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[국내논문] 유연 기판상 ITO 박막의 롤링변형에 따른 신뢰성 연구
Reliability study on rolling deformation of ITO thin film on flexible substrate 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.25 no.1, 2018년, pp.29 - 33  

설재근 (안동대학교 금속신소재공학과) ,  이동준 (안동대학교 금속신소재공학과) ,  김태욱 (안동대학교 금속신소재공학과) ,  김병준 (안동대학교 금속신소재공학과)

초록
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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 응력압축 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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

Keyword

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (10)

  1. J. I. Lee, "A study on the Flexible Display; Technology Design Convergence", KOREA SCIENCE & ART FORUM 18, 519 (2014). 

  2. J. Lewis, "Material challenge for flexible organic devices", Center for Materials and Electronic Technologies., 9(4), 38 (2006). 

  3. 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). 

  4. D. Cairns, and G. P. Crawford, "Electromechanical Properties of Transparent Conducting Substrates for Flexible Electronic Displays", IEEE Spectrum, 93(8), 0018 (2005). 

  5. 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). 

  6. 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). 

  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. 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). 

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

  10. 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) 

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