[논문]플렉서블 디스플레이용 박막 소재 물성 평가

오승진; 마부수; 김형준; 양찬희; 김택수

doi:10.6117/kmeps.2020.27.3.077

플렉서블 디스플레이용 박막 소재 물성 평가
Measurement of Mechanical Properties of Thin Film Materials for Flexible Displays 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.3, 2020년, pp.77 - 81

오승진 (KAIST 기계공학과) , 마부수 (KAIST 기계공학과) , 김형준 (KAIST 기계공학과) , 양찬희 (KAIST 기계공학과) , 김택수 (KAIST 기계공학과)

초록
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차세대 디스플레이 시장을 선도하기 위해서는 롤러블(rollable), 폴더블(foldable) 디스플레이와 같은 플렉서블(flexible) OLED 디스플레이의 상용화 및 양산화가 필수적이나, 실제 공정 및 굽힘 과정에서 발생하는 극심한 박막 내부 응력 변화로 인한 기계적 파손 문제가 심각한 상황이다. 따라서, 플렉서블 디스플레이 구조에 사용되는 박막 재료의 기계적 물성을 파악하는 것은 제품의 강건한 설계 및 구조 최적화에 필수적이다. 본 논문에서는 물 표면 플랫폼을 이용한 나노 박막 인장 시험법을 적용하여 플렉서블 디스플레이 패널에 적용되는 금속 및 세라믹 박막 소재들의 인장 물성을 정량적으로 측정하였다. 스퍼터링(Sputtering)으로 증착된 Mo, MoTi 나노 박막과, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)으로 증착된 SiN_x 나노 박막의 탄성 계수와 인장 강도 및 연신율을 측정하는 데 성공하였다. 결과적으로 박막의 증착 조건 및 두께에 따라 기계적 물성이 크게 변화할 수 있음을 확인하였으며, 측정된 인장 물성은 기계적으로 강건한 롤러블, 폴더블 디스플레이의 설계를 위한 응력 해석 모델링 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Commercialization of flexible OLED displays, such as rollable and foldable displays, has attracted tremendous interest in next-generation display markets. However, during bending deformation, cracking and delamination of thin films in the flexible display panels are the critical bottleneck for the commercialization. Therefore, measuring mechanical properties of the fragile thin films in the flexible display panels is essential to prevent mechanical failures of the devices. In this study, tensile properties of the metal and ceramic nano-thin films were quantitatively measured by using a direct tensile testing method on the water surface. Elastic modulus, tensile strength, and elongation of the sputtered Mo, MoTi thin films, and PECVD deposited SiNx thin films were successfully measured. As a result, the tensile properties were varied depending on the deposition conditions and the film thickness. The measured tensile property values can be applied to stress analysis modeling for mechanically robust flexible displays.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Experimental setup. (a) Construction of test instruments. (b) Strain measurement by DIC method.
그림 Fig. 2. Procedure for specimen fabrication. (a) Deposition of thin films. (b) Dog-bone patterning using femtosecond laser (scale bar = 500 μm). (c) Cross-section view of the deposited specimen and dimension of the patterned dogbone shape.
그림 Fig. 3. Procedure for tensile test on water surface. (a) Peeling of the specimen. (b) Removing the neck support. (c) Etching of Cu sacrificial layer. (d) Tensile test on water surface.
그림 Fig. 4. Stress-strain curves of 305 nm-thick Mo nano-thin films.
그림 Fig. 5. Stress-strain curves of 110 nm-thick MoTi nano-thin films.
그림 Fig. 6. Stress-strain curves of 117 nm and 202 nm-thick SiN_x thin films.
$Fig. 7. CCD camera images of the fractured 117 nm and 202 nm-thick SiN<sub>x</sub> thin films and OM images of each surface showing blistering phenomenon.$ 그림 Fig. 7. CCD camera images of the fractured 117 nm and 202 nm-thick SiN_x thin films and OM images of each surface showing blistering phenomenon.
그림 Fig. 8. Tensile properties of the thin films for flexible OLED displays. (a) Elastic modulus. (b) Tensile strength. (c) Elongation.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 물표면 환경에서 기판이 없는 상태의 초박막을 인장할 수 있는 물 표면 인장 시험법을 활용하여 플렉서블 OLED 내 소자층의 게이트(gate)와 봉지층에 활용되는 금속 및 세라믹 나노 박막의 인장 물성을 정량적으로 측정하고자 하였다. 그 결과, 스퍼터링(sputtering) 증착 박막인 Mo, MoTi 나노 박막과 PECVD 증착 박막인 SiN_x 나노 박막의 인장 물성을 정밀하게 측정하는 데 성공하였다.

제안 방법

박막의 인장 실험에서 정확한 응력 값을 계산하기 위해서는 인장력이 가해진 시편 목 부분의 단면적을 정확히 측정해야 한다. 따라서, 본 연구에서는 인장 실험이 완료된 박막을 세척된 Si 기판으로 전사한 후 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 이용하여 박막의 두께를 정밀하게 측정하여 인장 물성 계산에 반영하였다. 박막의 두께는 시편에서 무작위로 다섯 지점을 측정하여 평균값을 계산하였다.
본 연구에서는 물 표면 플랫폼 기반 나노 박막 인장 시험기를 이용하여 롤러블, 폴더블 OLED 디스플레이 내스퍼터링, PECVD 증착 박막 소재들의 인장 물성을 정량적으로 측정하였다. 그 결과 스퍼터링으로 증착된 Mo 박 있다.

대상 데이터

가장 먼저, Fig. 2(a)와 같이 표면에 실리콘 산화막(SiO₂)이 형성된 실리콘(Si) 기판(525±25 µm) 위에 구리(Cu) 희생층(1 µm)을 증착한 후 그 위에 분석하고자 하는 금속 및 세라믹 박막을 증착하였다. 본 연구에서 분석한 Mo, MoTi 박막은 스퍼터링 증착법으로 각각 목표 두께 300 nm, 100 nm로 증착되었으며, 증착 압력은 각각 0.

데이터처리

시편의 양쪽에 로드셀(LTS-50GA, KYOWA, Japan)과 리니어 액추에이터(M-111 DG, PI, Germany)가 있어 시편에 변위을 가하는 동시에 시편이 받고 있는 하중 값을 측정하였다. 또한, 인장 실험 중 장비의 수직 방향 위쪽에 CCD 카메라를 설치하여 디지털 이미지 상관법(Digital Image Correlation, DIC)으로 시편 표면의 패턴을 추적하여 변형률을 실시간으로 계산하였다. DIC 기법은 디지털 카메라로 촬영된 변형 전후 사진의 변화를 추적하여 비접촉식으로 변형 분포를 측정하는 방법으로, 각 픽셀의 밝기 정도를 상관 함수로 계산하여 가장 상관도가 큰 지점을 추적할 수 있다.

이론/모형

2(c)에 자세히 나타내었다. Dog-bone 형상 가공 후에는 DIC 기법을 활용하여 변형률을 측정하기 위한 패턴을 형성하기 위해 수 마이크로미터 크기의 흑연 입자(Graphite particle)를 시편 표면에 분산시켰다. 이 때, 흑연 입자는 시편과의 반데르발스 힘(van der Waals force)과 정전기적 인력으로 인장 시험 시 변형 없이 시편 표면의 변위를 따라갈 수 있게 된다.

성능/효과

측정된 탄성계수는 PECVD 증착 SiN_x 박막의 탄성 계수에 관해 기존에 보고된 문헌값(109-153 GPa)¹¹⁾과 큰 차이가 없는 수준이었다. 300 nm 두께의 SiN_x 박막은 매우 취성하여 실험이 불가능하였기에 SiN_x 박막의 인장 강도와 연신율은 두께가 증가함에 따라 크게 감소한다는 것을 유추할 수 있었다. 그 첫 번째 원인으로, 기존 문헌에서 제시한 것과 같이 세라믹 박막의 두께가 증가할수록 내재하는 결함의 빈도가 높아지기 때문에 더 낮은 인장 응력에서 파단이 일어나는 것으로 생각할 수 있다.
8에는 본 연구에서 측정한 인장 물성을 정리하여 그래프로 나타내었다. Mo 박막과 MoTi 박막을 비교하였을 때는 Mo 박막의 기계적 특성이 더욱 우수했으며, 따라서 기계적으로 더 신뢰성이 높은 게이트 전극 물질은 Mo라고 판단된다. SiN_x 박막은 동일 증착 조건에서 두께에 따른 인장 강도의 차이가 거의 없었지만 낮은 두께일수록 연신율과 인장 강도가 우수하였다.
Mo 박막과 MoTi 박막을 비교하였을 때는 Mo 박막의 기계적 특성이 더욱 우수했으며, 따라서 기계적으로 더 신뢰성이 높은 게이트 전극 물질은 Mo라고 판단된다. SiN_x 박막은 동일 증착 조건에서 두께에 따른 인장 강도의 차이가 거의 없었지만 낮은 두께일수록 연신율과 인장 강도가 우수하였다. 현재 롤러블, 폴더블 디스플레이에 사용되는 박막의 공정 조건과 두께는 매우 다양하기 때문에 본 연구 결과는 공정 조건 및 두께에 따라 박막의 기계적 물성이 크게 달라진다는 점을 실험적으로 확인하여 제시하였다는 점에서 큰 의의를 가진다.
따라서 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 물표면 환경에서 기판이 없는 상태의 초박막을 인장할 수 있는 물 표면 인장 시험법을 활용하여 플렉서블 OLED 내 소자층의 게이트(gate)와 봉지층에 활용되는 금속 및 세라믹 나노 박막의 인장 물성을 정량적으로 측정하고자 하였다. 그 결과, 스퍼터링(sputtering) 증착 박막인 Mo, MoTi 나노 박막과 PECVD 증착 박막인 SiN_x 나노 박막의 인장 물성을 정밀하게 측정하는 데 성공하였다. Mo, MoTi 나노 박막의 경우 공정 조건의 차이에서 기인하여 기존 문헌과 탄성계수에 큰 차이가 있었다.
Mo, MoTi 나노 박막의 경우 공정 조건의 차이에서 기인하여 기존 문헌과 탄성계수에 큰 차이가 있었다. 또한, SiN_x 나노 박막은 두께에 따라 탄성계수의 차이가 거의 없었지만, 인장 강도와 연신율에 큰 차이가 있음을 확인하였다.
5에 삽입된 이미지와 같이 다발성 균열 진전도 확인할 수 있었다. 인장 물성을 분석한 결과, 박막의 탄성계수는 98±3 GPa, 인장 강도는 253±17 MPa, 연신율은 0.26±0.02%로 측정되었다. 본 연구에서 측정한 Mo 박막의 탄성 계수가 217 GPa, 문헌에서 보고된 Ti 박막의 탄성계수가 약 90 GPa¹⁰⁾ 인 것을 고려하였을 때, MoTi 박막의 탄성계수는 그 사이값이므로 혼합법칙(rule of mixture)에 의해 측정값이 합리적임을 알 수 있다.
6에 SiN_x 나노 박막의 두께에 따른 대표 응력-변형률 선도를 나타내었으며, 목표 두께 100 nm, 200 nm로 증착된 SiN_x 박막의 실측 두께는 각각 117 nm, 202±3 nm이었다. 인장 실험 결과, 117 nm 두께 SiN_x 박막의 탄성 계수와 인장 강도, 연신율은 각각 110 GPa, 259 MPa, 0.25%로 측정되었으며 202 nm 두께 SiN_x 박막의 경우는 각각 119±6 GPa, 74±7 MPa, 0.063±0.005%로 측정되었다. 측정된 탄성계수는 PECVD 증착 SiN_x 박막의 탄성 계수에 관해 기존에 보고된 문헌값(109-153 GPa)¹¹⁾과 큰 차이가 없는 수준이었다.
SiN_x 박막은 동일 증착 조건에서 두께에 따른 인장 강도의 차이가 거의 없었지만 낮은 두께일수록 연신율과 인장 강도가 우수하였다. 현재 롤러블, 폴더블 디스플레이에 사용되는 박막의 공정 조건과 두께는 매우 다양하기 때문에 본 연구 결과는 공정 조건 및 두께에 따라 박막의 기계적 물성이 크게 달라진다는 점을 실험적으로 확인하여 제시하였다는 점에서 큰 의의를 가진다.

후속연구

그 결과 스퍼터링으로 증착된 Mo 박 있다. 궁극적으로는 측정한 물성 데이터 베이스를 활용하여 롤러블, 폴더블 OLED 디스플레이의 기계적 신뢰성 향상에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.
따라서 SiN_x 박막으로 봉지층의 설계 시, 상대적으로 더 얇은 두께의 SiN_x 박막을 활용하는 것이 기계적으로 강건하다. 하지만, 봉지 막의 본 기능은 외부 환경으로부터 내부 소자를 보호해야 하는 것이므로, 이를 함께 고려하여 최적 두께를 찾는 것이 중요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플렉서블(flexible) OLED 디스플레이의 상용화 및 양산화에 걸림돌이 되는 요소는?	차세대 디스플레이 시장을 선도하기 위해서는 롤러블(rollable), 폴더블(foldable) 디스플레이와 같은 플렉서블(flexible) OLED 디스플레이의 상용화 및 양산화가 필수적이나, 실제 공정 및 굽힘 과정에서 발생하는 극심한 박막 내부 응력 변화로 인한 기계적 파손 문제가 심각한 상황이다. 따라서, 플렉서블 디스플레이 구조에 사용되는 박막 재료의 기계적 물성을 파악하는 것은 제품의 강건한 설계 및 구조 최적화에 필수적이다.
	물 표면 인장 시험법으로 플렉서블 OLED 내 소자층 게이트와 봉지층에 활용되는 금속 및 세라믹 나노 박막의 인장물성을 정량적으로 측정한 결과는 어떻게 나타났는가?	따라서 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 물표면 환경에서 기판이 없는 상태의 초박막을 인장할 수 있는 물 표면 인장 시험법을 활용하여 플렉서블 OLED 내 소자층의 게이트(gate)와 봉지층에 활용되는 금속 및 세라믹 나노 박막의 인장 물성을 정량적으로 측정하고자 하였다. 그 결과, 스퍼터링(sputtering) 증착 박막인 Mo, MoTi 나노 박막과 PECVD 증착 박막인 SiNx 나노 박막의 인장 물성을 정밀하게 측정하는 데 성공하였다. Mo, MoTi 나노 박막의 경우 공정 조건의 차이에서 기인하여 기존 문헌과 탄성계수에 큰 차이가 있었다. 또한, SiNx 나노 박막은 두께에 따라 탄성계수의 차이가 거의 없었지만, 인장 강도와 연신율에 큰 차이가 있음을 확인하였다.
	취성 박막의 기계적 파손을 방지하기 위해 필수적인 노력에는 어떤것이 있을까?	2,3) 특히 플렉서블 OLED 내 소자 및 봉지 층에는 수백 나노미터 두께의 매우 얇은 금속 및 세라믹 재료들이 사용되는데, 이러한 재료들은 기계적으로 매우 취성하여 작은 변형에도 균열 혹은 박리가 쉽게 발생한다. 따라서, 이러한 취성 박막의 기계적 파손을 예측 및 방지하여 기계적 신뢰성을 향상시키기 위해서는 디스플레이 내 박막 재료의 탄성계수, 인장 강도, 연신율 등의 기계적 물성을 정확히 파악하는 것이 필수적이다.4,5)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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