유연 전자 소자용 금속 전극의 고온/고습 조건에서 기계적 피로 수명 연구
Mechanical Fatigue Lifetime of Metal Electrode for Flexible Electronics under High Temperature and High Humidity Condition
0
조회
0
다운로드
3
인용
0
참고문헌
키워드
초록
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 85oC/85% 습도두 가지로 조건에서, 기계적 변형이 없는 평평한 상태와 반복적으로 굽힘 변형을 가해주는 조건의 총4가지 환경 및 피로 복합 실험을 실시하였다. Al, Ag, Cu 전극 모두 기계적 변형이 없는 평평한 경우에 일반 환경 조건및 고온/고습 조건 모두 10시간 동안 전기 저항 변화가 발생하지 않았다. 일반 환경 조건에서 굽힘 피로 실험을 진행한경우, 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, Cu의경우 고온/고습 피로실험의 경우 10만 싸이클 이후 전기 저항이 90000% 이상 증가하였다. 이는 부식과 기계적 피로가 동시에 발생할 경우금속 전극에 매우 심각한 신뢰성 문제를 유발한다는 것을 의미하며, 환경 조건과 기계적 변형을 동시에 고려한 전극 소재 디자인이 필요하다는 것을 의미한다.
Abstract
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 (85oC/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.
참고문헌 (16)
- A. Schindler, "Solution-deposited carbon nanotube layers for flexible display applications", Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures, 37(1-2), pp.119~ (2007)
- K. J. Allen, "Reel to real: Prospects for flexible displays", Proc. IEEE, 93(8), pp.1394~ (2005)
- B. J. Kim, "Effect of film thickness on the stretchability and fatigue resistance of Cu films on polymer substrates", Journal of Materials Research, 29, pp.2827~ (2014)
- B. J. Kim, "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, pp.06JF01~ (2016)
- 설재근, "유연 기판상 ITO 박막의 롤링변형에 따른 신뢰성 연구", 마이크로전자 및 패키징학회지, 25(1), pp.29~33 (2018), 한국마이크로전자및패키징학회
- 설재근, "유연 기판상 ITO 전극의 굽힘변형 및 굽힘피로에 따른 전기적 신뢰성 연구", 마이크로전자 및 패키징학회지, 24(4), pp.47~52 (2017), 한국마이크로전자및패키징학회
- 권용욱, "비틀림 변형 중 ITO 필름의 시편 형태에 따른 기계적 전기적 파괴 연구", 마이크로전자 및 패키징학회지, 24(4), pp.53~57 (2017), 한국마이크로전자및패키징학회
- J. K. Yang, "Effect of twisting fatigue on the electrical reliability of a metal interconnect on a flexible substrate", Journal of Materials Research, 33(2), pp.138~ (2017)
- J. H. Koo, "Flexible and stretchable smart display: materials, fabrication, device design, and system integration", Advanced Functional Materials, 28(35), pp.1801834~ (2018)
- T. Sekitani, "Stretchable active-matrix organic light-emitting diode display using printable elastic conductors", Nature materials, 8(6), pp.494~ (2009)
- S. Suresh, "Fatigue of materials" (1999), Cambridge University Press
- G. E. Dieter, "Mechanical metallurgy" (1988), McGraw-Hill Book Company
- B. J. Kim, "Crack nucleation during mechanical fatigue in thin metal films on flexible substrates", Acta Materialia, 61(9), pp.3473~ (2013)
- R. Yasbolaghi, "Micro-structural aspects of fatigue crack propagation in atomistic-scale via the molecular dynamics analysis", Engineering Fracture Mechanics, 226, pp.106848~ (2020)
- H. H. Uhlig, "Corrosion and Corrosion Control:an introduction to corrosion science and engineering", pp.335~ (1985), John Wiley & Sons
- Y. Yan, "Effect of environment on fatigue strength of Cu", Si interface in nanoscale components, 2012, pp.556, 147~