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유연 기판상 ITO 전극의 굽힘변형 및 굽힘피로에 따른 전기적 신뢰성 연구
Electrical Reliability of ITO Film on Flexible Substrate During bending Deformations and Bending Fatigue 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.24 no.4, 2017년, pp.47 - 52  

설재근 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터) ,  김병준 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터)

초록
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휘거나 구부릴 수 있는 유연 전자 소자(flexible electronics) 개발을 위해 이러한 변형 조건에서 사용이 가능한 유연한 투명전극재료에 대한 많은 관심이 기울여 지고 있다. 본 연구에서는 현재 투명 전극 소재로 가장 널리 사용 중인 ITO 박막을 이용하여 굽힘 실험 및 반복 피로 실험을 진행하며 전기적 특성 변화를 연구 하였다. 응력 상태에 따른 차이를 보기 위해, ITO 필름의 상대적 위치에 따라 외측 및 내측 굽힘 두 조건으로 실험을 진행하였으며, 외측 굽힘보다 보다 내측 굽힘 조건에서 굽힘 실험 및 피로 실험 모두 우수한 전기적 안정성을 보였다. 외측 굽힘 및 내측 굽힘 시 응력 상태가 각각 인장 응력, 압축 응력이 ITO 필름에 가해지게 되며 이에 따라 균열 형성 및 전파 거동에 차이가 나타나는 것을 FE-SEM 표면 관찰을 통해 확인하였다. 이는 결국 전기적 안정성과도 밀접히 연관된 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 가장 대표적인 투명전극재료인 ITO 필름의 다양한 기계적변형에 대한 신뢰성을 이해하고, 이를 통해 향후 고신뢰성 유연전자소자용 전극을 위한 디자인에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, a great attention has been paid to the mechanical behavior of ITO (Indium Tin Oxide) film, which is widely used in current smart devices due to its excellent electrical properties and transparency. In this study, the reliability of ITO thin films on flexible substrates was investigated usi...

주제어

#ITO film   #Bending test   #Fatigue test   #Fracture  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 실험에서는 굽힘 변형과 굽힘 피로 실험을 통해 ITO의 신뢰성을 평가함으로써 굽힘 변형이 ITO의 전기 저항 변화에 미치는 영향과 반복 굽힘 변형 중 피로 현상에 의한 ITO의 장기 신뢰성에 대해 연구하였다. 또한 내측 굽힘, 외측 굽힘 조건에서 필름에 각각 압축 응력 및 인장 응력이 가해졌을 경우, 전기저항 변화를 살펴보고 균열의 전파 모습과 비교하여 살펴보았다.
  • 본 실험에서는 굽힘 변형과 굽힘 피로 실험을 통해 ITO의 신뢰성을 평가함으로써 굽힘 변형이 ITO의 전기 저항 변화에 미치는 영향과 반복 굽힘 변형 중 피로 현상에 의한 ITO의 장기 신뢰성에 대해 연구하였다. 또한 내측 굽힘, 외측 굽힘 조건에서 필름에 각각 압축 응력 및 인장 응력이 가해졌을 경우, 전기저항 변화를 살펴보고 균열의 전파 모습과 비교하여 살펴보았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ITO 소재의 단점을 피하기 위해 대체할 수 있는 물질은? 향후 전자 기기는 휴대의 편의성과 사용 중 넓은 면적을 사용하기 위해, 굽히거나 접는 변형이 가능한 유연 전자 소자(flexible electronics)로 발전해 갈 것으로 예상된다. 이러한 전자기기는 사용 중에 굽힘과 같은 기계적 변형이 반복적으로 가해지게 되는데, ITO 소재는 세라믹 소재이기 때문에 기계적 변형에 취약하여 유연 전자 소자와 같이 굽히거나 접는 등 큰 기계적 변형에는 사용에 제한이 있을 것으로 예상되며, 이에 따라 현재 금속나노와이어, 그래핀 등과 같은 다양한 대체 재료들이 활발히 연구되고 있다. 하지만, 아직까지 대체 재료들이 ITO에 비해 전기적 광학적 성질이 부족한 특성을 보이기 때문에,오히려 이미 산업적으로 완숙한 상태인 ITO의 특성을 충분히 활용하면서 유연 전자 소자에 적용하는 것이 초기유연 전자 소자를 위해서는 유리할 것으로 예측된다.
ITO의 특징은? 유연전자소자를 구성하는 여러 요소 중 가장 중요한 재료 중 하나는 투명전극 소재로서, 현재 전자 기기에는 ITO(Indium Tin Oxide)가 투명전극재료로 가장 널리 사용하고 있다. ITO는 우수한 투과율, 높은 전기 전도성, 우수한 온습도 안정성을 가진 소재로서 현재 대부분의 디스플레이용 투명전극재료로 사용되고 있다.1-4) 또한 ITO 재활용과 재사용 공정 개발을 통해 가격 경쟁력도 계속해서 확보해 가는 중이다.
ITO의 변형률 1.57% 보다 변형률 9.4%에서 급격한 전기 저항 변화가 의미하는 것은? 4%에서 급격한 전기 저항 변화를 보였다. 이는 ITO 필름이 내측 굽힘 조건에서 더 우수한 기계적 변형성을 보이는 것을 의미한다. 굽힘 피로 실험에서는 외측 굽힘 및 내측 굽힘의 경우 모두변형률 1.
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참고문헌 (13)

  1. Y. S. Ahn, W. H. Kim, H. K. Oh, K. B. Park, K. Y. Kim, and S. H. Choa., "Characteristics of Flexible Transparent Capacitive Pressure Sensor Using Silver Nanowire/PEDOT:PSS Hybrid Film(in Kor)", J. Microelectron. Packag. Soc., 23(3), 21 (2016). 

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  2. H. Ohta, M. Orita, M. Hirano, H. Tanji, H. Kawazoe, and H. Hosono, "Highly electrically conductive indium-tin-oxide thin films epitaxially grown on yttria-stabilized zirconia (100) by pulsed-laser deposition", Applied Physics Letters, 76(19), 2740 (2000). 

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  3. R. B. H. Tahar, T. Ban, Y. Ohya, and Y. Takahashi, "Tin doped indium oxide thin films: Electrical properties", Journal of Applied Physics, 83(5), (1998). 

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  4. Y. S. Ahn, W. H. Kim, K. B. Park, K. Y. Kim, S. H. Choa, "Characteristics of Flexible Transparent Capacitive Pressure Sensor Using Silver Nanowire/PEDOT:PSS Hybrid Film(in Kor)", J. Microelectron. Packag. Soc., 23(3), 21 (2016). 

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  5. K. I. Kim, N. R. Kim, S. S. Lee, Y. S. Lee, S. J. Hong, Y. K. Son, and T. W. Hong "Evaluations of Life Cycle Assessment on Indium-Tin-Oxide Electrochemical Recycling Process", Clean Tech., 19(4), 388 (2013). 

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  6. S.-S. Lee, N.-R. Lee, K.-I. Kim, and T.-W. Hong, "Environmental Impacts Assessment of ITO (Indium Tin Oxide) Using Material Life Cycle Assessment", Clean Tech., 18(1), 69 (2012). 

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  7. B. J. Kim, M. H. Jeong, S. H. Hwang, H. Y. Lee, S. W. Lee, K. D. Chun, Y. B. Park, and Y. C. Joo, "Relationship between Tensile Characteristics and Fatigue Failure by Folding or Bending in Cu Foil on Flexible Substrate(in Kor)", J. Microelectron. Packag. Soc., 18(1), 55 (2011). 

  8. G. E. Dieter, and D. Bacon, "Mechanical Metallurgy", McGraw-Hill, London, pp.400 (1990). 

  9. B. J. Kim, H. A. Seul Shin, J. H. Lee, and Y. C. Joo "Effect of cyclic outer and inner bending on the fatigue behavior of a multi-layer metal film on a polymer substrate", Japanese Journal of Applied Physics, 55, 06JF01 (2016). 

  10. B. J. Kim, T. Haas, A. Friederich, J. H. Lee, D. H. Nam, J. Binder, W. Bauer, I.-S. Choi, Y.-C. Joo, P. Gruber, and O. Kraft, "Improving mechanical fatigue resistance by optimizing the nanoporous structure of inkjet-printed Ag electrodes for flexible devices", Nanotech., 25(12), 6 (2014). 

  11. R. Schwaiger, G. Dehm, and O. Kraft, "Cyclic deformation of polycrystalline Cu films", Taylor & Francis, 83(6), 693 (2003). 

  12. G. P. Zhang, C. A. Volkert, R. Schwaiger, P. Wellner, E. Arzt, and O. Kraft, "Length-scale-controlled fatigue mechanisms in thin copper films", Acta Materialia, 54(11), 3127 (2006). 

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  13. R. Schwaiger, and O. Kraft, "Size effects in the fatigue behavior of thin Ag films", Acta Materialia, 51(1), 195 (2003). 

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