현재까지 유연한 전자소자 개발은 주로 인쇄전자 기술을 이용한 유기재료 기반 위주로 연구 및 개발이 진행되어 오고 있다. 그러나 유기 기반의 소자는 성능 및 신뢰성에 많은 제약이 있다. 따라서 본 논문에서는 무기재료 기반의 실리콘 고성능 유연 전자소자를 개발하기 위한 방법으로 나노 및 마이크로 두께의 단결정 실리콘 박막을 transfer printing 기술을 이용하여 유연기판에 전사하여 제작하였다. 제작된 유연소자는 굽힘 시험과 인장 시험을 통하여 유연 신뢰성을 평가하였다. PI 기판에 부착된 두께 200 nm의 박막은 굽힘 시험 결과, 곡률 반경 4.8 mm 까지 굽힐 수 있었으며, 따라서 굽힘 유연성이 매우 우수함을 알 수 있었다. 인장 시험 결과 인장 변형률 1.8%에서 박막이 파괴되었으며, 기존 실리콘 박막에 비하여 연신율이 최대 1% 증가됨을 알 수 있었다. FPCB 기판에 부착된 마이크로 두께의 실리콘 박막의 경우 칩이 얇아질수록 굽힘 유연성이 향상됨을 알 수 있었으며, $20{\mu}m$ 두께의 박막의 경우 곡률 반경 2.5 mm 까지 굽힐 수 있음을 알 수 있었다. 이러한 유연성의 증가는 실리콘 박막과 유연 기판 사이의 접착제의 완충작용 때문이다. 따라서 유연 전자소자의 유연성을 증가시키기 위해서는 박막 제작 시 공정 중의 결함을 최소화하고, 적절한 접착제를 사용한다면 유연성을 크게 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.
현재까지 유연한 전자소자 개발은 주로 인쇄전자 기술을 이용한 유기재료 기반 위주로 연구 및 개발이 진행되어 오고 있다. 그러나 유기 기반의 소자는 성능 및 신뢰성에 많은 제약이 있다. 따라서 본 논문에서는 무기재료 기반의 실리콘 고성능 유연 전자소자를 개발하기 위한 방법으로 나노 및 마이크로 두께의 단결정 실리콘 박막을 transfer printing 기술을 이용하여 유연기판에 전사하여 제작하였다. 제작된 유연소자는 굽힘 시험과 인장 시험을 통하여 유연 신뢰성을 평가하였다. PI 기판에 부착된 두께 200 nm의 박막은 굽힘 시험 결과, 곡률 반경 4.8 mm 까지 굽힐 수 있었으며, 따라서 굽힘 유연성이 매우 우수함을 알 수 있었다. 인장 시험 결과 인장 변형률 1.8%에서 박막이 파괴되었으며, 기존 실리콘 박막에 비하여 연신율이 최대 1% 증가됨을 알 수 있었다. FPCB 기판에 부착된 마이크로 두께의 실리콘 박막의 경우 칩이 얇아질수록 굽힘 유연성이 향상됨을 알 수 있었으며, $20{\mu}m$ 두께의 박막의 경우 곡률 반경 2.5 mm 까지 굽힐 수 있음을 알 수 있었다. 이러한 유연성의 증가는 실리콘 박막과 유연 기판 사이의 접착제의 완충작용 때문이다. 따라서 유연 전자소자의 유연성을 증가시키기 위해서는 박막 제작 시 공정 중의 결함을 최소화하고, 적절한 접착제를 사용한다면 유연성을 크게 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.
Development of flexible electronic devices has primarily focused on printing technology using organic materials. However, organic-based flexible electronics have several disadvantages, including low electrical performance and long-term reliability. Therefore, we fabricated nano- and micro-thick sili...
Development of flexible electronic devices has primarily focused on printing technology using organic materials. However, organic-based flexible electronics have several disadvantages, including low electrical performance and long-term reliability. Therefore, we fabricated nano- and micro-thick silicon film attached to the polymer substrate using transfer printing technology to investigate the feasibility of silicon-based flexible electronic devices with high performance and high flexibility. Flexibility of the fabricated samples was investigated using bending and stretching tests. The failure bending radius of the 200 nm-thick silicon film attached on a PI substrate was 4.5 mm, and the failure stretching strain was 1.8%. The failure bending radius of the micro-thick silicon film attached on a FPCB was 2 mm, and the failure strain was 3.5%, which showed superior flexibility compared with conventional silicon material. Improved flexibility was attributed to a buffering effect of the adhesive between the silicon film and the substrate. The superior flexibility of the thin silicon film demonstrates the possibility for flexible electronic devices with high performance.
Development of flexible electronic devices has primarily focused on printing technology using organic materials. However, organic-based flexible electronics have several disadvantages, including low electrical performance and long-term reliability. Therefore, we fabricated nano- and micro-thick silicon film attached to the polymer substrate using transfer printing technology to investigate the feasibility of silicon-based flexible electronic devices with high performance and high flexibility. Flexibility of the fabricated samples was investigated using bending and stretching tests. The failure bending radius of the 200 nm-thick silicon film attached on a PI substrate was 4.5 mm, and the failure stretching strain was 1.8%. The failure bending radius of the micro-thick silicon film attached on a FPCB was 2 mm, and the failure strain was 3.5%, which showed superior flexibility compared with conventional silicon material. Improved flexibility was attributed to a buffering effect of the adhesive between the silicon film and the substrate. The superior flexibility of the thin silicon film demonstrates the possibility for flexible electronic devices with high performance.
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문제 정의
즉 대면적의 소자를 에칭하여 박리하는 것이 어려우며, 또한 에칭이나 박리 과정 중에서 실리콘 메모리 소자에 손상을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 유연 실리콘 메모리 소자를 만들기 위한 실질적인 방법으로써 실리콘 웨이퍼를 CMP(chemical mechanical polishing) 공정을 이용하여 마이크로 두께로 얇게 thinning 한 후, FPCB 기판에 부착시켰으며, 제작된 샘플에 대해서 유연 신뢰성 시험을 수행하였다. 웨이퍼의 thinning은 두 단계의 그라인딩(grinding) 공정을 거쳐 요구되는 두께까지 가공한 후, dry polishing 공정을 이용하여 잔류 스트레스를 제거하였다.
본 논문에서는 유연 기판 위에 부착된 나노 두께의 실리콘 박막과 마이크로 두께의 실리콘 박막에 대한 유연 신뢰성 시험을 수행하였다. 나노 두께의 실리콘 박막은 SOI 웨이퍼를 에칭 한 후, transfer printing 공정을 이용하여 PI 기판 위에 부착하였으며, 마이크로 두께의 실리콘 박막은 CMP 공정 등을 이용하여 thinning 한 후, FPCB 기판에 부착하였다.
11,12) 그럼에도 불구하고, 실제적으로 유연기판에 적용하여 유연 메모리 혹은 유연전자 소자를 개발한 연구는 많지 않은 실정이다. 본 연구에서는 고성능 유연 메모리 소자의 개발을 위한 feasibility 시험으로써, 나노 및 마이크로 두께의 단결정 실리콘 박막을 transfer printing 기술 및 thinning 기술을 이용하여 유연 폴리머 기판에 부착시킨 후 굽힘 및 인장 시험을 통하여 실리콘 박막의 유연 신뢰성을 연구하였으며, 향후 유연 전자소자 개발의 기초 자료로 활용코자 하였다.
제안 방법
PI 기판에 전사된 나노 두께의 실리콘 박막의 굽힘 시험을 수행하였다. 굽힘 시험 결과 dot 타입 실리콘 박막의 경우 곡률 반경 4.
5와 같이 자체 제작한 시험기를 이용하여 굽힘 및 인장 시험을 수행하였다. 굽힘 및 인장 시험 중에 실리콘 박막의 파괴 유무를 알기 위하여 멀티미터로 실리콘 박막의 저항 변화를 관찰하였으며, 동시에 광학현미경으로 박막 표면의 크랙 유무를 관찰하였다. 저항이 크게 변하거나, 크랙이 발생할 경우 파괴 시점이라고 간주하고 시험을 중단하였다.
본 논문에서는 유연 기판 위에 부착된 나노 두께의 실리콘 박막과 마이크로 두께의 실리콘 박막에 대한 유연 신뢰성 시험을 수행하였다. 나노 두께의 실리콘 박막은 SOI 웨이퍼를 에칭 한 후, transfer printing 공정을 이용하여 PI 기판 위에 부착하였으며, 마이크로 두께의 실리콘 박막은 CMP 공정 등을 이용하여 thinning 한 후, FPCB 기판에 부착하였다. 두께 200 nm의 박막의 굽힘 시험 결과, dot 타입 실리콘 박막의 경우 곡률 반경 4.
그 이유는 실리콘 칩의 강성으로 인하여 FPCB가 굽힘 시험 시에 원하는 곡률 반경으로 굽혀지지 않았기 때문이다. 따라서 Fig. 6과 같이 곡률 반경이 각기 다른 여러 개의 봉을 사용하여 굽힘 실험을 수행하였다. 또한 접착제 및 FPCB가 실리콘 박막의 유연 신뢰성에 미치는 영향을 파악하기 위하여, thinning된 실리콘 박막만을 사용하여, 굽힘 시험을 수행하였으며, 그 결과를 비교하였다.
6과 같이 곡률 반경이 각기 다른 여러 개의 봉을 사용하여 굽힘 실험을 수행하였다. 또한 접착제 및 FPCB가 실리콘 박막의 유연 신뢰성에 미치는 영향을 파악하기 위하여, thinning된 실리콘 박막만을 사용하여, 굽힘 시험을 수행하였으며, 그 결과를 비교하였다.
박막의 두께는 현재 업체에서 웨이퍼의 손상을 최소화하면서 thinning 공정이 가능한 두께인 20 µm 까지 하였으며, 20, 30, 50, 70 µm 두께의 실리콘 박막을 각각 제조하였다.
본 연구에서는 나노 두께의 실리콘 박막과 마이크로 두께의 실리콘 박막을 각기 다른 공정으로 제작한 후 유연기판에 부착하여 유연 신뢰성 시험을 수행하였다.
저항이 크게 변하거나, 크랙이 발생할 경우 파괴 시점이라고 간주하고 시험을 중단하였다. 시편의 전체 길이 L 을 변화시킴으로써 곡률반경을 변화시켰다. dL 만큼 변화시켰을 때 발생되는 곡률 반경(R)은 아래의 식으로 계산되었으며11)
사용된 웨이퍼는 4 인치 SOI 웨이퍼로써, 상부 실리콘(top silicon)의 두께는 200 nm이며, 하부 SiO2 층의 두께는 400 nm이다. 실리콘 박막을 쉽게 에칭하고 전사(transfer)하기 위하여 각 소자의 에칭 홀을 dot 형태 및 ribbon 형태로 각각 만들어 박막의 제작 후 릴리즈(release)를 용이하게 하였다. 즉 실리콘 박막층에 홀 지름 10 µm, 홀 간의 피치 50 µm의 dot 타입 패턴과 폭 5 µm, 길이 100 µm의 ribbon 타입 패턴을 각각 설계하여 DRIE(deep reactive ion etching) 공정을 이용하여 에칭 하였으며, 그 공정 절차가 Fig.
실리콘 박막의 유연 신뢰성 시험은 Fig. 5와 같이 자체 제작한 시험기를 이용하여 굽힘 및 인장 시험을 수행하였다. 굽힘 및 인장 시험 중에 실리콘 박막의 파괴 유무를 알기 위하여 멀티미터로 실리콘 박막의 저항 변화를 관찰하였으며, 동시에 광학현미경으로 박막 표면의 크랙 유무를 관찰하였다.
우선 마이크로 두께로 thinning 된 실리콘 박막 자체의 굽힘 유연성을 알기 위하여 thinning 된 박막을 유연기판에 접착하지 않은 상태에서 박막만을 봉을 이용하여 굽힘시험을 진행하였으며, 그 결과가 Fig. 8에 나타나있다. 70 µm 두께의 실리콘 칩은 평균적으로 곡률 반경 12.
제작된 실리콘 박막의 크기는 5×5 mm2이다. 제작된 칩에 대한 표면조도(surface roughness)를 AFM(atomic force microscopy)를 이용하여 측정하였다. 20, 30, 50, 70 µm 의 두께로 제작된 칩들에 대한 평균 표면조도(Ra)를 측정한 결과 대략 20~30 nm의 Ra 값을 보여주고 있었으며, 각 두께 별 샘플에 대한 표면 조도의 차이는 미미하였다.
즉 실리콘 박막층에 홀 지름 10 µm, 홀 간의 피치 50 µm의 dot 타입 패턴과 폭 5 µm, 길이 100 µm의 ribbon 타입 패턴을 각각 설계하여 DRIE(deep reactive ion etching) 공정을 이용하여 에칭 하였으며, 그 공정 절차가 Fig. 1에 나타나 있다.
한편 FPCB에 thinning된 실리콘 칩을 부착한 샘플에 대해서 굽힘 실험은 bending 시험기가 아닌 봉(bar)을 사용하여 진행하였다. 그 이유는 실리콘 칩의 강성으로 인하여 FPCB가 굽힘 시험 시에 원하는 곡률 반경으로 굽혀지지 않았기 때문이다.
대상 데이터
파괴 변형률(ε)을 계산하는 식은 식 (2)을 사용하였는데 이는 실리콘 칩의 두께와 FPCB 기판의 두께가 큰 차이가 나지 않기 때문이다. 계산에서 사용된 물성으로, 실리콘의 탄성계수는 130 GPa이며, FPCB의 경우 PI 필름과 Cu 필름이 적층된 재료로서 각 층의 두께 및 탄성계수를 고려하여 계산된 FPCB의 유효탄성계수(effective elastic modulus)는 25 GPa이였다. 한편 실험 결과는 Fig.
나노 두께의 단결정 실리콘 박막은 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼를 제작하였으며, 그 후 유연 기판으로 전사 공정을 진행하였다. 사용된 웨이퍼는 4 인치 SOI 웨이퍼로써, 상부 실리콘(top silicon)의 두께는 200 nm이며, 하부 SiO2 층의 두께는 400 nm이다.
Thinning된 실리콘 박막을 접착제를 사용하여 FPCB (flexible-PCB) 기판에 부착하였다. 또한 접착제가 박막의 유연성에 비치는 영향을 파악하기 위하여 순간접착제의 일종인 Loctite 접착제(Henkel, 401) 와 die attach film(DAF)를 각각 사용하였다. FPCB는 단면 PCB로서 구리층의 두께는 12 µm, polyimide 층의 두께는 25 µm 이다.
나노 두께의 단결정 실리콘 박막은 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼를 제작하였으며, 그 후 유연 기판으로 전사 공정을 진행하였다. 사용된 웨이퍼는 4 인치 SOI 웨이퍼로써, 상부 실리콘(top silicon)의 두께는 200 nm이며, 하부 SiO2 층의 두께는 400 nm이다. 실리콘 박막을 쉽게 에칭하고 전사(transfer)하기 위하여 각 소자의 에칭 홀을 dot 형태 및 ribbon 형태로 각각 만들어 박막의 제작 후 릴리즈(release)를 용이하게 하였다.
실리콘 웨이퍼를 20 µm 까지 얇게 가공하기 위하여 DBG(dicing before grinding) 및 TB/DB(temporary bonding/de-bonding) 공정을 이용하였다.
성능/효과
20, 30, 50, 70 µm 의 두께로 제작된 칩들에 대한 평균 표면조도(Ra)를 측정한 결과 대략 20~30 nm의 Ra 값을 보여주고 있었으며, 각 두께 별 샘플에 대한 표면 조도의 차이는 미미하였다.
이러한 결함은 웨이퍼 내에 랜덤하게 분포하고 있기 때문에 칩 마다 파괴 변형 시점이 크게 차이가 발생함을 알 수 있다. 결론적으로 유연 전자 소자에서 칩과 기판을 접착하는 접착제는 어느 수준 이상의 강건성과 유연성을 동시에 갖추어야 한다. 즉 유연 소자가 변형되었을 경우 칩이 변형되거나 슬립이 발생하지 않도록 강성을 갖고 있으며, 또한 칩을 변형으로부터 완충할 수 있는 유연성이 필요함을 알 수 있다.
1%로 계산되었다. 따라서 PI 기판에 부착된 실리콘 박막의 굽힘 유연성(bendability)이 매우 우수함을 알 수 있었다. 통상적으로 유연 소자의 굽힘 유연성을 평가하는 기준, 혹은 가이드라인은 곡률 반경 10 mm로 알려져 있다.
4 mm에서 크랙이 발생하였다. 따라서 PI 기판에 부착된 실리콘 박막의 굽힘 유연성이 매우 큼을 알 수 있었다. 크랙은 주로 응력이 집중되는 에칭 홀 부근에서 발생하였다.
즉 Loctite 접착제를 사용한 경우 유연 굽힘성이 DAF를 사용한 경우에 비하여 크게 저하됨을 알 수 있었다. 따라서 유연 전자 소자의 유연성을 증가시키기 위해서는 박막을 가능한 얇게 하면서 공정 중의 결함을 최소화하고, 또한 적절한 접착제를 사용한다면 유연성을 크게 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.
6 mm이였다. 따라서 즉 칩이 얇아질수록 파괴 곡률 반경은 작아지며, 굽힘 유연성이 크게 증가함을 알 수 있었다. Table 2에 평균 파괴 곡률 반경 및 계산된 파괴 변형률을 정리하였다.
크랙은 주로 응력이 집중되는 에칭 홀 부근에서 발생하였다. 인장 시험 결과 인장 변형률 1.8%에서 박막이 파괴되었으며, 기존 실리콘 박막에 비하여 연신율이 최대 1% 증가되었다. FPCB 기판에 부착된 마이크로 두께의 실리콘 박막의 경우 실리콘 칩의 두께가 얇아지면서 파괴 곡률 반경은 작아지고 있으며, 굽힘 유연성은 증가하였다.
따라서 brittle한 접착제를 사용할 경우 유연성이 크게 저하됨을 알 수 있었다. 즉 Loctite 접착제를 사용한 경우 유연 굽힘성이 DAF를 사용한 경우에 비하여 크게 저하됨을 알 수 있었다. 따라서 유연 전자 소자의 유연성을 증가시키기 위해서는 박막을 가능한 얇게 하면서 공정 중의 결함을 최소화하고, 또한 적절한 접착제를 사용한다면 유연성을 크게 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.
5 mm 까지 굽힐 수 있음을 알 수 있었다. 특히 계산된 파괴 변형률은 2.4%로써 기존의 실리콘 박막의 연신율 혹은 파괴 변형률 0.8%에 비하여 매우 큼을 알 수 있다. 이러한 유연성의 증가는 실리콘 박막과 유연 기판 사이의 점착제의 완충작용 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 유연 전자소자를 제조하는데 주로 사용하는 기술은 무엇인가?
이러한 플렉서블 전자소자는 궁극적으로 자유자재로 굽히거나 휠 수 있는 rollable, 혹은 foldable 전자소자로까지 발전을 예고하고 있으며 wearable 전자 소자 및 디바이스가 출현할 날이 멀지 않은 것으로 예측하고 있다. 현재 유연 전자소자를 제조하는데 주로 사용하는 기술은 유기물 반도체, 전도성 잉크 등의 유기 재료(organic material)을 이용하여 프린팅하는 기술로써, 잉크젯 프린팅, 그라비어(gravure) 프린팅 및 롤투롤(roll to roll) 프린팅 기술 등이 있다.1,2) 이 기술은 유연성과 저가격 등의 이점과 함께 롤 연속생산을 이용한 생산성 향상의 큰 장점이 있다.
유기 재료를 이용하여 프린팅하는 기술의 장점은?
현재 유연 전자소자를 제조하는데 주로 사용하는 기술은 유기물 반도체, 전도성 잉크 등의 유기 재료(organic material)을 이용하여 프린팅하는 기술로써, 잉크젯 프린팅, 그라비어(gravure) 프린팅 및 롤투롤(roll to roll) 프린팅 기술 등이 있다.1,2) 이 기술은 유연성과 저가격 등의 이점과 함께 롤 연속생산을 이용한 생산성 향상의 큰 장점이 있다. 그러나 유기 반도체의 낮은 전하 이동도(mobility)와 취약한 내구성은 고성능 유연전자 분야로의 적용을 어렵게 하고 있다.
플렉서블 전자소자는 궁극적으로 어떻게 발전되는가?
특히 플렉서블 반도체 및 플렉서블 디스플레이에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 이러한 플렉서블 전자소자는 궁극적으로 자유자재로 굽히거나 휠 수 있는 rollable, 혹은 foldable 전자소자로까지 발전을 예고하고 있으며 wearable 전자 소자 및 디바이스가 출현할 날이 멀지 않은 것으로 예측하고 있다. 현재 유연 전자소자를 제조하는데 주로 사용하는 기술은 유기물 반도체, 전도성 잉크 등의 유기 재료(organic material)을 이용하여 프린팅하는 기술로써, 잉크젯 프린팅, 그라비어(gravure) 프린팅 및 롤투롤(roll to roll) 프린팅 기술 등이 있다.
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