유연 기판 위 박막 금속의 비틀림 피로 거동 및 신뢰성 분석에 대한 연구

Abstract

현대의 전자기기는 기존의 휴대성을 넘어 생활 밀착형 소자로 발전하고 있다. 유연소자의 개발로 인해 설치 장소 제약이 줄었고 입거나 피부에 붙이고, 심지어 몸 속에 삽입까지 하는 형태로 다양하게 발전하고 있다. 사용자의 생활 정보를 실시간으로 얻기 위해 인체와 점점 가까워지는 과정에서, 신체의 곡률이나 변형률 등이 주요 구동 환경이 되었고 최대 약 20 %의 변형률에 대한 내구성을 요구한다. 이러한 요구에 따라서 기존 전자기기의 전기적, 열적 신뢰성뿐만 아니라 기계적 변형에 대한 신뢰성이 매우 중요해지게 되었다. 그 중에서도 반복 변형 구동 환경에 대한 기계적 신뢰성은 유연소자의 상업화 및 장기 신뢰성 확보에 필수적이다. 전자기기의 여러 재료들 중에서도 전극과 배선 역할을 담당하는 금속재료는 소자의 성능에 가장 직접적이고 큰 영향을 미친다. 기존 유연 기판 위 박막금속의 피로특성 연구들은 주로 굽힘 및 인장 변형의 신뢰성 평가에 대해 보고했고, 이는 단축 및 균일 변형에 한정되어 있다. 하지만 실제 유연전자기기의 구동 환경은 당김이나 굽힘의 변형과 비틀림 변형이 조합되거나 심지어는 구김과 같이 더욱 복잡하고 다양한 변형을 받게 된다. 이러한 변형들은 다축 및 분균일 변형에 해당한다. 비틀림 변형은 다른 기본 변형 형태와 다르게 두축 및 불균일 변형을 발생시키고 다중 응력 요소가 동시에 작용한다. 따라서 복합 변형에서의 피로거동을 이해하기 위해 비틀림 변형에 대한 피로거동 연구는 선행되어야 한다. 본 연구에서는 유연 기판 위 증착 된 구리 박막 배선의 반복 비틀림 변형에 따른 기계적 피로 현상을 조사하였다. 비틀림 각도 및 구리 배선의 기판 위 위치가 변형률 및 응력에 주는 영향에 대해 연구를 진행했고 각 조건 별 신뢰성을 평가하였다. 각도가 커질수록, 위치가 회전축으로부터 멀어질수록 전기저항은 더 낮은 반복 변형에서도 크게 증가했다. 피로 손상을 전자현미경으로 관찰 했을 때, 조건에 따라 탄성 및 소성 변형률이 크게 작용하는 구간이 있고 이는 각도 및 위치 변수에 의해 결정된다. FEM simulation 및 analytic model을 통해 계산한 변형률 값을 이용하여 변형률과 피로수명이 Coffin-Manson 및 Basquin 관계를 따름을 확인했고, 해당 샘플에서의 탄성 영역과 소성 영역을 명시했다. 본 연구는 비틀림 변형에서의 금속 박막의 피로 거동을 규명했고 변형률 및 응력 해석을 통한 소자 설계 가이드라인을 제시했다.