기계적 변형에 의한 유연전자소자의 사용 중 손상 및 전기적 특성 변화 메커니즘 분석

Abstract

최근 웨어러블 기기, 차량용 디스플레이 등 곡면 형태를 지속적으로 유지하는 제품들이 많이 사용되고 있다. 이와 같이 제품이 굽힘 변형을 받을 때 고장 없이 작동되기 위해서는 내부의 모든 부품도 휘어질 수 있어야 한다. 특히, 내부 부품 중 전원과 직접적인 연관이 있는 유연소자도 손상 없이 휘어질 수 있어야 한다. 유연소자는 금속 및 전도성 폴리머로 이루어져 있는 전자회로와 폴리머로 이루어져 있는 기판으로 구성되어 있다. 유연소자에 굽힘 변형이 가해지면 기판에 비해 얇고 좁은 형태로 제작되어 있는 회로에서 주로 손상이 발생하게 된다. 기존 연구들에서 이러한 손상의 원인을 파악하기 위해 굽힘 후 평면 상태에서 분석을 진행했으며, 굽힘 실험 관련 인자로 전기적 특성 변화를 분석했다. 따라서 가역적인 손상을 확인하기 위해 본 연구에서는 굽힘 상태에서 크랙을 관찰하고 크랙 관련 인자들로 전기적 특성 중 하나인 저항 변화를 분석하고자 했다. 유연소자와 유사한 시편을 제작하기 위해 유연기판으로 많이 사용되는 TPU 위에 전자회로 의 주 재료인 Au를 코팅하였다. 굽힘 변형 시 발생하는 크랙에 대해 관찰하기 위해 SEM을 사용하였으며, 굽힘 반지름 및 굽힘 상태에 따라서 어떻게 달라지는지 관찰하고자 한다. 시편을 굽힘 상태로 유지하기 위해 기존 SEM 지그에서 가운데 부분에 홈을 만들어 제작한다. 새로 제작한 SEM 지그에서 판의 굽힘 식과 삼각함수를 이용하여 구현 가능한 굽힘 반지름의 범위를 찾았으며, 이 범위 안에서 시편의 길이 조절로 다양한 굽힘 반지름을 구현할 수 있다. 이러한 굽힘 조건으로 굽힘 상태에서 시편을 관찰한 결과 가해지는 굽힘 반지름이 작아질수록 시편에 더 가혹한 곡률이 적용되고 시편 표면에 가해지는 인장응력도 증가하게 되어 크랙 폭이 넓고 크랙 수도 많이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 설정한 모든 굽힘 반지름에서 크랙이 발생한 것을 관찰할 수 있었고 이를 정량적으로 분석하기 위해 판의 굽힘 식과 항복변형률을 이용했다. 설정한 모든 굽힘 반지름을 변형률로 변환하고 항복변형률과 비교하여 크랙이 발생한 원인을 분석하고자 했다. 굽힘 상태에 따라 크랙 폭은 변화하는 것을 확인할 수 있고 크랙 밀도는 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 크랙 폭은 가역적인 변형이라 명명할 수 있고 크랙 밀도는 비가역적인 변형이라 명명할 수 있다. 굽힘 반지름에 따라 크랙 폭과 크랙 밀도가 달라지므로 회귀분석을 통해 이에 대한 상관관계를 분석할 수 있다. 또한 크랙 폭과 크랙 밀도 둘 다 굽힘 반지름과 관련이 있으므로, 크랙 폭과 크랙 밀도 간의 상관관계도 분석 하고자 했다. 크랙이 생성될 때 전기적 특성에 얼마나 영향을 미치는지 확인하기 위해 굽힘 상태와 앞서 설정한 조건인 굽힘 반지름에 따라 변화하는 저항 값을 측정했다. 먼저 굽힘 반지름에 따른 저항 변화를 분석하면 굽힘 반지름이 작아질수록 저항 변화가 더 많이 일어난다는 것을 알 수 있다. 그리고 굽힘 상태에 따른 저항을 분석하면 굽힘 상태가 되었을 때 크랙 폭과 크랙 밀도에 의해 저항 값이 증가하고 굽힘 후 평면상태가 되면 크랙 폭 감소로 저항이 일부 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 비가역적인 변형에 의해 변한 저항 값을 알 수 있고 가역적인 변형에 의해 변한 저항 값을 알 수 있으므로 전체저항 변화 값을 나누어 주면 크랙 폭과 크랙 밀도 중 어떤 인자가 저항 변화에 더 큰 영향을 미쳤는지 정량적으로 분석할 수 있다. 이와 같은 방법을 앞서 설정한 각 굽힘 반지름에 적용할 수 있었고 크랙 폭과 크랙 밀도의 기여도를 굽힘 반지름에 따라 비교할 수 있었다. 본 연구에서는 굽힘 상태를 유지한 채로 시편에서 발생하는 크랙에 대해 거동을 관찰하고 전기적 특성 변화를 분석했다. 크랙을 관찰한 결과 크랙 폭과 크랙 밀도로 나누어 관찰할 수 있었으며, 기존 문헌의 값을 사용한 항복변형률과 비교하여 설정한 모든 굽힘 반지름에서 크랙이 발생했다는 것을 입증했다. 이를 통해 크랙 폭과 같은 가역적인 변형의 영향이 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 전기적 특성 변화에서는 굽힘 상태에 따른 저항 변화 측정 결과 크랙 폭이 크랙 밀도보다 전체 저항 변화에 더 큰 영향을 미치는 것을 확인했으며, 굽힘 반지름이 작아질수록 크랙 폭의 기여도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 가역적인 변형이 손상에 미치는 영향이 크다는 사실을 확인할 수 있었다. 따라서 굽힘 변형 시 굽힘 상태에서 분석을 진행해야 가역적인 변형에 대한 영향을 확인할 수 있다는 사실을 입증했다.