장을 저항변화와 미세구조 관찰을 통해 고찰하였고, 고장 물리(Physics-of-failure)를 기반으로 한 고장 분석(Failure analysis)을 실시하여 은 나노와이어의 고장 메커니즘을 분석하여 고장 원인을 밝히는 연구를 진행하였다. 이러한 고장 분석 연구를 통해서 신뢰성 높은 은 나노와이어를 제조할 수 있는 방향을 제시할 수 있다.
최근 전자 산업의 발전에 따라 평판 디스플레이에서 플렉서블과 같은 유연한 형태로 발전하고 있다. 현재 투명 전극 소재로 가장 많이 사용되고 있는 ITO는 세라믹 재료가 지니는 취성으로 인하여 유연 환경에서 균열이 발생하여 차세대 소재로 활용이 어려운 단점이 있다. 그래핀, 탄소나노 튜브, 메탈 매쉬, 전도성 폴리머 등의 대체물질들 중에서 은 나노와이어(Silver nanowire)는 낮은 면저항과 고투과도의 우수한 성능을 갖고 있고 유연성을 가질 수 있기 때문에 차세대 디스플레이, 태양전지 등 다양한 분야에서 적용 가능하다. 하지만 은 나노와이어가 기계적, 열적 환경에 노출되었을 때 변형 거동과 신뢰성에 관한 연구는 부족하다. 본 연구에서는 차세대 디스플레이를 위해 인장시험과 단순 접힘 시험을 넘어선 굴곡 반경이 변화하는 접힘 시험(Folding fatigue test), 비틀림 시험(Torsional fatigue test)과 같은 기계적 신뢰성 평가와 고온 열화 시험을 통한 신뢰성 평가를 진행하였다. 은 나노와이어가 인장 응력을 받았을 때 나노와이어 접점에서 발생한 접점분절(Junction failure)과 선 분절(Line failure)의 두 종류의 분절이 발생하는 것을 확인하였고, 분절의 개수를 측정하여 분절이 저항변화에 미치는 영향을 정량화 하였다. 또한 은 나노와이어의 밀도가 낮아 면저항이 큰 시편에서는 면저항이 작은 시편과는 다르게 접점에서의 균열 형태의 분절이 아닌 나노와이어가 완전히 분리된 분절이 발생 한 것을 확인하였다. 이는 나노와이어의 밀도가 작아져 같은 응력을 받았을 때 접점에서 집중되는 응력이 더 크기 때문이라고 판단된다. 접힘 피로 시험에서는 저항이 감소하였고, 이는 미세구조 관찰 결과 반복 피로 응력에 의한 기계적 접합(Mechanical welding)의 발생으로 인한 것을 확인하였다. 따라서 면저항이 큰 시편은 접점이 상대적으로 작기 때문에 저항 변화가 거의 없었다. 또한 접힘 반경이 증가할수록 기계적 접합이 증가하여 저항 감소율이 커졌고, 가장 큰 접힘 반경 변화율에서는 저항이 증가하는 경향을 보였다. 미세구조 관찰결과 이것은 반복 응력으로 인한 분절이 발생으로 인한 것임을 확인하였다. 비틀림 시험에서는 인장 응력과 마찬가지로 두 종류의 분절이 발생한 것을 확인하였다. 비틀림 피로의 면저항이 증가할수록 나노와이어 간의 완전 분리된 분절이 발생하여 저항 증가율이 큰 것을 확인하였고, 각도가 증가 할수록 분절의 형태가 완전히 분리된 분절이 발생하여 저항 증가에 더 큰 영향을 미친다고 판단하였다. 고온 열화에 의해 나노와이어의 산화와 산화물 형성, 분절이 발생 한 것을 확인하였다. 단계별 시편을 제작하여 고장 메커니즘을 관찰한 결과 산화로 인한 은 입자의 확산으로 산화물이 구형으로 형성되었고 이로 인한 주변 은 입자의 고갈로 분절이 발생한 것을 확인하였다. 온도와 시간이 증가 할수록 산화물과 분절의 개수는 증가 하였고 저항 증가와 분절 개수의 증가 경향이 일치한 것을 확인하였다. 또한 저온에서 장시간 열화 시편은 수 µm 의 산화물이 형성되었고 이로 인해 은 나노와이어의 네트워크가 형성되어있지 않아 저항이 급격하게 증가한 것을 확인하였다. 은 나노와이어 전도성 필름에서 발생할 수 있는 기계적, 열적 고장을 저항변화와 미세구조 관찰을 통해 고찰하였고, 고장 물리(Physics-of-failure)를 기반으로 한 고장 분석(Failure analysis)을 실시하여 은 나노와이어의 고장 메커니즘을 분석하여 고장 원인을 밝히는 연구를 진행하였다. 이러한 고장 분석 연구를 통해서 신뢰성 높은 은 나노와이어를 제조할 수 있는 방향을 제시할 수 있다.
According to an increase in attention in semiconductor and display industries, optoelectronics devices that utilize transparent electrodes have been actively developed. Although indium tin oxide (ITO) that has excellent transparency and low sheet resistance, ITO has easily broken and even a small st...
According to an increase in attention in semiconductor and display industries, optoelectronics devices that utilize transparent electrodes have been actively developed. Although indium tin oxide (ITO) that has excellent transparency and low sheet resistance, ITO has easily broken and even a small stress, cracks are easily generated due to the brittleness. Therefore, there is a limit to apply flexible display that can be used in situations. Among the substitutions of ITO, silver nanowires has an advantage over ITO in both transmission and low sheet resistance. Furthermore, it can be applied to the flexible display. However, few studies have investigated the mechanisms of degradation in mechanical and thermal stress environments. In this study, degree of degradation in mechanical situations such as the folding and torsional fatigue was evaluated for application of flexible display. And also, thermal degradation test was evaluated.
When silver nanowires were subjected to tensile stress, two types of failures were observed: junction failure which occurred at the nanowire contacts and line failure. The number of each failures was measured, and the correlation between the number of failure and the resistance change was confirmed. In the case of low sheet resistance, only cracks were observed, whereas in the case of silver nanowire film with high sheet resistance, completely separated failures were observed. This is because the density of the nanowires were so small that the stress concentrated at the junction between nanowires was larger when the same stress was applied. In the folding fatigue test, the resistance decreased, and it was confirmed that mechanical welding was caused by repetitive fatigue stress. Also, as the folding radius increases, the rate of resistance reduction increases, which can be attributed to the increased amount of mechanical welding. In the largest folding radius test, the resistance was increased, which confirmed that the failure due to the repeated stress occurred. In the torsional test, it was confirmed that two kinds of segments occurred as well as the tensile stress. As the torsion angle increased, the crack shape of the failure appeared to be completely separated, which was considered to have a greater effect on the resistance increase. It was confirmed that oxidation of the nanowire, oxide particle formation, and failure occurred due to high temperature. As a result of the observation of the failure mechanism by the stepwise specimen, it was confirmed that the oxide particles were formed by diffusion of silver due to oxidation, and resulted in the depletion of silver around the oxide particles. As the temperature and time increased, the number of oxides and failures increased, and it was confirmed that the increase in resistance and the increase in the number of segments corresponded to each other. We investigated the mechanical and thermal failures in silver nanowire conductive films through resistance changes and microstructure observations. Failure analysis based on physics-of-failure analysis was conducted to analyze the failure mechanism of silver nanowires to investigate the causes of failures. Through this study, failure analysis studies can provide a direction for manufacturing reliable silver nanowires.
According to an increase in attention in semiconductor and display industries, optoelectronics devices that utilize transparent electrodes have been actively developed. Although indium tin oxide (ITO) that has excellent transparency and low sheet resistance, ITO has easily broken and even a small stress, cracks are easily generated due to the brittleness. Therefore, there is a limit to apply flexible display that can be used in situations. Among the substitutions of ITO, silver nanowires has an advantage over ITO in both transmission and low sheet resistance. Furthermore, it can be applied to the flexible display. However, few studies have investigated the mechanisms of degradation in mechanical and thermal stress environments. In this study, degree of degradation in mechanical situations such as the folding and torsional fatigue was evaluated for application of flexible display. And also, thermal degradation test was evaluated.
When silver nanowires were subjected to tensile stress, two types of failures were observed: junction failure which occurred at the nanowire contacts and line failure. The number of each failures was measured, and the correlation between the number of failure and the resistance change was confirmed. In the case of low sheet resistance, only cracks were observed, whereas in the case of silver nanowire film with high sheet resistance, completely separated failures were observed. This is because the density of the nanowires were so small that the stress concentrated at the junction between nanowires was larger when the same stress was applied. In the folding fatigue test, the resistance decreased, and it was confirmed that mechanical welding was caused by repetitive fatigue stress. Also, as the folding radius increases, the rate of resistance reduction increases, which can be attributed to the increased amount of mechanical welding. In the largest folding radius test, the resistance was increased, which confirmed that the failure due to the repeated stress occurred. In the torsional test, it was confirmed that two kinds of segments occurred as well as the tensile stress. As the torsion angle increased, the crack shape of the failure appeared to be completely separated, which was considered to have a greater effect on the resistance increase. It was confirmed that oxidation of the nanowire, oxide particle formation, and failure occurred due to high temperature. As a result of the observation of the failure mechanism by the stepwise specimen, it was confirmed that the oxide particles were formed by diffusion of silver due to oxidation, and resulted in the depletion of silver around the oxide particles. As the temperature and time increased, the number of oxides and failures increased, and it was confirmed that the increase in resistance and the increase in the number of segments corresponded to each other. We investigated the mechanical and thermal failures in silver nanowire conductive films through resistance changes and microstructure observations. Failure analysis based on physics-of-failure analysis was conducted to analyze the failure mechanism of silver nanowires to investigate the causes of failures. Through this study, failure analysis studies can provide a direction for manufacturing reliable silver nanowires.
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