[논문]ITO층의 두께에 따른 ITO/PET sheet의 변형거동 및 균열 형성 거동

김진열; 홍순익

doi:10.3740/mrsk.2009.19.1.001

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In this study, the stress-strain response and the cracking behaviors of ITO film on a PET substrate are investigated. The cracking behaviors of ITO thin films deposited on a thermoplastic semi-crystalline polymer developed for flexible display applications was investigated by means of tensile experi...

In this study, the stress-strain response and the cracking behaviors of ITO film on a PET substrate are investigated. The cracking behaviors of ITO thin films deposited on a thermoplastic semi-crystalline polymer developed for flexible display applications was investigated by means of tensile experiments equipped with an electrical measurement apparatus and an in-situ optical microscope. Electrical resistance increased gradually in the elastic-to-plastic transition region of the stress strain curves and cracks formed. Numerous cracks were found in this region, and the increase of the resistance was linked to the cracking of ITO thin films. Upon loading, the initial cracks perpendicular to the tensile axis were observed at about 1% of the total strain. They propagated to the entire sample width as the strain increased. The spacing between the horizontal cracks is thought to be determined by the fracture strength and the thickness of the ITO film as well as by the interfacial strength between the ITO and PET. The effect of the strain rate on the cracking behavior was also investigated. The crack density increased as the strain increased. The spacing between the horizontal cracks (perpendicular to the stress axis) increased as the strain rate decreased. The increase of the crack density as the strain rate decreased can be attributed to the higher fraction of the plastic strain to the total strain at a given total strain. The higher critical strain for the onset of the increase in the resistance and the crack initiation of the ITO/PET with a thinner ITO film (300 ohms/sq.) suggests a higher strength of the thinner ITO film.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 광학적으로 투명하고 열적으로 안정화된 PET(Polyethylen Terephthalate)필름에 투명전극인 ITO-(Indium Tin Oxide)가 코팅된 ITO/PET필름(Sheldahl, USA)을 사용하여 인장시험을 통한 균열 거동을 연구하였다. ITO/PET필름은 45 ohms/sq.
본 연구에서는 내구성, 도전성, 투명성이 우수한 ITO가 코팅된 PET필름을 기재로 사용하여 ITO/PET 필름에 인장 하중을 가할 때 변형률 속도 및 변형률에 따른 ITO/PET필름의 변형거동 및 ITO층의 균열 거동과 그에 따른 전기적 변화를 연구하였다.

제안 방법

와 300 ohms/sq.를 갖는 ITO/PET 필름에 인장 하중을 가할 때 변형률속도에 따른 ITO/PET 필름의 변형거동 및 ITO층의 균열생성 및 성장 거동과 그에 따른 저항 변화를 연구하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
변형률 속도에 따른 ITO/PET필름의 변형 거동과 균열 거동을 파악하기 위해 10^-2/sec, 10^-3/sec, 10^-4/sec, 10^-5/sec의 속도로 인장시험을 한 후 균열 형성, 전파 및 성장거동을 관찰 하였다. 인장 시편은 ITO/PET필름을 폭 8 mm× 길이80 mm크기로 절단한 후 시험 중 저항 측정을 위해 시편의 양 끝 단에 길이 20 mm의 알루미늄 호일을 감아 주었다.
인장시험은 United Testing Machine을 사용하였고 저항 측정은 SANWA Digital multimeter PC-500을 사용하였다. 시험 후 시편에 발생한 균열은 광학현미경(Olympus PME3)을 사용하여 관찰하였다. 일부 시편은 인장시험 중에 in situ 현미경을 사용하여 균열전파 거동을 관찰하였다.
시험 후 시편에 발생한 균열은 광학현미경(Olympus PME3)을 사용하여 관찰하였다. 일부 시편은 인장시험 중에 in situ 현미경을 사용하여 균열전파 거동을 관찰하였다.

대상 데이터

의 면저항을 갖는 두 종류의 필름을 사용하였으며 PET기판의 두께는 두 종류 모두 125 µm이고, ITO층의 두께는 각각 약 135 nm (45 ohms/sq.), 약 20 nm (300 ohms/sq.)이다.
인장 시편은 ITO/PET필름을 폭 8 mm× 길이80 mm크기로 절단한 후 시험 중 저항 측정을 위해 시편의 양 끝 단에 길이 20 mm의 알루미늄 호일을 감아 주었다.

이론/모형

1과 같이 그립에 시편을 장착한 다음 시편에 저항 측정 probe를 접촉시켜 인장 시험 중에 실시간으로 저항 변화 값을 얻을 수 있게 하였다. 인장시험은 United Testing Machine을 사용하였고 저항 측정은 SANWA Digital multimeter PC-500을 사용하였다. 시험 후 시편에 발생한 균열은 광학현미경(Olympus PME3)을 사용하여 관찰하였다.

성능/효과

1) 플렉시블 디스플레이는 휘거나 구부려도 디스플레이의 제 기능을 발휘 하여야 하므로, 코팅 층의 접착력이 우수하여 굽힘, 인장 및 압축에 대한 기능저하 및 수명 감손이 작아야 함은 물론 계속되는 반복변형에도 기능 및 신뢰성을 잃지 않는 내 피로특성을 갖추어야 한다. 플렉시블 디스플레이를 구현하기 위해서는 유리기판 대신에 유연한 폴리머 기판에 투명전극 TCO(Transparent Conducting Oxide) 박막이 코팅된 필름이 사용되며, 폴리머 기판은 무게가 가볍고 가공이 용이해 형태의 제약이 거의 없으며 산업적으로 저가격화가 가능한 소재라는 특징이 있다.
1. 저항은 0.8 %(45 ohms/sq.), 1.6 %(300 ohms/sq.) 정도의 변형률에서 급격히 증가하였다. 저항이 증가하기 시작하는 변형률은 면저항이 클수록 증가하는 것을 발견하였다.
2. 균열밀도는 모든 변형률 속도에서 변형률이 증가함에 따라 증가하였고, 변형률 속도가 빨라 질수록 균열수가 감소했다. 변형률 속도가 느려 질수록 균열 간의 간격이 좁아지면서 균열의 수가 많아 지는 것을 볼 수 있다.
3. 전체 변형률이 3%일 때 IP300의 균열밀도는 0.17/µm로 IP45의 0.05~0.08/µm 보다 2~3배 가량 높다. 이러한 차이는 ITO두께가 20 nm로 감소할 경우 파괴강도가 2~3배 높아진다면 자연스럽게 설명될 수 있다.
따라서 변형률 속도가 낮은 경우 균열빈도가 증가하게 된다. 이러한 결과는 ITO의 균열형성 및 성장이 전체응력보다는 소성 변형률 증감에 의한 국부 변형률 및 국부집중응력에 의해 결정됨을 보여준다.
) 정도의 변형률에서 급격히 증가하였다. 저항이 증가하기 시작하는 변형률은 면저항이 클수록 증가하는 것을 발견하였다. 저항 변화의 임계변형은 IP45의 경우 ITO/PET필름의 비례한계 (~1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플렉시블 디스플레이가 갖춰야할 특성 조건은?	최근 정보화의 속도가 빨라지고 정보취득 및 판별속도가 정보경쟁력의 주요요인으로 인식됨에 따라 다양한 정보를 신속하게 시각화하여 장소, 시간에 구애됨이 없이 인간에게 정보를 전달하는 디스플레이로써, 초경량, 저전력의 얇고, 종이처럼 가볍고 유연한 플렉시블 디스플레이가 많은 주목을 받고 있다.1) 플렉시블 디스플레이는 휘거나 구부려도 디스플레이의 제 기능을 발휘 하여야 하므로, 코팅 층의 접착력이 우수하여 굽힘, 인장 및 압축에 대한 기능저하 및 수명 감손이 작아야 함은 물론 계속되는 반복변형에도 기능 및 신뢰성을 잃지 않는 내 피로특성을 갖추어야 한다. 플렉시블 디스플레이를 구현하기 위해서는 유리기판 대신에 유연한 폴리머 기판에 투명전극 TCO(Transparent Conducting Oxide) 박막이 코팅된 필름이 사용되며, 폴리머 기판은 무게가 가볍고 가공이 용이해 형태의 제약이 거의 없으며 산업적으로 저가격화가 가능한 소재라는 특징이 있다.
	플렉시블 디스플레이 제작 시 투명전극은 무엇을 사용하는가?	1) 광 투과율이 우수한 대표적인 폴리머 기판에는 PET(Polyethylene Terephthalate), PC(Polycarbonate), PES(Polyethersulphone), PMMA(Plymethyly methacrylate)등이 있다.2) 투명전극으로 주로 사용되는 ITO(Indium Tin Oxide) 박막은 가시광선 영역에서 85 %이상의 광 투과율을 가지고 근적외선 영역에서는 광 반사도가 높을 뿐 아니라 10-4ohm*cm 전후의 낮은 저항률을 가지는 투명 전도막으로 화학적 안정성이 뛰어나 태양전지, 터치패널, 액정 디스플레이 등의 투명전극 글라스와 열선판재글라스와 전자파 차폐 쉴드 글라스를 위한 기능성 글라스 등 다양한 분야에 응용 되고 있다.3-4,7)
	플렉시블 디스플레이가 많은 주목을 받는 이유는?	최근 정보화의 속도가 빨라지고 정보취득 및 판별속도가 정보경쟁력의 주요요인으로 인식됨에 따라 다양한 정보를 신속하게 시각화하여 장소, 시간에 구애됨이 없이 인간에게 정보를 전달하는 디스플레이로써, 초경량, 저전력의 얇고, 종이처럼 가볍고 유연한 플렉시블 디스플레이가 많은 주목을 받고 있다.1) 플렉시블 디스플레이는 휘거나 구부려도 디스플레이의 제 기능을 발휘 하여야 하므로, 코팅 층의 접착력이 우수하여 굽힘, 인장 및 압축에 대한 기능저하 및 수명 감손이 작아야 함은 물론 계속되는 반복변형에도 기능 및 신뢰성을 잃지 않는 내 피로특성을 갖추어야 한다.

참고문헌 (7)

J. T. Hwang, J. M. Son, I. N. Kang and Y. S. Bu, Polym. Sci. Technol., 14(5), 554 (2003)
T. L. Li and S. L. C. Hsu, Eur. Polym. J., 43, 3368 (2007)

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B. J. Cho and K. H. Kim, J. of KIEEME, 20(2), 162 (2007)
T. Minami, H. Sonohara, T. Kakumu and S. Takata, Thin Solid films, 270, 32 (1995)
S. M. Kim, Y. S. Rim, H. W. Choi, M. G. Choi, K. H. Kim, J. of KIEEME, 21(7), 669 (2008)
Y. Leterrier, L. Medico, F. Demarco, J.A.E. Manson, U. Betz, M. F. Escola, M. K. Olsson and F. Atamny, Thin Solid Films, 460, 156 (2004)

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S. Grego, J. Lewis, E. Vick and D. Temple, Thin Solid Films, 515, 4745 (2007)

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