The hybrid platform, which is the combination of rigid islands and stretchable interconnectors is one of the most promising approaches in the field of stretchable electronics, but it is criticized for its limited resolution compared to conventional electronics due to the large footprint occupied by essential wiring areas because of its horse-shoe shape. Furthermore, when using multiple interconnectors, a broader wiring area is required, imposing significant constraints on achieving high resolution. Additionally, reducing the size of interconnector to address these issues results in higher interconnector resistance, posing practical limitations. In this research, a new stretchable interconnector structure has been developed that allows for higher resolution and lower resistance while utilizing existing semiconductor fabrication processes.
Firstly, to achieve stable low-resistance interconnector in stretchable electronics, metal wiring was realized using aluminum, which has a low Young’s modulus and resistivity. The insertion of molybdenum thin films between aluminum and polyimide layers resolved manufacturing defects caused by the high reactivity between the two layers. Based on molybdenum-aluminum bilayer structure, highly stretchable and low-resistive stretchable interconnector was successfully fabricated. These bilayered interconnectors were then applied to oxide thin-film transistors to validate their practical applicability.
Secondly, the limitations of existing stretchable interconnector structures that utilize only the upper surface of the wires were structurally analyzed. To overcome these limitations, a novel stretchable interconnector structure was proposed, utilizing the sidewalls of the interconnector named “SWE” (sidewall wrapping electrode). This approach wrapping the sidewalls allows for reduced wiring size while maintaining low resistance, enabling high-resolution integration. The implementation of a high aspect ratio stretchable interconnector structure ensures improved stretchability and allows for the implementation of multiple signal lines even when required. Numerical simulations were used to analyze the stretchability of wiring, and a mask-less self-patterning process was newly introduced to implement the stretchable interconnector using both top surface and sidewall of the wire. Theoretical and experimental evidence showed that this approach increases display integration by several times while achieving even lower wiring resistance under the same design rules.
Finally, for practical applications of this high-resolution, low-resistive stretchable interconnector, a high-resolution stretchable display was implemented by adopting microLEDs to a stretchable display backplane based on this technology. The stretchable array exhibited a significantly higher FOM at the level of 4500 compared to existing technologies. By this way, high resolution and high stretchability were achieved simultaneously by adopting SWE structure.
단단한 아일랜드-신축 인터커넥터 플랫폼은 신축 전자소자 분야에서 가장 유망한 방법론 중 하나이지만, 신축에 필수적인 말발굽 형태의 배선부분이 큰 면적을 차지하여 비신축 전자소자 대비 크게 낮은 해상도를 갖는 것이 한계점으로 지적되고 있다. 이에 더하여 다중 배선을 사용하는 경우 더욱 넓은 배선영역이 요구되어 고해상도 구현에 큰 제약이 되고 있다. 또한, 이러한 문제를 해결하기 위하여 배선을 작게 만들게 되면 배선저항이 크게 증가하여 실질적인 활용에 큰 제약이 된다. 본 연구에서는 기존의 반도체 공정을 활용함과 동시에 배선의 측벽을 활용하여 고해상도 집적이 가능하며 낮은 저항을 가질 수 있는 새로운 신축배선구조를 구현하였다.
첫 째로, 신축에 안정적인 저저항 배선 구현을 위하여 낮은 영률과 낮은 비저항을 갖는 알루미늄을 사용하여 배선을 제작하였다. 몰리브데늄 박막을 알루미늄과 폴리이미드 사이에 삽입하여 금속이중층 구조를 구현함으로써 두 층 간의 높은 반응성으로 인한 제조불량문제를 해결함과 동시에 알루미늄의 특성에 따른 고신축, 저저항 배선을 제작하였고, 이를 트랜지스터로 응용하여 배선의 실질적인 적용성까지 검증하였다.
둘 째로, 신축배선의 상부만을 활용하는 기존의 신축배선이 갖는 한계를 구조적으로 분석하고, 이러한 한계를 극복하기 위하여 신축배선의 측벽까지 활용함으로써 배선의 크기를 감소시켜도 낮은 저항을 가질 수 있고, 동시에 고해상도 집적이 가능한 “SWE”로 명명된 새로운 형태의 신축배선구조를 제안하였다. 고종횡비의 신축배선 구현은 기존 구조 대비 더 높은 신축안정성을 확보할 수 있으며, 다중 배선이 필요한 경우에도 신축배선의 상부와 좌우측벽을 활용하여 하나의 신축배선으로도 여러 개의 신호배선을 구현하여 고집적 신축소자의 구현을 가능하게 하였다. 이를 안정적으로 구현하기 위하여 수치해석적 시뮬레이션을 통해 신축배선의 신축안정성을 분석하였고, PI 상에 구현되는 금속의 안정적인 증착방법과 신축배선의 측벽에 배선을 구현할 수 있는 자가형성공정방법을 새로이 도입하였다. 이러한 구조의 적용을 통하여 동일한 디자인 룰을 가지면서도 디스플레이의 집적도가 수 배 이상 증가할 수 있음과 동시에 배선의 저항은 오히려 더 낮은 값을 가질 수 있음을 이론적으로, 그리고 실험적으로 증명하였다.
마지막으로, 이러한 고집적, 저저항 배선의 실질적 응용을 위하여 이를 바탕으로 제작된 신축디스플레이 백플레인 상에 마이크로LED를 접합하여 고해상도 신축디스플레이를 구현하였다. 스트레쳐블 어레이는 SWE 구조를 채택함으로써 고해상도와 고신축성을 동시에 달성하였고, 이를 통하여 기존 기술 대비 훨씬 높은 4500 수준의 FOM을 나타내었다.
