다층 구조 설계를 통한 금속 박막 전극의 기계적 및 전기적 안정성 향상 연구 = Improvement of the Mechanical and Electrical Stability of Metal Thin Film Electrodes through Multilayer Structural Design

국문 초록 (Abstract)

최근 변형 가능한 전자(Deformable electronics) 기술은 기존 강체 전자소자의 형태적 한계를 극복할 수 있어 웨어러블 전자기기, 센서, 디스플레이, 광전자 소자 등 다양한 분야에서 활발히 연구되고 있다. 이러한 전자기기의 상용화를 위해서는 기계적 변형 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있는 소재와 소자 구조의 개발이 필수적이며, 특히 높은 전기전도성과 기계적 안정성을 동시에 갖는 전극 기술이 중요한 요소로 주목받고 있다. 기존 금속 박막 전극은 우수한 전기전도성을 제공하지만, 변형 시 쉽게 균열이 발생하여 전기적 특성이 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 다양한 구조 설계 및 복합 소재 기반 유연 전극이 개발되어왔으나, 전기전도성 저하 또는 공정 복잡성 증가라는 한계를 가진다. 이에 따라 기존 금속 전극의 높은 전기전도성을 유지하면서도 우수한 기계적 안정성을 확보할 수 있는 새로운 전극 설계 전략이 요구되고 있다. 본 연구에서는 금속 적층구조(laminate structure)를 기반으로 Al 전극층 사이에 나노미터 두께의 Cr 중간층(interlayer)을 도입하는 계면 제어 기술(interlayer engineering) 전략을 제안하고, Cr 중간층의 두께와 형태가 전극의 전기기계적 안정성에 미치는 영향을 체계적으로 규명하였다. 폴리이미드 기판 위에 열 증착 공정을 이용하여 Al 기반 적층 전극을 제작하였으며, Al층 사이에 삽입되는 Cr 중간층의 두께를 변화시키면서 구조적 특성, 기계적 특성 및 변형 시 전기적 특성을 비교 분석하였다. 굽힘 시험 결과, 적절한 두께의 초박막 Cr 중간층이 도입된 적층 전극은 반복적인 기계적 변형 과정에서도 전기저항 증가가 효과적으로 억제되어 우수한 전기기계적 안정성을 나타내었다. 반면 Cr 중간층이 연속적인 층을 형성할 정도로 두꺼운 경우, 취성 채널 균열(channel crack)이 먼저 발생하여 전극 안정성이 저하되었다. 전기기계적 안정성 향상의 원인을 규명하기 위하여 나노인덴테이션, 나노스크래치, 전자현미경 분석 및 X선 회절 분석을 수행하였다. 그 결과 Cr 중간층의 도입은 적층 전극의 경도와 탄성계수, 층간 접착력을 향상시키고, Al층의 결정립 크기를 감소시켜 결정립 강화(grain size strengthening)를 유도하며, 이에 따라 균열 발생 및 전파가 억제되는 것으로 확인되었다. 이러한 효과는 Cr 중간층의 존재 유무보다 연속성에 크게 의존하였다. 본 연구는 일반적으로 취성이 큰 금속으로 알려진 Cr이 적절한 두께와 형태로 설계될 경우 오히려 적층 금속 전극의 전기기계적 안정성을 향상시킬 수 있음을 실험적으로 규명하였다. 또한 적층 금속 전극의 기계적 거동과 파괴 특성이 중간층의 두께 및 연속성에 의해 크게 좌우됨을 제시함으로써, 서로 다른 기계적 특성을 갖는 금속의 조합을 활용한 고전도성·고신뢰성 전극 설계에 대한 새로운 설계 지침을 제공한다. 이러한 결과는 차세대 변형 가능 전자소자용 금속 전극 개발을 위한 중요한 학술적·기술적 기반을 제공할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 유연 전자소자의 필요성 1
• 제2장 유연 전극의 설계 전략 3
• 2.1 유연 전자소자와 유연 전극 3
• 2.2 유연 전극 설계 5
• 2.2.1 구조 기반 유연 전극 설계 5
• 2.2.2 소재 기반 유연 전극 설계 7
• 2.2.3 기존 유연 전극의 한계점 9
• 2.3 금속 다층 구조 설계 10
• 2.4 전극의 계면 제어 기술 12
• 2.5 유연 전극의 파괴 메커니즘 15
• 2.6 연구 목적 17
• 제3장 실험 방법 19
• 3.1 라미네이트 전극 제작 19
• 3.2 전기적 특성 분석 20
• 3.3 기계적 특성 분석 21
• 3.4 구조 및 표면 분석 22
• 제4장 결과 및 분석 23
• 4.1 라미네이트 전극 구조 설계 23
• 4.2 라미네이트 전극의 전기적 안정성 평가 33
• 4.3 Cr 중간층 두께에 따른 파괴 거동 분석 38
• 4.4 Cr을 포함한 전극의 기계적 특성 44
• 4.5 Cr 중간층에 의한 결정립 미세화 메커니즘 52
• 제5장 결론 55
• 참고문헌 57