Flexible electronics are attracting great attentions as next generation electronics due to its diverse design and applications. These electronics usually consist of polymeric substrates coated with electrode between electronic devices. Since they are easily under mechanical loadings such as bending, twisting and stretch-ing by flexible polymer substrate, mechanical reliability problems can be occurred. So, it is critical to do stable operation under mechanical loadings for reliable flexible electronics.
Graphene which have unique physical properties is expected to be an excellent material for flexible elec-tronics. Extensive researches have been performed to apply graphene for flexible electronics such as su-percapacitor, transistor, electrode and sensor.
In this thesis, we introduce two approaches for mechanical reliability enhancement of flexible electronics using graphene. First is the use of graphene for reliable flexible transparent electrode and second is the reliability enhancement of the electronic device using graphene.
First, artificially layered CVD graphene is suggested as a promising candidate for a reliable flexible trans-parent electrode. In contrast to single-layer graphene (SLG), multi-layer graphene (MLG) has excellent electromechanical stretchability owing to the strain relaxation facilitated by sliding among the graphene layers. Macroscopic and microscopic electromechanical tensile tests were performed to understand the key mechanism for the improved stretchability, and crack generation and evolution were systematically investigated for their dependence on the number of CVD-graphene layers during tensile deformation using lateral force microscopy. The stretchability of double-layer graphene (DLG) is much larger than that of SLG and is similar to that of triple-layer graphene (TLG). Considering the transmittance and the cost of transfer, DLG can be regarded as a suitable candidate for reliable flexible transparent electrodes.
Second, artificially layered CVD graphene is suggested as an interlayer for reliability improvement of the electronic device. The representative material for electronic device was selected to Indium tin oxide (ITO). In-situ electromechanical test of ITO/MLG/substrate and ITO/substrate were performed to obtain the crack density and the electrical resistance.
Crack density of ITO in ITO/MLG/substrate was smaller than that of ITO/substrate. The main reason was uncovered a sliding between graphene layers through comparing interface adhesion. It is expected that this behavior can be applied to other electrodes or electronic devices. Shear lag model was adapted to describe the interlayer behavior of ITO/MLG structure. A good fit between the experimental data and the shear lag model was obtained. Those results show the possibility of reliability enhancement of electronic devices by using graphene as an interlayer.
가벼운 무게와 유연한 형상으로 사용자의 휴대성과 편리성이 획기적으로 향상된 유연전자소자가 차세대 전자소자로 주목을 받고 있다. 하지만 유연전자소자는 기계적인 하중에 쉽게 노출 되어 균열, 박리 등의 기계적 신뢰성 문제들이 발생하게 된다. 그러므로 유연전자소자를 적용하기 위해서는 기계적 신뢰성을 향상 시키는 것이 필수적이라고 할 수 있다. 유연전자소자에 사용될 수 있는 소재 중에서 그래핀은 유연성, 높은 투과도, 우수한 전기적 열적 전도성, 대면적 공정 등 여러 가지 장점들을 가지고 있다. 따라서 그래핀을 수퍼캐패시터, 트랜지스터, 센서, 태양전지 전극 등에 활용하여 유연전자소자를 구현한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 그래핀을 이용하여 유연전자소자의 기계적 신뢰성을 향상 시키는 것을 시도하였다. 첫 번째로 그래핀으로 신뢰성 있는 유연 투명 전극을 만드는 것과 두 번째로 그래핀을 이용하여 전극이나 전자소자의 전기-기계적 안정성을 향상시키는 것을 목표로 하였다.
그래핀은 주로 화학기상증착법을 사용하여 대면적으로 합성 할 수 있다. 반면에 그래핀을 화학기상증착법으로 합성하고 기판에 전사하는 과정에서 자체의 결함과 외부에 의한 손상으로 신축성이 크게 낮아 진다는 단점이 있다. 신뢰성 있는 유연 투명전극을 제작하기 위해 인공적으로 적층한 다층 그래핀을 사용하였다. 습식전사를 이용한 그래핀의 전기-기계적 거동의 거시적인 차이를 분석하기 위해 실시간 저항 측정과 함께 인장 실험을 하였다. 얇은 박막에 손상을 주지 않으면서 변형률을 정확하게 측정하기 위해 비접촉식 변형률 측정 방법인 Digital image correlation(DIC) 을 이용하였다. 단층 그래핀에 비해 다층 그래핀의 우수한 신축성을 확인 할 수 있었고, 그 원인을 분석하기 위해 폴리머 기판에 전사된 그래핀의 표면을 분석하였다. 폴리머 기판에 전사된 그래핀의 손상이나 균열 등은 기존의 광학이나 전자현미경으로 분석하기가 어렵기 때문에, 폴리머 기판과 그래핀의 마찰력의 차이가 크게 나타나는 것을 고려하여 원자현미경 측정 방법 중에 하나인 Lateral force microscopy (LFM)을 이용 하였다. 원자현미경과 전기저항 측정 장치를 연결한 실시간 미소 인장 시험기를 사용하여, 인장 실험 동안에 그래핀에 발생한 균열 분포를 LFM 이미지로 명확하게 얻을 수 있었다. 다층 그래핀의 우수한 신축성에 대한 미시적 역학은 인공적으로 쌓은 그래핀 간의 약한 상호작용으로 층간의 미끄러짐이 발생한다는 것임을 알 수 있었다.
그래핀을 이용한 제품을 상용화 하기 위해서는 대면적 전사와 롤투롤 연속 공정이 가능한 건식전사 방법이 필수적이다. 그러므로 건식전사를 이용하여 인공적으로 적층한 다층 그래핀의 전기-기계적 거동을 확인 하였고, 습식 전사된 다층 그래핀과 유사한 전기-기계적 거동이 나타나는 것을 관찰 하였다. 이로써 대량생산에 적합한 건식 전사된 그래핀의 경우에도 인공적으로 적층한 다층 그래핀이 우수한 신축성을 가진다는 것을 알 수 있다. 또한 그래핀의 신뢰성 평가를 위해 변형률을 증가 시켜가며 부하-제하 실험을 하였다. 단층 그래핀은 부하-제하 구간에서 저항이 불안정 하지만 다층 그래핀은 저항이 일정한 것을 통해 발생한 균열이 진전하지 않고 보존된다는 것을 알 수 있었다. 반복적인 하중에서 그래핀의 기계적 거동을 확인하기 위해 피로 실험을 하였다. 수행한 부하-제하 실험에서 가장 큰 변형률을 평균 값으로 하였고, 폴리머 기판의 탄성 범위를 고려하여 변형률 진폭을 정하였다. 단층 그래핀에 다층 그래핀은 7500 cycle 이상에서도 저항이 유지되는 것을 통해 높은 신뢰성을 확인 하였다. 약간의 투과도 감소라는 단점이 있지만 인공적으로 적층한 다층 그래핀을 적용함으로써 신뢰성이 높은 유연 투명전극을 만들 수 있다는 것을 알 수 있다.
유연전자소자의 기계적 문제는 작은 변형에도 쉽게 부러지거나 균열이 많이 발생하여 그 기능을 잃게 된다는 것이다. 이 문제를 해결하기 위해 다층 그래핀을 전자소자와 기판의 중간층으로 사용하였다. 앞서 분석한 그래핀 층간의 미끄러짐으로 전달되는 변형률이 감소하여 전자소자의 전기-기계적 안정성이 향상되는지 확인 하였다. 현재 주로 투명전극으로 사용되고 있는 Indium Tin Oxide(ITO)를 전자소자를 모사하는 소재로 선택하여 적용하였다. 폴리머 기판 위에 ITO만 올려져 있는 구조와 ITO/다층 그래핀 구조의 전기-기계적 거동을 실시간 저항 측정과 함께 인장 실험을 하여 분석하였고, 인장 실험 동안에 광학현미경으로 ITO 표면 이미지를 저장하여 변형률에 따른 ITO 에 발생한 균열 분포를 얻을 수 있었다. 그래핀이 ITO 와 기판 사이에 있을 때 ITO 의 균열분포가 줄어든 것을 확인 하였고, 인장 실험 후 시편의 성분 분석을 통해 그래핀간의 미끄러짐이 주로 ITO 의 균열밀도 감소에 기여했다는 것을 알 수 있었다. 그리고 다층 그래핀이 있음으로써 ITO 의 전기-기계적 안정적이 향상된 것을 확인 하였다. 다층 그래핀 구조는 ITO 뿐만 아니라 다른 전극이나 전자소자에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
ITO/다층 그래핀 구조 층간에서 발생하는 거동을 설명하기 위해 박막/중간층/폴리머 기판으로 구성된 전단지연 모델을 적용하였고, 기존의 모델로 잘 설명 된다는 것을 확인하였다. 이로써 ITO/다층 그래핀과 유사한 구조에서 전단 지연모델을 적용 할 수 있는 실험적 근거를 제시하였다.
이 연구는 그래핀을 이용하여 유연전자소자의 신뢰성을 향상시키는 간단한 방법과 그 원리를 제공한다. 이로써 그래핀이 전자소자에 넓게 활용되는 것을 가속화 시키며, 유연전자소자의 발달에 기여할 것으로 기대된다.
