The electromechanical characteristics of silver thin film deposited on a polymer substrate under electrical current were investigated by carrying out tensile tests in combination with electrical resistance measurement inside a scanning electron microscope or under an infrared camera. Our results showed that even below a current level required for the occurrence of electromigration, the electrical current clearly deteriorates the electromechanical performance, leading to the loss of stretchability, and this effect becomes more severe with increasing strain as well as increasing current. A local rise in temperature at the regions among cracks, caused by the localized Joule heating due to the local increase of electrical resistance, softened the polymer substrate and this resulted in the localization of deformation. Such a localized deformation in the substrate promoted cracking mechanism in the silver film, in particular the growth and coalescence of cracks, consequently accelerating the loss of electrical conductivity with strain. We further suggested a possible solution to minimize the current induced deterioration of electromechanical performance using a polymer substrate with a high glass transition temperature and demonstrated its feasibility.
차세대 전자기기에 보편화 될 특성 중 가장 많이 거론되고 있는 특성은 유연성이다. 유연성은 휴대의 편리함 및 기능의 다양화를 가능케 한다. 전자기기의 유연성을 구현하기 위해서는 유연 전도성 박막 개발이 필수적이다. 현재까지 많은 연구자들을 통해 유연성을 증가시킬 수 있는 재료개발 및 공정개발이 연구되어 왔다. 하지만 전류환경 아래에서 사용되는 재료임에도 불구하고, 전류를 배제한 체 신축성이 평가되어 왔다. 전류에 대한 영향 연구는 단지 electromigration등을 살펴보는 연구에 머물러 있었고, 여전히 전류가 통하는 환경아래서의 유연 전도 박막의 신축성 평가는 부족하다. 본 연구에서는 전류 환경과 기계적 변형이 동시에 가하며, 은박막의 신축성을 평가했다.
폴리머 기판(PET, PI)위에 증착된 은박막 시편을 제작했다. 시편은 서로 다른 50, 100, 200, 400 nm 박막 두께를 가지며, 기판의 두께는 PET 38, $188 \mu m$ , PI 25, $125 \mu m$ 를 사용하였다. 제작된 시편에 전류와 변형률을 동시에 가해주며, 저항변화를 살펴봤다. 변형률과 저항변화를 통해 신축성을 평가했다. 특히, 저항이 특정 비율만큼 증가하였을 때의 변형률을 electrical failure strain으로 정해 전류와 함께 그래프로 나타내어 신축성을 평가하였다.
첫째로, 전류량이 증가함에 따라 은박막의 신축성은 감소한다.
둘째, 박막 두께가 감소함에 따라 같은 전류량이 흐르는 상태에서 은박막의 신축성은 감소한다.
셋째, 기판 두께가 감소함에 따라 같은 전류량이 흐르는 상태에서 은박막의 신축성은 감소한다.
넷째, 줄히팅의 정도를 나타내는 Power나 본 연구에서는 전류의 제곱/ 박막 두께로 신축성을 표현할 경우, 같은 전류의 제곱/ 박막 크기에서는 박막 두께에 상관없이 같은 신축성을 나타낸다.
다섯째, $10^{-3}$ 부터 $10^{-4}$ 까지 변형률 속도 범위에서는 신축성 차이가 나타나지 않는다.
여섯째, 주요한 파손 메커니즘은 Joule 열에 의한 기판재료에서 변형이 집중되는 현상이다
일곱째, 높은 온도에서 기계적 물성 감소가 덜한 기판재료를 사용할 경우, 신축성을 증가시킬 수 있다.
여덟째, 높은 온도에서 기계적 물성 감소가 덜한 기판재료에서는 박막 두께가 얇아지면 (100nm 이하) 전류가 가해짐에도 신축성이 좋아진다.
균열 생성 및 성장의 가속화 때문이다. 전류로 인한 줄히팅 발생 및 시편의 온도가 상승하며, 인장이 진행됨에 따라 균열이 발생한다. 균열 발생은 단면적을 감소시켜 국부적인 영역의 저항을 증가시키며 줄히팅 발생량이 증가하여, 시편 온도가 더 빠르게 상승한다. 이때 기판의 온도도 박막의 온도상승 때문에 함께 상승하는데, 기판 재료의 온도상승은 변형이 더 쉽게 일어나는 조건이 된다. 이로 인해 국부적인 지역에서 기판 재료가 더 잘 변형하게 되고, 그 위에 있는 박막재료는 심한 변형을 받아 균열 생성 및 성장이 가속화 된다. 이러한 양의 피드백 효과로 인해 시편의 파단은 가속화된다. 반면, 높은 온도에서 기계적 물성 감소가 덜한 기판재료에서는 국부적인 지역에서 재료의 변형이 덜 집중되어 신축성이 증가한다.
따라서 신축성 상승을 위해서, 일반적으로는 두꺼운 기판재료나 두꺼운 박막을 사용하고, 높은 온도에서 기계적 물성 감소가 적은 기판재료를 사용하면 좋다. 단, 유리전이온도가 높은 기판재료에서 박막재료의 두께가 100nm 이하인 경우 전류가 가해질수록 신축성이 좋아지는 현상이 있다.
