미래의 전자 기기는 접고 굽히고 둘둘 마는 등 다양한 변형에도 전기적 안정성을 가지는 기기들로 발전할 것이며, 반복 기계적 변형 하에서 유연 전자 소자의 전기적 신뢰성 확보가 중요한 이슈로 부각되고 있다. 본 연구에서는 반복 롤링 변형이 가능한 장치를 개발하고 이를 이용해, 현재 유연 전자 소자용 투명 전극 소재로 가장 널리 사용 중인 ITO 박막의 반복 롤링 실험 중 전기적 특성 변화를 연구하였다. 전극과 기판의 상대적 위치에 의해 인장 응력과 압축 응력이 가해지므로, Outer rolling 및 Inner rolling의 두 조건에서 실험을 진행하여 응력 상태에 따른 전기적 신뢰성 차이를 연구하였다. 그 결과, inner rolling의 경우 outer rolling에 비해 더 우수한 전기적 안정성을 나타냈으며, 이는 inner bending에 의한 압축 응력 상태의 경우 crack closing 변형에 따라 전기저항이 상대적으로 낮게 증가하는 것으로 해석된다. 또한, 롤링 바퀴 수에 따른 피로 저항성을 실시간 전기저항 측정을 통해 연구하였으며, 그 결과, 롤링 바퀴 수가 증가할수록 피로 파괴 영역이 증가하므로 전기저항이 더욱 크게 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 롤링 조건에서 유연 전극의 신뢰성에 대해 이해하고, 이는 향후 유연 전자소자용 고신뢰성 전극 개발에 활용 될 수 있을 것으로 기대한다.
미래의 전자 기기는 접고 굽히고 둘둘 마는 등 다양한 변형에도 전기적 안정성을 가지는 기기들로 발전할 것이며, 반복 기계적 변형 하에서 유연 전자 소자의 전기적 신뢰성 확보가 중요한 이슈로 부각되고 있다. 본 연구에서는 반복 롤링 변형이 가능한 장치를 개발하고 이를 이용해, 현재 유연 전자 소자용 투명 전극 소재로 가장 널리 사용 중인 ITO 박막의 반복 롤링 실험 중 전기적 특성 변화를 연구하였다. 전극과 기판의 상대적 위치에 의해 인장 응력과 압축 응력이 가해지므로, Outer rolling 및 Inner rolling의 두 조건에서 실험을 진행하여 응력 상태에 따른 전기적 신뢰성 차이를 연구하였다. 그 결과, inner rolling의 경우 outer rolling에 비해 더 우수한 전기적 안정성을 나타냈으며, 이는 inner bending에 의한 압축 응력 상태의 경우 crack closing 변형에 따라 전기저항이 상대적으로 낮게 증가하는 것으로 해석된다. 또한, 롤링 바퀴 수에 따른 피로 저항성을 실시간 전기저항 측정을 통해 연구하였으며, 그 결과, 롤링 바퀴 수가 증가할수록 피로 파괴 영역이 증가하므로 전기저항이 더욱 크게 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 롤링 조건에서 유연 전극의 신뢰성에 대해 이해하고, 이는 향후 유연 전자소자용 고신뢰성 전극 개발에 활용 될 수 있을 것으로 기대한다.
Flexible electronics must be stable under various deformations such as bending, folding, and rolling. The reliability of ITO (Indium Tin Oxide) film used widely as a transparent electrode for flexible electronics has been studied using rolling fatigue test and bending test. During repeated rolling d...
Flexible electronics must be stable under various deformations such as bending, folding, and rolling. The reliability of ITO (Indium Tin Oxide) film used widely as a transparent electrode for flexible electronics has been studied using rolling fatigue test and bending test. During repeated rolling deformations, the electrical resistance was in-situ measured with different number of rotation. During rolling fatigue test, the electrical resistance of ITO film was significantly increased with increasing the number of rotation. As the stress state of ITO film is different according to the relative position of ITO and substrate, the rolling fatigue test was investigated under both outer and inner bending conditions. Inner rolling fatigue test showed superior electrical stability because the crack nucleation and propagation were retarded under compressive stress state.
Flexible electronics must be stable under various deformations such as bending, folding, and rolling. The reliability of ITO (Indium Tin Oxide) film used widely as a transparent electrode for flexible electronics has been studied using rolling fatigue test and bending test. During repeated rolling deformations, the electrical resistance was in-situ measured with different number of rotation. During rolling fatigue test, the electrical resistance of ITO film was significantly increased with increasing the number of rotation. As the stress state of ITO film is different according to the relative position of ITO and substrate, the rolling fatigue test was investigated under both outer and inner bending conditions. Inner rolling fatigue test showed superior electrical stability because the crack nucleation and propagation were retarded under compressive stress state.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 실험에서는 투명전극재료인 ITO 필름의 전기적 신뢰성을 반복 롤링 조건에서 실험하여 롤링 변형 중 피로 현상 대해 연구하였다. 또한 ITO 필름과 유연 기판의 상대적 위치에 따른 outer rolling 및 inner rolling 조건에서 전기저항 변화를 살펴보고, 인장 및 압축 응력 효과를 피로 균열분석을 통해 연구 하였다.
본 연구를 통해 ITO 필름의 롤러블 소자 적용 가능성과 한계점을 알아보았다. ITO 필름을 롤러블 전자 소자에 적용할 경우, ITO 필름이 인장 응력보다 압축 응력에서 훨씬 더 우수한 전기적 안정성을 가지기 때문에 inner rolling으로 디자인하는 것이 바람직하며, 롤링 길이가 늘어날수록 피로 손상 영역이 증가하기 때문에 너무 무리하게 긴 롤러블 소자를 디자인하는 것은 피할 것을 권장한다.
유연 기판상 ITO 필름의 반복 롤링 실험에 따른 신뢰성 연구를 진행하였다. ITO 필름의 롤링이 가능한 장치를 개발하여 전기저항을 실시간으로 측정하면서 특성을 평가하였다.
제안 방법
본 실험에서는 투명전극재료인 ITO 필름의 전기적 신뢰성을 반복 롤링 조건에서 실험하여 롤링 변형 중 피로 현상 대해 연구하였다. 또한 ITO 필름과 유연 기판의 상대적 위치에 따른 outer rolling 및 inner rolling 조건에서 전기저항 변화를 살펴보고, 인장 및 압축 응력 효과를 피로 균열분석을 통해 연구 하였다.
유연 기판상 ITO 필름의 반복 롤링 변형 신뢰성 평가를 실시 하였다. 100 nm 두께의 ITO 필름이 증착된 188 μm 두께의 PET(Polyethylene terephthalate) 필름을 시편으로 사용하였다.
100 nm 두께의 ITO 필름이 증착된 188 μm 두께의 PET(Polyethylene terephthalate) 필름을 시편으로 사용하였다. 다목적 변형 시험기(CKSI, Korea)를통해 반복 롤링 실험을 진행하였으며, 같은 장비를 이용하여 ITO 시편의 굽힘 실험 또한 실시하였다.
1(a)는 본 실험에서 사용한 롤링 실험 장치와 개념도를 보여주고 있다. 롤링 실험을 위해, 자유롭게 회전이 가능한 직경 10 mm의 봉을 제작하였고 한쪽 방향으로 회전력이 가해지도록 설계하였다. 그리고 다른 쪽에는 반복 직선 운동을 하는 지그를 제작하였다.
롤링 실험을 위해, 자유롭게 회전이 가능한 직경 10 mm의 봉을 제작하였고 한쪽 방향으로 회전력이 가해지도록 설계하였다. 그리고 다른 쪽에는 반복 직선 운동을 하는 지그를 제작하였다. ITO 시편의 한쪽 끝을 회전봉에 부착하고 다른 한쪽은 반복 직선 운동 지그에 장착하였다.
88%이다. 반복 롤링 변형을 각각 1바퀴, 2바퀴, 3바퀴로 달리하며, 최대 105 싸이클 동안 0.5 Hz 속도로 롤링 실험을 수행하였다. 또한 Fig.
5 Hz 속도로 롤링 실험을 수행하였다. 또한 Fig. 1(b)에서 나타낸 것과 같이 기판과 ITO 필름의 위치를 다르게 하여 outer rolling 및 inner rolling 조건에서 신뢰성을 평가하였다. 반복 롤링 실험 중 ITO 시편의 전기저항은 4 wire 방법을 통해 실시간으로 측정하였다.
반복 롤링 실험 중 ITO 시편의 전기저항은 4 wire 방법을 통해 실시간으로 측정하였다. 롤링 지그 부분에서는 시편에 실시간 전기저항 측정을 위한 연결부 형성이 불가능하므로 반복 운동 지그 부분을 이용하여 전체 시편의 전기 저항을 측정하였다. 시편의 가운데 부분에 노치를 선형으로 형성하고 전기 저항을 측정하여, 롤링 변형 부분의 전기저항 변화를 실시간으로 측정하였다.
롤링 지그 부분에서는 시편에 실시간 전기저항 측정을 위한 연결부 형성이 불가능하므로 반복 운동 지그 부분을 이용하여 전체 시편의 전기 저항을 측정하였다. 시편의 가운데 부분에 노치를 선형으로 형성하고 전기 저항을 측정하여, 롤링 변형 부분의 전기저항 변화를 실시간으로 측정하였다.
롤링 변형 결과를 설명하기 위하여 굽힘 실험 또한 실시하였으며, 굽힘 실험의 경우 두 판 사이의 간격을 30 mm에서 2 mm까지 단계별로 변경하면서 ITO 필름의 전기저항을 측정하였다. 이는 변형률 0.
4%에 해당한다7). 굽힘 실험도 outer bending 및 inner bending 두조건에서 실험을 진행 하였으며, 롤링 실험 결과와 비교분석하였다. 롤링 실험 및 굽힘 실험 후의 ITO 시편은 주사전자현미경(FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscope)을 통하여 표면을 관찰하였다.
굽힘 실험도 outer bending 및 inner bending 두조건에서 실험을 진행 하였으며, 롤링 실험 결과와 비교분석하였다. 롤링 실험 및 굽힘 실험 후의 ITO 시편은 주사전자현미경(FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscope)을 통하여 표면을 관찰하였다.
Outer rolling과 inner rolling 조건에서 ITO 필름의 신뢰성 차이의 원인을 확인하기 위해, ITO 필름을 이용하여 굽힘 실험을 시행하였다. 굽힘 실험의 경우 굽힘 반경을 30 mm에서 2 mm까지 변경하면서 전기저항 변화를 측정하였다.
유연 기판상 ITO 필름의 반복 롤링 실험에 따른 신뢰성 연구를 진행하였다. ITO 필름의 롤링이 가능한 장치를 개발하여 전기저항을 실시간으로 측정하면서 특성을 평가하였다. Outer rolling 피로 실험에서는 같은 봉을 사용하였으므로 변형률은 1.
대상 데이터
100 nm 두께의 ITO 필름이 증착된 188 μm 두께의 PET(Polyethylene terephthalate) 필름을 시편으로 사용하였다.
이론/모형
1(b)에서 나타낸 것과 같이 기판과 ITO 필름의 위치를 다르게 하여 outer rolling 및 inner rolling 조건에서 신뢰성을 평가하였다. 반복 롤링 실험 중 ITO 시편의 전기저항은 4 wire 방법을 통해 실시간으로 측정하였다. 롤링 지그 부분에서는 시편에 실시간 전기저항 측정을 위한 연결부 형성이 불가능하므로 반복 운동 지그 부분을 이용하여 전체 시편의 전기 저항을 측정하였다.
성능/효과
2(a)는 반복 롤링 실험 중 Outer rolling 조건에서 1바퀴, 2바퀴, 3바퀴 반복 롤링에 따른 전기저항 그래프이다. 1바퀴 반복 롤링 실험의 경우 전기 저항은 초반부터 꾸준히 증가하는 모양을 보이며, 5000 싸이클 이후에는 초기저항의 약 4000배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이에 비해 2, 3 바퀴의 조건에서는 전기저항이 초반부터 매우 급격하게 증가하여 수백 싸이클 이후에는 전기저항 측정이 불가능했다.
이에 비해 2, 3 바퀴의 조건에서는 전기저항이 초반부터 매우 급격하게 증가하여 수백 싸이클 이후에는 전기저항 측정이 불가능했다. 즉, 롤링 길이가 길어질수록 ITO 필름의 전기저항은 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
Inner rolling 조건에서 전기저항은 outer방향과 다르게 점진적으로 증가하는 모습을 보였다. 롤링 바퀴 수에 따라 5000 싸이클 롤링 이후 전기 저항을 비교하면 1바퀴에서는 전기저항이 4배, 2바퀴에서는 10배, 3바퀴에서는 약 20배 전기저항이 증가하는 것으로 나타났다. 즉, inner rolling의 경우는 전기적 파괴가 outer rolling에 비해 크게 덜하다는 것을 확인할 수 있다.
8) 이와 같은 압축 응력 변형의 경우 균열 끝부분의 응력 확대 계수가 감소하고 이에 따라 균열전파속도가 줄어드는 것으로 알려져 있다.9) 따라서 압축 응력에 의해 형성된 균열은 인장 응력에 의해 형성된 균열에 비해 상대적으로 짧고 전기 전도도를 많이 떨어뜨리지 않는다고 할 수 있다.
ITO 필름의 롤링이 가능한 장치를 개발하여 전기저항을 실시간으로 측정하면서 특성을 평가하였다. Outer rolling 피로 실험에서는 같은 봉을 사용하였으므로 변형률은 1.88%로 동일하지만, 롤링 바퀴가 늘어날수록 전기저항이 급격하게 증가하는 양상을 보였다. 이는 롤링 길이가 늘어날수록 피로 손상 구간이 증가하기 때문인 것으로 해석된다.
그러나 inner bending의 경우는 압축응력이 발생되어 굽힘 반경 5 mm에서는 짧은 균열이 형성되기 때문에 전자의 흐름에 큰 영향을 받지 않아 비교적 우수한 신뢰성을 확보할 수 있다. 결과적으로 ITO 필름의 전기적 신뢰성은 응력 모드와 변형 구간의 면적에 크게 영향을 받는 다는 것을 알 수 있었다. 본 결과를 토대로 향후 롤러블 소자용 고신뢰성 투명전극재료 개발에 많은 도움이 되길 기대한다.
후속연구
현대 사회는 스마트폰, TV, 태블릿 등 다양한 형태의 전자기기들을 사용하고 있으며, 이러한 전자 기기들의 휴대성, 이동성, 편의성을 더욱 높이고자 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 현재 평면 형태의 전자 소자들은 디스플레이가 약간 굽어진 형태 즉 curved 디스플레이를 적용한 TV, 스마트폰 등이 이미 제품화된 상태이며, 향후에는 반복적으로 기계적 변형이 가능한 즉, 자유자재로 휘어지는 flexible, bendable 형태로 진화할 것으로 예상된다. 나아가 휴대 시에는 제품을 작은 모양으로 말고, 사용시에는 펴서 사용하는 두루말이 형태의 rollable 전자기기로 발전해 갈 것이며, 실제 얇고 유연한 형태의 플렉서블 디스플레이를 종이처럼 말 수 있는 형태의 디스플레이가 활발히 연구되고 있다.
결과적으로 ITO 필름의 전기적 신뢰성은 응력 모드와 변형 구간의 면적에 크게 영향을 받는 다는 것을 알 수 있었다. 본 결과를 토대로 향후 롤러블 소자용 고신뢰성 투명전극재료 개발에 많은 도움이 되길 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 ε, r, h의 의미는?
여기서 ε, r, h는 변형률, 반경, 시편두께를 각각 의미하며, 롤링 변형 시 ITO 필름에 가해진 변형률은 1.88%이다.
ITO를 대신할 수 있는 투명전극 재료는?
2-4) 하지만 ITO의 단점은 기계적 변형에 취약하여 유연 전자 소자와 같이 굽히거나 말 수 있는 제품에 적용이 어렵다는 점이다. 따라서 최근에는 이러한 문제를 극복하기 위해 금속나노와이어5), 그래핀6) 등 다양한 대체 재료에 대한 연구가 활발히 연구 되고 있으나 아직까지 ITO를 대체하기는 전기적 광학적 성질이 부족한 실정이다. 따라서 ITO의 장점을 충분히 활용하면서 유연 전자 소자에 적용하려는 노력 또한 이루어지고 있다.
플렉서블 디스플레이는 어떻게 발전 될 것인가?
현재 평면 형태의 전자 소자들은 디스플레이가 약간 굽어진 형태 즉 curved 디스플레이를 적용한 TV, 스마트폰 등이 이미 제품화된 상태이며, 향후에는반복적으로 기계적 변형이 가능한 즉, 자유자재로 휘어지는 flexible, bendable 형태로 진화할 것으로 예상된다. 나아가 휴대 시에는 제품을 작은 모양으로 말고, 사용시에는 펴서 사용하는 두루말이 형태의 rollable 전자기기로 발전해 갈 것이며, 실제 얇고 유연한 형태의 플렉서블 디스플레이를 종이처럼 말 수 있는 형태의 디스플레이가 활발히 연구되고 있다.1) 이와 같은 rollable 전자 소자의 상용화를 위해서는 유연성 소재 및 유연 소자 개발은 물론, 반복 롤링(rolling) 변형 중에도 신뢰성을 확보하는 것이 매우 중요한 이슈이며 이를 위해 반복 롤링 변형 중 발생하는 신뢰성 문제에 대한 연구가 필요하다.
참고문헌 (10)
J. I. Lee, "A study on the Flexible Display; Technology Design Convergence", KOREA SCIENCE & ART FORUM 18, 519 (2014).
J. Lewis, "Material challenge for flexible organic devices", Center for Materials and Electronic Technologies., 9(4), 38 (2006).
Y. Leterrier, L. Medico, F. Demarco, J.-A.E. Manson, U. Betz, M. F. Escola, M. Kharrazi Olsson, and F. Atamny, "Mechanical integrity of transparent conductive oxide films for flexible polymer-based displays", Thin Solid Films, 460, 156 (2004).
D. Cairns, and G. P. Crawford, "Electromechanical Properties of Transparent Conducting Substrates for Flexible Electronic Displays", IEEE Spectrum, 93(8), 0018 (2005).
Z. Yu, L. Li, Q. Zhang, W. Hu, and Q. Pei, "Silver Nanowire- Polymer Composite Electrodes for Efficient Polymer Solar Cells", Advanced Materials, 23(38), 4453 (2011).
Y. Wang, R. Yang, Z. Shi, L. Zhang, D. Shi, D, E. Wang, and G. Zhang, "Super-Elastic Graphene Ripples for Flexible Strain Sensors", ACS Nano., 5(5), 3645 (2011).
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).
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).
G. E. Dieter and D. Bacon, Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill, London, pp.400 (1990).
J. G. Seol, B. J. Kim "Electrical reliability of ITO film on flexible substrate during bending deformations and bending fatigue (in Kor)", J. Microelectron. Packag. Soc., 24(4), 47-52 (2017)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.