[논문]유연 전자 소자용 금속 전극의 고온/고습 조건에서 기계적 피로 수명 연구

권용욱; 김병준

doi:10.6117/kmeps.2020.27.2.045

초록
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미래의 유연 전자 기기는 고온, 고습 환경 조건에서 사용될 수 있으며 반복적으로 굽히고 펴기를 반복하기 때문에 장기 신뢰성 확보를 위해서는 환경 조건과 반복 기계적 변형의 효과를 동시에 고려해야 한다. 본 연구에서는 전자기기에서 가장 일반적으로 사용되는 Al, Ag, Cu 전극을 유연 기판상에 진공 증착한 뒤 환경적인 요건을 상온/일반습도와 85℃/85% 습도 두 가지로 조건에서, 기계적 변형이 없는 평평한 상태와 반복적으로 굽힘 변형을 가해주는 조건의 총 4가지 환경 및 피로 복합 실험을 실시하였다. Al, Ag, Cu 전극 모두 기계적 변형이 없는 평평한 경우에 일반 환경 조건 및 고온/고습 조건 모두 10시간 동안 전기 저항 변화가 발생하지 않았다. 일반 환경 조건에서 굽힘 피로 실험을 진행한 경우, Al, Ag, Cu 전극 모두 금속의 피로 파괴 현상에 의해 10만 싸이클 이후 전기 저항이 약 400%~600% 증가하였다. 고온/고습에서 피로 실험의 경우, Al, Ag 전극은 일반 조건 피로 실험과 결과가 유사하였으나, Cu의 경우 고온/고습 피로실험의 경우 10만 싸이클 이후 전기 저항이 90000% 이상 증가하였다. 이는 부식과 기계적 피로가 동시에 발생할 경우 금속 전극에 매우 심각한 신뢰성 문제를 유발한다는 것을 의미하며, 환경 조건과 기계적 변형을 동시에 고려한 전극 소재 디자인이 필요하다는 것을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

As flexible electronics will be used under high temperature and high humidity with repeated bending deformations, the effects of environmental condition and repeated mechanical deformations are considered simultaneously to achieve long-term reliability. In this study, the mechanical reliability of m...

As flexible electronics will be used under high temperature and high humidity with repeated bending deformations, the effects of environmental condition and repeated mechanical deformations are considered simultaneously to achieve long-term reliability. In this study, the mechanical reliability of metal electrodes (Al, Ag, Cu) deposited on flexible polymer substrate is investigated under 4 different conditions: with and without repeated mechanical deformations and normal environmental or high temperature and high humidity conditions (85℃/85%). The mechanical failure does not occur in all the metal electrodes without mechanical deformation even under high temperature and high humidity conditions. The electrical resistance of metal electrode increased about 400% to 600% after 100,000 bending cycles under normal condition. For high temperature and high humidity condition, the electrical resistance of Al and Ag increased similarly. However, the resistance of Cu during bending fatigue test under high temperature and high humidity condition increased over 90000% because of the combined effect of corrosion and mechanical fatigue. This study can give a helpful information for designing electrode materials with high mechanical reliability under high temperature and high humidity.

Keyword

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. (a) Schematic illustration of metal electrode sample in high temperature and high humidity chamber. (b) An image of the metal electrode samples in flat state and the electrical connection. (c) Schematic of sliding fatigue test system in high temperature and high humidity chamber (d) Image of bending test and metal samples with electrical connection.
그림 Fig. 2. Changes in electrical resistances of metal films (Al, Ag, and Cu) in flat state as a function of time: (a) at room temperature and (b) under 85°C/85% humidity condition.
그림 Fig. 3. SEM images of metal films (Al, Ag, and Cu) after 10 hours (a) at room temperature and (b) under 85°C/85% humidity condition.
그림 Fig. 4. Changes in electrical resistances of metal films (Al, Ag, and Cu) as a function of bending cycles: (a) at room temperature and (b) under 85°C/85% humidity condition.
그림 Fig. 5. SEM images of the metal films after bending fatigue test (a) in room temp and (b) under 85°C/85% condition. (c) Optical images of the specimens after bending fatigue test under the high temperature and high humidity condition.

AI 본문요약
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문제 정의

유연 전자 소자용 금속 전극의 기계적 변형과 환경적 조건에 따른 장기 신뢰성에 대해 연구를 진행하였다. Al,Ag, Cu 세 가지 금속 전극을 진공 증착하여 상온/일반습도 조건과 85℃/85% 두 가지 환경조건에서 기계적 변경이 없는 평평한 상태와 반복적인 기계적 변형을 받는 피로 실험, 총 네 가지 조건을 실험하였다.

제안 방법

하지만, 고온/고습 환경 조건에서 플렉서블 전자 소자용 금속 전극의피로 파괴에 대한 연구는 장비 자체가 부식되거나 전기적 측정이 용이하지 않기 때문에 아직까지 많이 이루어지고 있지 않은 상황이다. 본 연구에서는 직접 개발한 고온/고습 환경용 기계적 신뢰성 평가 장치를 이용하여 Cu,Al, Ag 박막의 기계적 신뢰성을 연구하였다. 상온/일반습도 조건 및 85℃/85% 습도조건 두 가지 조건에서 반복 기계적 변형의 유무에 따른 전기저항의 변화를 살펴보았고,피로 실험 이후 표면 분석을 통해 환경 조건 및 반복 기계적 변형이 전기적 신뢰성에 미치는 영향에 대해 살펴보았다.
본 연구에서는 직접 개발한 고온/고습 환경용 기계적 신뢰성 평가 장치를 이용하여 Cu,Al, Ag 박막의 기계적 신뢰성을 연구하였다. 상온/일반습도 조건 및 85℃/85% 습도조건 두 가지 조건에서 반복 기계적 변형의 유무에 따른 전기저항의 변화를 살펴보았고,피로 실험 이후 표면 분석을 통해 환경 조건 및 반복 기계적 변형이 전기적 신뢰성에 미치는 영향에 대해 살펴보았다.

대상 데이터

125 μm 두께의 Polyimide (PI) 유연 기판을 아세톤, 알코올, deionized water 순으로 세정 한 후, Al, Cu, Ag 세종류의 금속을 각각 500 nm 두께로 Thermal evaporator를 이용하여 진공 증착하였다. 증착 중 base pressure는 1.

데이터처리

상온/일반습도, 85℃/85% 습도 두 가지 환경 조건과 평평한 상태 고정 조건과 sliding 변형 두 가지 기계적 변형 조건의 총 네 가지의 조건에서 Al, Ag, Cu 전극의 전기저항의 변화를 측정했다. 실험 후 주사 전자 현미경(FE-SEM, Field Emission Scanning Electron)과 광학현미경을 통하여 표면을 관찰하였다.

성능/효과

Al,Ag, Cu 세 가지 금속 전극을 진공 증착하여 상온/일반습도 조건과 85℃/85% 두 가지 환경조건에서 기계적 변경이 없는 평평한 상태와 반복적인 기계적 변형을 받는 피로 실험, 총 네 가지 조건을 실험하였다. 시간에 따른 전기저항 변화와 싸이클에 따른 전기저항 변화를 실시간으로 관찰한 결과, 기계적 변형이 없는 평평한 상태에서는 (1) 상온/일반 습도 조건 및 (2) 고온/고습 조건 모두 10시간 동안 세 종류의 시편 모두 전기 저항이 증가하지 않았으며 표면에 파괴도 관찰되지 않았다. (3) 상온/일반 습도조건에서 반복적인 기계적 변형을 받는 경우에는 Al, Ag,Cu 전극 모두 10만 싸이클 동안 피로 크랙이 발생하였고 이에 따라 전기 저항이 400%~600% 정도 증가하였다.
시간에 따른 전기저항 변화와 싸이클에 따른 전기저항 변화를 실시간으로 관찰한 결과, 기계적 변형이 없는 평평한 상태에서는 (1) 상온/일반 습도 조건 및 (2) 고온/고습 조건 모두 10시간 동안 세 종류의 시편 모두 전기 저항이 증가하지 않았으며 표면에 파괴도 관찰되지 않았다. (3) 상온/일반 습도조건에서 반복적인 기계적 변형을 받는 경우에는 Al, Ag,Cu 전극 모두 10만 싸이클 동안 피로 크랙이 발생하였고 이에 따라 전기 저항이 400%~600% 정도 증가하였다. (4)85℃/85%의 고온/고습 조건에서 피로 실험을 실시한 결과 Al 전극과 Ag 전극은 일반 환경 조건에서의 피로 실험과 비슷한 결과를 나타냈으나, Cu 전극은 상온/일반습도 조건의 피로 실험에 비해 고온/고습 조건 피로 실험의 전기 저항이 매우 크게 증가하였다.
(3) 상온/일반 습도조건에서 반복적인 기계적 변형을 받는 경우에는 Al, Ag,Cu 전극 모두 10만 싸이클 동안 피로 크랙이 발생하였고 이에 따라 전기 저항이 400%~600% 정도 증가하였다. (4)85℃/85%의 고온/고습 조건에서 피로 실험을 실시한 결과 Al 전극과 Ag 전극은 일반 환경 조건에서의 피로 실험과 비슷한 결과를 나타냈으나, Cu 전극은 상온/일반습도 조건의 피로 실험에 비해 고온/고습 조건 피로 실험의 전기 저항이 매우 크게 증가하였다. 이는 Cu 전극에 고온/고습 조건에서 부식 현상과 기계적 피로 파괴가 동시에 발생하면서 전극의 열화 현상이 가속화된 것으로 해석된다.

후속연구

유념해야 할 점은, Cu 전극에 고온/고습 조건만 가해졌을 경우 부식에 의한 신뢰성 문제는 발생하지 않으며, 상온/일반 습도 조건에서 기계적 피로 실험을 하는 경우에도 Al, Ag와 같은 다른 금속 전극들과 비슷한 양상을 나타냈다. 하지만, 고온/고습 조건에서 반복 기계적 변형이 가해질 경우 매우 심각한 신뢰성 문제가 발생하기 때문에 이에 대한 방지책과 해결책 마련에 노력을 기울여야 한다. 금속 박막의 종류에 따라 온도와 습도가 신뢰성에 미치는 영향력이 다를 것으로 생각된다.
이는 Cu 전극에 고온/고습 조건에서 부식 현상과 기계적 피로 파괴가 동시에 발생하면서 전극의 열화 현상이 가속화된 것으로 해석된다. 본 연구를 통해 향후 고온/고습 조건에서 유연 전자 소자가 사용될 때 고신뢰성 금속 전극 소재를 설계하기 위한 가이드라인으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Cu 전극의 고온 고습 조건 피로 실험 이후의 표면에서 뭉툭한 형태의 extrusion과 crack의 형태가 관찰된 것은 무엇을 의미하는가?	5(b)의 Cu 전극의 고온 고습 조건 피로 실험 이후의 표면에서는 뭉툭한 형태의 extrusion과 crack의 형태가 관찰되었다. 이는 85℃/85% 조건에서 기계적 변형 시 Cu의 산화 현상이 매우 활발히 나타나는 것을 보여주고 있다. Fig.
	현재 널리 사용되고 있는 금속 전극 재료에는 어떠한 것들이 있는가?	더욱이 플렉서블 전자 기기가 고온 고습환경에서 사용될 경우 환경적인 요인과 반복적인 기계적 변형이 동시에 가해지기 때문에 이러한 조건에 대한 신뢰성 연구는 꼭 필요한 실정이다. 현재 가장 널리 사용되는 금속 전극 재료는 Cu, Al, Ag 등이 있으며, Cu는 우수한 전기전도성, 높은 기계적 성질을 가지며, Al은 산화피막에 의한 높은 환경적 안정성을, Ag는 우수한 환경 안정성과 높은 전기전도도를 가진다. 금속 전극의 각각의 특성이 다르고 조건에 따라 장단점을 가지고 있기 때문에, 고신뢰성 플렉서블 전자기기용 금속 전극을 개발하기 위해서 다양한 금속 전극의 전기적, 기계적, 화학적 안정성을 동시에 살펴보는 연구가 필요하다.
	플렉서블 전자기기에 기계적 변형이 반복적으로 가해질 경우 발생하는 피로 파괴의 원인은 무엇으로 알려져있는가?	플렉서블 전자기기에 기계적 변형이 반복적으로 가해질 경우 금속 전극에는 피로 파괴가 발생하게 된다. 피로 파괴는 재료의 파괴 강도보다 낮은 응력을 반복적으로 받을 때 발생하며 일반적으로 반복 변형 동안 전위의 비가역적인 움직임에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다.11,12)

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