A fundamental understanding of the mechanical behavior of energy/electronic materials is essential to design and develop the mechanically robust devices. Despite the great achievement of performances in energy/electronic devices, the mechanical and electrical reliabilities of the devices has always been a concern due to its limited mechanical characteristics. Moreover, the mechanical reliability issues become crucial with the demand of the flexible and stretchable devices. In this thesis, the mechanical properties and reliability of advanced energy/electronic materials have been systematically investigated. The mechanical behaviors of the materials have been investigated in two aspects; the mechanical properties of thin films and the interfacial reliability of the devices. In solar energy systems, the intrinsic mechanical properties and fracture mechanism of polymer-fullerene bulk heterojunction films and conjugated polymers are mainly studied. All-polymer active layer have been adopted to enhance the mechanical reliability of polymer solar cells instead of polymer-fullerene solar cells. Regarding hydrogen energy, the mechanical properties of proton-exchange-membrane fuel cell electrodes have also been investigated for the first time. In electronic material parts, the interfacial adhesion properties of metal nanoparticle thin films have been enhanced by controlling sintering conditions, and a fundamental adhesion mechanism has been investigated. Our results can potentially be used in state-of-the-art energy/electronic technologies and to develop the mechanically robust energy/electronic devices.
차세대 에너지/전자 재료들의 기계적 거동에 대한 근본적인 이해는 기계적 신뢰성이 확보된 디바이스의 설계 및 제작에 필수적이다. 차세대 에너지/전자 디바이스의 효율 및 전기적 특성 향상에 관한 연구가 활발히 진행되고 있음에도 불구하고 이들의 상용화를 위해서는 기계적 신뢰성이 확보되어야 한다. 더욱이 최근 에너지/전자 디바이스의 유연성(flexibility)와 신축성(stretchability)에 대한 요구가 확대되면서 기계적 신뢰성에 대한 이슈 역시 더욱 중요해지고 있는 실정이다. 본 논문에서는 차세대 에너지/전자 디바이스에 적용되는 핵심 재료들의 기계적 물성 측정, 그리고 계면 신뢰성 평가라는 두 가지 항목에 대해 체계적으로 연구하였다. 기계적 물성 측정을 위하여 물 표면을 새로운 인장 시험법을 개발하였으며, 이를 다양한 재료에 적용하기 위한 방법을 고안하였다. 계면 신뢰성 평가는 Double cantilever beam(DCB) fracture mechanics test를 이용하여 박막과 기판 사이의 계면 접합력을 정량적으로 측정하였다. 태양 에너지 시스템에서는 유기태양전지에 널리 사용되는 고분자-단분자 bulk-heterojunction 구조 및 전도성 고분자의 기계적 물성을 측정하고 파손 메커니즘을 분석하였다. 나아가 고분자-단분자 구조를 고분자-고분자 구조로 대체하여 유기태양전지의 기계적 신뢰성을 향상시키는 연구를 진행하였다. 수소에너지 관한 연구로는 양성자 교환 막 (proton-exchange-membrane) 연료전지 전극의 기계적 물성을 세계 최초로 측정하였다. 전자재료 파트에서는 인쇄전자에 쓰이는 금속 나노파티클 박막의 실리콘 기판과의 계면 접합력을 정량적으로 평가하고 소결조건 최적화를 통하여 기계적 신뢰성을 향상 방안을 제시하였다. 본 연구 결과는 기계적 신뢰성이 확보된 차세대 에너지/전자 디바이스의 설계 및 제작에 도움이 될 것이다.
