[논문]전해 도금을 이용한 높은 접착 특성을 갖는 섬유 기반 웨어러블 디바이스 제작

김형구; 노호균; 차안나; 이민정; 박준범; 정탁; 하준석

doi:10.6117/kmeps.2021.28.1.055

전해 도금을 이용한 높은 접착 특성을 갖는 섬유 기반 웨어러블 디바이스 제작
Fabrication of Fabric-based Wearable Devices with High Adhesion Properties using Electroplating Process 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.28 no.1, 2021년, pp.55 - 60

김형구 (전남대학교 신화학소재공학과) , 노호균 (전남대학교 CORE 에너지 융복합 전문 핵심연구지원센터) , 차안나 (전남대학교 신화학소재공학과) , 이민정 (전남대학교 신화학소재공학과) , 박준범 (한국광기술원 차세대 LED 연구센터) , 정탁 (한국광기술원 차세대 LED 연구센터) , 하준석 (전남대학교 신화학소재공학과)

초록
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유연한 특성을 유지하면서 높은 접착력을 가진 웨어러블 디스플레이를 제작하기 위하여 전해도금법을 이용한 접착법을 진행하였다. 또한 섬유에 접착된 LED의 사파이어 기판을 제거하기 위하여 LLO 전사법을 이용하였다. 그 후 전해도금을 이용한 접착법을 진행한 샘플의 SEM, EDS 데이터를 통하여 실제로 구리가 섬유직물의 격자사이를 관통하여 성장하며 광원과 섬유를 고정시켜주는 것을 확인하였다. 구리의 접착특성을 확인하기 위하여 Universal testing machine (UTM)을 이용하여 측정하였다. 도금 접착 후 laser lift-off (LLO) 전사공정을 완료한 샘플과 전사공정을 진행하지 않은 LED의 특성을 probe station을 이용하여 비교하였다. 공정 이후의 광원의 특성을 확인하기 위하여 인가 전류에 따른 electroluminescence (EL)을 측정하였다. 전류가 증가할수록 온도가 상승하여 Bandgap이 감소하기 때문에 spectrum이 천이하는 것을 확인하였다. 또한 radius 변화에 따른 샘플의 전기적 특성 변화를 probe station을 이용하여 확인하였다. Radius 변형에도 구리가 bending stress를 견딜 수 있는 기계적 강도를 가지고 있어 Vf 변화는 6% 이하로 측정되었다. 이러한 결과를 토대로 웨어러블 디스플레이 뿐만 아니라 유연성이 필요한 배터리, 촉매, 태양전지 등에 적용되어 웨어러블 디바이스의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to produce wearable displays with high adhesion while maintaining flexible characteristics, the adhesive method using electro plating method was carried out. Laser lift-off (LLO) transcription was also used to remove sapphire substrates from LEDs bonded to fibers. Afterwards, the SEM and EDS data of the sample, which conducted the adhesion method using electro plating, confirmed that copper actually grows through the lattice of the fiber fabric to secure the light source and fiber. The adhesion characteristics of copper were checked using Universal testing machine (UTM). After plating adhesion, the characteristics of the LLO transcription process completed and the LED without the transcription process were compared using probe station. The electroluminescence (EL) according to the enhanced current was measured to check the characteristics of the light source after the process. As the current increases, the temperature rises and the bandgap decreases, so it was confirmed that the spectrum shifted. In addition, the change in the electrical characteristics of the samples according to the radius change is confirmed using probe station. The radius strain also had mechanical strength that copper could withstand bending stress, so the Vf variation was measured below 6%. Based on these results, it is expected that it will be applied to batteries, catalysts, and solar cells that require flexibility as well as wearable displays, contributing to the development of wearable devices.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Electroplating process and Laser lift off process for adhesion of LEDs and fibers.
그림 Fig. 2. (a) SEM cross section of samples with electroplating and laser lift off process, (b) copper grown through fiber SEM, (d) EDS results of material penetrating between fiber grids.
그림 Fig. 3. (a) the method of measuring the adhesion of samples using UTM after the electroplating process, (b) the results of measuring the adhesion of samples
그림 Fig. 4. (a) I-V curve, (b) Voltage-Input current durability of LEDs that have completed all processes and LEDs before the adhesive and transcription process.
그림 Fig. 5. (a) luminescent images, (b) electroluminescence (EL) spectra of samples manufactured through adhesive and transcription processes.
그림 Fig. 6. (a) Image of decreasing the radius from 10 cm to 1 cm, (b) graph of the Vf characteristics and rate of change measured by radius reduction in samples with completion of adhesion and transcription.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전해도금 공정을 이용하여 섬유와 LED 를 접착하여 고접착 특성을 가진 웨어러블 디바이스를 제작하였다. 전해 도금 공정으로 섬유에 접착된 LED의 표면 및 도금된 금속의 성분을 확인하기 위하여 Scanning Electron microscope (SEM, Zeiss), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS, Zeiss)을 이용하였다.

가설 설정

특히 광원을 직접 섬유에 접착하는 경우, 광원이 섬유의 유연성으로 인한 지속적인 bending 스트레스에 의하여 광원의 contact 영역에 크랙(crack)을 유발하거나 끊길 수 있다.²³⁾Crack의 발생은 광원의 radiance 및 Current intensity, V_f 특성을 저하시킬 수 있으며, 부분 발광의 원인이 될 수 있다.

제안 방법

Fig. 5(a)와 같이 전사공정 후 기판을 분리한 샘플의 광특성을 확인하기 위하여 인가 전류에 따른 단일 Chip의 electroluminescence (EL) spectra 측정을 진행하였다. Fig.
6(a)는 굽힘 정도에 따른 발광하는 샘플의 이미지이다. 10 cm부터 1 cm까지 굽힘 정도를 달리 하여 전기적 특성을 확인하였다. Fig.
3(a)는 3시간 도금 접착 후 UTM을 이용하여 접착력을 측정한 방법을 나타낸 이미지이다. 3시간 도금 후 UTM의 상단부에 기판을 고정하고 하단부에 섬유를 고정하여 잡아당기는 방식으로 접착력을 측정하였다. Fig.
5 µm etching하였다. LLO 전사 공정 진행 시 laser의 강한 출력에 의한 광원의 피해를 최소화하기 위하여 n-GaN 영역에 UV-absorption layer로 Indium tin oxide (ITO)를 ITO E- beam을 이용하여 증착하였다. 이후 680^oC의 조건으로 산소 분위기에서 열처리를 진행하였다.
LED와 fabric을 고정하였다. 고정된 샘플을 구리 전해 도금 조에 넣어 전류를 3A 조건으로 인가하여 전해 도금을 진행하였다. 샘플에 원활한 용액 공급을 위하여 도금공정을 진행하면서 교반기를 이용하여 400 rpm 조건으로 교반 하였다.
광원과 fabric을 최대한 밀착시키고 도금 틀을 이용하여 LED와 fabric을 고정하였다. 고정된 샘플을 구리 전해 도금 조에 넣어 전류를 3A 조건으로 인가하여 전해 도금을 진행하였다.
이후 680^oC의 조건으로 산소 분위기에서 열처리를 진행하였다. 광원의 광 손실을 최소화하기 위하여 Ni/Ag/Ni/Au(550 nm) Reflector layer 를 E-beam을 이용하여 증착 하였다. 이후 reflector metal 의 adhesion을 향상시키기 위하여 430^oC에서 Rapid thermal annealing (RTA, Korea vacuum tech) 열처리를 진행하였다.
구매한 GaN wafer (Soft-epi)를 piranha solution을 사용하여 cleaning 한 후, chip Isolation 공정을 진행하였다. 총 7 µm의 두께를 Inductively coupled plasma (ICP, Vacuum science)를 이용하여 BCl₃/Cl₂ 가스로 etching 하였다.
감소한다. 그렇기 때문에 광원과 섬유의 전해도금 접착 전/후의 광원 특성을 확인하기 위하여 probe station을 이용하여 1 mA 기준으로 광원의 전기적 특성을 확인하였다. Fig.
또한 도금 접착된 샘플의 접착력을 확인하기 위하여 Universal testing machine (UTM, Shimadzu)을 이용하였다. 도금 접착 후 전사 공정 진행을 마친 샘플의 전기적 특성을 확인하기 위하여 Probe station을 이용하여 V_f와, electroluminescence (EL)측정하였다.
또한 도금 접착된 샘플의 접착력을 확인하기 위하여 Universal testing machine (UTM, Shimadzu)을 이용하였다. 도금 접착 후 전사 공정 진행을 마친 샘플의 전기적 특성을 확인하기 위하여 Probe station을 이용하여 V_f와, electroluminescence (EL)측정하였다.
도금공정을 완료하여 접착이 된 LED와 LED기판을 분리하기 위하여 LLO(Laser lift-off, QMC) 전사 공정을 진행하였다. LED chip 면적과 chip 간 간격이 550 µm이다.
모든 공정을 완료한 샘플의 인가 전류에 따른 EL을 측정하였을 때 전류가 증가할수록 온도가 상승하여 감소한 bandgap에 의하여 spectrum이 적색 천이하는 것을 또한 확인하였다. 또한 radius 변화에 따른 샘플의 전기적 특성 변화를 probe station을 이용하여 확인하였다. Radius 변형에도 구리가 bending stress를 견딜 수 있는 기계적 강도를 가지고 있어 V_f 변화는 6% 이하로 측정되었다.
전해 도금 공정으로 섬유에 접착된 LED의 표면 및 도금된 금속의 성분을 확인하기 위하여 Scanning Electron microscope (SEM, Zeiss), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS, Zeiss)을 이용하였다. 또한 도금 접착된 샘플의 접착력을 확인하기 위하여 Universal testing machine (UTM, Shimadzu)을 이용하였다. 도금 접착 후 전사 공정 진행을 마친 샘플의 전기적 특성을 확인하기 위하여 Probe station을 이용하여 V_f와, electroluminescence (EL)측정하였다.
6(b)는 bending stress에 의하여 전기적 특성을 확인하기 위하여 굽힘 정도를 다르게 하였을 때의 V_f와 radius에 변화를 주지 않은 값을 비교하였다. 또한 이에 radius에 변형을 주지 않은 샘플을 기준으로 하여 변화율을 측정하였다. 그 결과 radius에 변화를 주지 않은 LED의 V_f는 1 Ma 기준 2.
2 µm)을 증착 하였다. 위 모든 과정은 Energy Convergence Core Facility, Chonnam National University에 있는 Yellow room과 공정 room에서 진행하였다.
광원의 광 손실을 최소화하기 위하여 Ni/Ag/Ni/Au(550 nm) Reflector layer 를 E-beam을 이용하여 증착 하였다. 이후 reflector metal 의 adhesion을 향상시키기 위하여 430^oC에서 Rapid thermal annealing (RTA, Korea vacuum tech) 열처리를 진행하였다. Passivation layer로 SiO₂ (300 nm)을 Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD, OERLIKON) 를 이용하여 증착 하였다.
전체적인 공정은 Fig. 1과 같이 광원 제작 및 seed layer 증착, 섬유부착 후 구리 전해도금을 통한 섬유와 광원 접착, Laser lift off (LLO)를 이용한 광원 기판 제거 순으로 진행하였다.
전해 도금 공정으로 섬유에 접착된 LED의 표면 및 도금된 금속의 성분을 확인하기 위하여 SEM, EDS를 이용하였다. 또한 도금 접착된 샘플의 접착력을 확인하기 위하여 Universal testing machine (UTM, Shimadzu)을 이용하였다.
전해 도금 공정으로 섬유에 접착된 LED의 표면 및 도금된 금속의 성분을 확인하기 위하여 Scanning Electron microscope (SEM, Zeiss), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS, Zeiss)을 이용하였다. 또한 도금 접착된 샘플의 접착력을 확인하기 위하여 Universal testing machine (UTM, Shimadzu)을 이용하였다.
접착 특성을 확인하기 위하여 UTM을 이용하여 측정한 결과, 1506 gf/ 25mm가 측정되었다. 전해도금 접착 후 LLO 전사 공정을 완료한 샘플과 어떠한 공정도 진행하지 않은 LED의 특성을 probe station을 이용하여 비교하였다. 모든 공정을 진행한 샘플이 V_f특성이 더 좋게 나왔는데 이는 NR coating이 passivation의 역할을 수행하였기 때문이다.
Passivation layer로 SiO₂ (300 nm)을 Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD, OERLIKON) 를 이용하여 증착 하였다. 제작된 광원에 Polymer(NR) coating을 진행하였다. 이후 UV curing을 하고 170℃ 조건에서 10분간 baking하였다.

대상 데이터

Chipe 수직형 형태로 크기는 500 × 500 µm²으로 제작하였다. 구매한 GaN wafer (Soft-epi)를 piranha solution을 사용하여 cleaning 한 후, chip Isolation 공정을 진행하였다.
이후 reflector metal 의 adhesion을 향상시키기 위하여 430^oC에서 Rapid thermal annealing (RTA, Korea vacuum tech) 열처리를 진행하였다. Passivation layer로 SiO₂ (300 nm)을 Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD, OERLIKON) 를 이용하여 증착 하였다. 제작된 광원에 Polymer(NR) coating을 진행하였다.

이론/모형

고 접착력을 가진 웨어러블 디스플레이를 제작하기 위하여 전해도금법을 이용한 접착법을 진행하였다. 또한 섬유에 접착된 LED의 사파이어 기판을 제거하기 위하여 LLO 전사법을 이용하였다.
전해도금법을 이용한 접착법을 진행하였다. 또한 섬유에 접착된 LED의 사파이어 기판을 제거하기 위하여 LLO 전사법을 이용하였다. 그 후 전해도금을 이용한 접착법을 진행한 샘플의 SEM, EDS 데이터를 통하여 실제로 구리가 섬유직물의 격자사이를 관통하여 성장하여 광원과 섬유를 고정시켜주는 것을 확인하였다.

성능/효과

Fig. 5(b)와 같이 probe station을 이용하여 주입 전류를 10 mA 씩 증가시켜 spectrum을 측정한 결과 Input current가 증가할수록 EL의 intensity 또한 증가함을 확인할 수 있다. 그러나 전류가 증가할수록 EL 스펙트럼 값이 왼쪽으로 shift 하는 것을 확인하였다.
Fig. 2(c)와 같이 성장된 물질을 EDS를 통하여 확인한 결과 실제로 섬유를 관통하여 성장한 물질이 구리임을 확인하였다.
또한 이에 radius에 변형을 주지 않은 샘플을 기준으로 하여 변화율을 측정하였다. 그 결과 radius에 변화를 주지 않은 LED의 V_f는 1 Ma 기준 2.9 V가 측정되었고 radius를 변형하더라도 변화를 주지 않은 LED와 6% 이내의 변화율의 가진 전기적 특성을 보였다. 이는 광원과 섬유 사이에 도금된 구리가 변화한 radius에 의한 bend stress를 견딜 수 있는 기계적 강도와 섬유와 광원을 고정하는 접착력을 가지고 있음을 의미한다.
또한 섬유에 접착된 LED의 사파이어 기판을 제거하기 위하여 LLO 전사법을 이용하였다. 그 후 전해도금을 이용한 접착법을 진행한 샘플의 SEM, EDS 데이터를 통하여 실제로 구리가 섬유직물의 격자사이를 관통하여 성장하여 광원과 섬유를 고정시켜주는 것을 확인하였다. 접착 특성을 확인하기 위하여 UTM을 이용하여 측정한 결과, 1506 gf/ 25mm가 측정되었다.
5(b)와 같이 probe station을 이용하여 주입 전류를 10 mA 씩 증가시켜 spectrum을 측정한 결과 Input current가 증가할수록 EL의 intensity 또한 증가함을 확인할 수 있다. 그러나 전류가 증가할수록 EL 스펙트럼 값이 왼쪽으로 shift 하는 것을 확인하였다. 이는 전류가 증가하면 접합부 온도 상승에 의해 감소한 bandgap으로 인해 주파장의 적색 천이가 발생하기 때문이다.
모든 공정을 진행한 샘플이 V_f특성이 더 좋게 나왔는데 이는 NR coating이 passivation의 역할을 수행하였기 때문이다. 모든 공정을 완료한 샘플의 인가 전류에 따른 EL을 측정하였을 때 전류가 증가할수록 온도가 상승하여 감소한 bandgap에 의하여 spectrum이 적색 천이하는 것을 또한 확인하였다. 또한 radius 변화에 따른 샘플의 전기적 특성 변화를 probe station을 이용하여 확인하였다.
그 후 전해도금을 이용한 접착법을 진행한 샘플의 SEM, EDS 데이터를 통하여 실제로 구리가 섬유직물의 격자사이를 관통하여 성장하여 광원과 섬유를 고정시켜주는 것을 확인하였다. 접착 특성을 확인하기 위하여 UTM을 이용하여 측정한 결과, 1506 gf/ 25mm가 측정되었다. 전해도금 접착 후 LLO 전사 공정을 완료한 샘플과 어떠한 공정도 진행하지 않은 LED의 특성을 probe station을 이용하여 비교하였다.

후속연구

Radius 변형에도 구리가 bending stress를 견딜 수 있는 기계적 강도를 가지고 있어 V_f 변화는 6% 이하로 측정되었다. 이러한 결과를 바탕으로 LED 이외의 bio sensors, battery 등 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 기대한다.

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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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