Flexible device technology has been attracting great attention as a next generation technology coming after sem iconductor and display technologies. The flexible device means that the device could perform its intended functions under bending, stretching and folding deformations. The representative examples of the flexible device include flexible electronic and optical devices, stretchable bio/medical device, bendable and rollable solar cell and flexible display.
Organic materials have superior flexibility to most inorganic materials and provide useful platform for the flexible device technology, but suffer from low performance and reliability. On the other hand, the inorganic m aterials have superior perform ance and reliability over the organic materials, but suffer from low flexibility. Transfer technology is one of the promising routes for realization of flexible device with high performance. Silicon is the most widespread material in modern semiconductor technology, and its performance and reliability have been proven for last several decades while organic semiconductors have very low performance and reliability. The basic concept for realization of flexible silicon device is to transfer silicon thin films onto a polymeric substrate which can provide flexibility. Silicon is very fragile, but can sustain smaller radius of bending curvature when its thickness becomes thinner. When a silicon thin film is attached to a polymeric substrate, its mechanical behavior is dependent on that of freestanding silicon and interfacial behavior between the silicon and the substrate. Understanding the mechanical behavior of silicon thin film on a polymeric substrate provides basic design guidelines for the flexible silicon devices. In this study, single crystal silicon(SCSi) thin film with a thickness of 200 nm was chosen for the active material of the flexible device and polyimide substrate with a thickness of 50 ㎛ as a polymeric substrate.
The (100) SCSi layer on a silicon oxide layer deposited on a silicon substrate was patterned using an optical lithography, and then the patterned SCSi layer was partially released from the silicon substrate by etching out the silicon oxide layer using HF solution. The SCSi thin film on polyimide substrate was fabricated using transfer technology facilitating PDMS stamp. The mechanical behavior of the SCSi layer on polyimide substrate was measured using a micro-tensile test with a capability of optical strain measurement.
As a result of the tensile test, the failure strain of SCSi thin film was measured to be 2.8±0.11% in the crystal direction of <110> and 2.65±0.15% in the crystal direction of <100>. There was no interfacial delamination after the fracture of SCSi thin film. Interestingly, it was observed that the SCSi layer experienced the strain of only 2.8% when the polyimide substrate experienced that of 22%. This behavior is closely related to geometric parameters of the SCSi patterns on the polyimide substrate as well as the mechanical properties of SCSi, polyimide and UV curing type adhesive. To understand and model this observation, finite element analysis and analytical formulation based on shear lag were performed and useful guidelines for design of flexible silicon device was devised.
It was possible to increase the overall deformation of the substrate larger than 22% even when the critical tensile strain of SCSi was around 2.8%. This is due to the non-uniform strain distribution and the shear lag. By utilizing this observation, it is possible to increase the bendability and the stretchability of the flexible SCSi devices.
유연 전자 기술은 기존의 반도체와 디스플레이 산업에 이은 차세대 기술로서 매우 각광받고 있다. 유연 전자 장치란 장치가 굽힘이나 늘림, 접힘과 같은 변형 상태에서도 원하는 기능을 수행할 수 있는 기기를 말한다. 이에 대한 대표적인 유연 전자 장치의 예로서 유연 전자 광학 장치, 유연 생/의학 장치, 굽혀지거나 감겨질 수 있는 태양전지와 휘어짐이 가능한 디스플레이 장치가 있다. 유기 재료는 현재까지 알려진 바, 다른 재료에 비하여 매우 우수한 유연성을 가진 장치를 제작할 수 있는 가장 유용한 물질이다. 그러나 이와 같은 유기 재료는 매우 낮은 성능과 신뢰성을 가지게 되는 고질적인 문제점에 노출되어 있는 것이 사실이다. 다시 말하면, 현재 반도체 소자의 재료로 널리 사용되고 있는 물질들은 매우 우수한 성능과 신뢰성을 가지고 있지만 유기 재료에 비하여 낮은 유연성을 보이고 있다. 전사 기술은, 현재까지 알려진 매우 유용한 유연 전자 장치를 구현할 수 있는 기술이다. 실리콘은 현대 반도체 구현 기술에 있어서 가장 널리 사용되는 물질이며, 그 성능과 신뢰성이 지난 수 십년 동안 검증되어 왔다. 반면, 그 동안 유기 재료로 제작된 반도체는 매우 낮은 성능과 신뢰성을 보였다. 이에 관하여 전사 기술이란, 실리콘 박막을 유연 고분자 모재 위로의 옮기는 기술을 의미하며, 이는 유연한 성질을 가지는 실리콘 박막 장치를 만들 수 있는 기술로 평가 받고 있다. 실리콘은 매우 깨지기 쉬우나 그 두께가 대단히 얇을 경우, 작은 곡률 반경에서도 깨지지 않은 상태를 유지하며 굽혀질 수 있다. 박막 상태의 실리콘이 고분자 모재에 접착될 경우, 접착된 상태에서 보이는 기계적 거동은 실리콘 고유의 물질 특성과 실리콘과 모재의 접착 계면에서 발생하는 효과에 모두 영향을 받게 된다. 때문에 박막 상태의 실리콘이 고분자 모재에 접착된 상태에서 보이는 기계적 거동을 이해하는 것은 유연한 실리콘 장치를 제작함에 있어 반드시 필요한 사항이다. 따라서 본 연구에서는 200 nm 두께의 단결정 실리콘 박막을 50㎛ 두께의 폴리 이미드 모재에 접합시켜 실험을 진행하였다. 실험 재료로는 (100) 방향의 단결정 실리콘 박막이 존재하며 단결정 실리콘 박막 하부에 실리콘 옥사이드 층이 형성되어 있는 웨이퍼를 사용하였으며, 이를 광학적 리소그라피와 불산을 이용한 화학적 에칭을 통하여 모양을 형성하였다. 이와 같은 방식으로 형성된 단결정 실리콘 박막은 PDMS 스탬프를 이용한 전사 기술을 통하여 폴리 이미드 모재에 접합되며, 이후에 광학적 방식을 기반으로 하는 변형률 측정을 이용, 인장 실험을 진행하였다. 인장 실험의 결과, 단결정 실리콘의 <110> 방향에서는 2.8 0.11%의 파단 변형률을 보였으며, 유사한 방법을 통한 실험으로부터 <100> 방향에서는 2.65 0.15%의 파단 변형률이 확인되었다. 또한, 이와 같은 단결정 실리콘의 파단 현상이 발생하는 과정에서 단결정 실리콘 박막과 모재 사이에서의 박리 현상은 관찰되지 않았으며, 이와 같은 실험의 과정에서 흥미롭게도 모재의 22% 변형에 대하여 단결정 실리콘은 2.8%의 변형률을 보이게 되는 현상이 관찰되었다. 이 때, 이와 같은 현상은 단결정 실리콘과 모재 그리고 UV 경화형 접합 물질의 물질 특성과 형상 변수에 밀접한 관련이 있다. 이와 같이 관찰된 현상을 확인하기 위하여 유한 요소 해석을 진행하였으며, 전단 지연 함수에 기초하여 실험에서 발생하는 현상을 설명할 수 있는 함수를 유도하였다. 이는 유연한 실리콘 장치를 제작함에 있어서 유용한 가이드 라인으로 활용 될 수 있다. 이와 같은 함수에서 예측한 결과, 전단 지연 현상에 의하여 모재에 22%의 변형이 발생하는 상황에서도 단결정 실리콘에서는 2.8%의 변형이 가능함을 확인하였으며, 이는 전단 지연 현상에 의한 불 균일한 변형률 분포가 발생하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 전단 지연 현상을 응용, 예측 함으로서, 굽힘 능력과 인장 능력이 향상된 유연한 단결정 실리콘 장치를 만들 수 있음을 확인하였다.
