In modern society, flexible electronic materials have been attracted lots of interests in next generation information technology (IT), such as Internet of Things (IoT), wearable electronic devices and biomedical devices. Previously, flexible electronics were intensively studied and developed by several research groups. However, the critical issues are still remain, which should be solved to apply these technologies to the practical applications, such as wearable sensor, computer, and display. For example, the electronic materials on flexible substrates must have excellent intrinsic characteristics (e.g., thermal, optical, and electrical properties) as well as outstanding mechanical durability under severe bending/twisting motions. Although there have been many impressive studies in this research field, the device properties of flexible materials could not exceed the excellent performance of high-temperature-annealed inorganic materials. Therefore, new and innovative solutions are essential for high performance wearable systems.
Improving the user-interface (UI) with electronic devices requires new technology development in accordance with a flexible and convertible architecture. The flexible display can be expected as the one of main components. Flexible displays can be used to transform space and efficiently improve space usage, because they are thin, lightweight, and not fragile. It can be applied to areas such as wearable smart devices, mobile head-up display and smart window. For developing these next-generation flexible display, the development of flexible components such as operation circuit, energy source, and light-emitting device should take priority.
In chapter 2, Flexible transparent display is a promising candidate to visually communicate with each other in the future Internet of Things era. The flexible oxide thin-film transistors (TFTs) have attracted attention as a component for transparent display by its high performance and high transparency. The critical issue of flexible oxide TFTs for practical display applications, however, is the realization on transparent and flexible substrate without any damage and characteristic degradation. Here, the ultrathin, flexible, and transparent oxide TFTs for skin-like displays are demonstrated on an ultrathin flexible substrate using an inorganic-based laser lift-off process. In this way, skin-like ultrathin oxide TFTs are conformally attached onto various fabrics and human skin surface without any structural damage. Ultrathin flexible transparent oxide TFTs show high optical transparency of 83% and mobility of $40 cm^2 V^(-1) s^(-1)$. The skin-like oxide TFTs show reliable performance under the electrical/optical stress tests and mechanical bending tests due to advanced device materials and systematic mechanical designs. Moreover, skin-like oxide logic inverter circuits composed of n-channel metal oxide semiconductor TFTs on ultrathin, transparent polyethylene terephthalate film have been realized.
In chapter 3. Flexible thermoelectric generators (f-TEGs) are emerging as a semi-permanent power source for self-powered electronic systemsrs, which is an important area of research for the next generation smart network monitoring system in the internet-of-things (IoT) era. We report in this paper a f-TEG produced by a screen-printing technique (SPT) and a laser multi-scanning (LMS) lift-off process. A screen-printed TEG was fabricated on a SiO_2/a-Si/quartz substrate via the SPT process and then the LMS process completely separated the rigid quartz substrate from the original TEG by selective reaction of the XeCl excimer laser with the exfoliation layer (a-Si). Using these techniques, we fabricate a prototype f-TEG composed of an array of 72 TE couples that exhibits high flexibility at various bending radii together with excellent output performance (4.78 mW/$cm^2$ and 20.8 mW/g at a △T = 25 K). There is no significant change in the device performance even under repeated bending of 8,000 cycles.
In chapter 4, a high-performance flexible vertical-structured 30×30 light-emitting didode (LED) array is realized by a new monolithic LED fabrication method without device-transfer process. Free-standing vertical-structured microLEDs (VLEDs) have a perpendicularly electrical interconnection with n- and p-electrodes. The optical characteristics of LED were enhanced by unique structure, based on theoretical and experimental results. The monolithic flexible VLEDs (f-VLEDs) exhibited a low forward voltages (~2.8 V), excellent optical power (~30 mW/$mm^2$) and outstanding mechanical durabilityy during 100,000 bending cycles without severe mechanical damages. The 30×30 monolithic red LED arrays were successfully demonstrated with high flexibility, density and uniformity. Finally, the flexible high-density phototherapy device was inserted under the mouse skin.
In chapter 5, a transparent, and flexible 30×30 GaN VLED arrays are fabricated by simple monolithic LED process. Ultrathin, transparent flexible GaN VLEDs were conformally affixed to human finger nail The lifespan of monolithic GaN LED is calculated over 10 years by Arrhenius equation and the high accelerated stress test (HAST). Wireless monolithic blue f-VLEDs showed a low forward voltages (~2.6 V) and outstanding optical power (~30 mW/$mm^2$) with light linearity. Our f-VLEDs exhibited excellent mechanical durability during the periodic bending/unbending 100,000 cycles. Finally, the biocompatible f-VLEDs were successfully inserted under the mouse skull through, and covered the live mouse brain for optical stimulation.
In chapter 6, a wearable and washable 20×20 microLED arrays are demonstrated by eposy-siloxane molecular hybrid (ESMH) material and transparent elastomeric adhesive (TEA). The wearable VLED array was stably driven on glass fabric and general textile (100 % cotton and cotton with 47% polyester ) in a detergent solution. The transfer medium of ESMH and TEA were deeply investigated by various analysis tools, such as NMR, TGA, TMA, SEM and EDS elemental mapping. Our wearable VLEDs presented outstanding mechanical reliability during severe 100,000 bending/unbending motions.
현대 사회에서 유연 전자 재료는 IoT (Internet of Things)와 같은 차세대 정보 기술 (IT), 웨어러블 전자 장치 및 생체 의학 장치와 같은 분야에서 많은 관심을 끌어 왔다. 이전에는 유연한 전자 장치가 여러 연구 그룹에 의해 집중적으로 연구 및 개발되었다. 그러나 착용 가능한 센서, 컴퓨터 및 디스플레이와 같은 실제 응용 프로그램에 이러한 기술을 적용하기 위해 해결해야하는 중요한 문제는 여전히 남아 있다. 예를 들어,가요 성 기판상의 전자 재료는 심한 굽힘 / 비틀림 운동 하에서 우수한 기계적 내구성뿐만 아니라 뛰어난 고유 특성 (예를 들어, 열적, 광학적 및 전기적 특성)을 가져야한다. 이 연구 분야에서 많은 인상적인 연구가 있었지만, 유연 재료의 소자 특성은 고온 열처리 무기 재료의 우수한 성능을 초과 할 수 없었다. 따라서 고성능 웨어러블 시스템에는 새롭고 혁신적인 솔루션이 필수적이다.
전자 장치로 사용자 인터페이스 (UI)를 개선하려면 유연하고 변환 가능한 아키텍처에 따라 새로운 기술 개발이 필요하다. 플렉서블 디스플레이는 주요 구성 요소 중 하나로서 기대 될 수 있다. 유연한 디스플레이는 얇고 가볍고 깨지기 쉽기 때문에 공간을 변형하고 공간 사용을 효율적으로 개선하는 데 사용할 수 있다. 착용 형 스마트 장치, 모바일 헤드 업 디스플레이 및 스마트 창과 같은 영역에 적용 할 수 있다. 이러한 차세대 플렉서블 디스플레이를 개발하기 위해서는 연산 회로, 에너지 원 및 발광 소자와 같은 유연한 부품의 개발이 우선시되어야한다.
2 장에서는, 유연한 투명 디스플레이는 미래의 인터넷 시대에서 서로 시각적으로 커뮤니케이션 할 유망한 후보자이다. 가요성 산화물 박막 트랜지스터 (TFT)는 그 고성능 및 높은 투명성에 의해 투명 디스플레이 용 부품으로서 주목 받고있다. 그러나 실용적인 디스플레이 애플리케이션을위한 유연한 산화막 TFT의 중요한 문제는 손상과 특성 저하없이 투명하고 유연한 기판에 대한 실현이다. 여기에서 무기와 유사한 레이저 리프트 오프 공정을 사용하여 매우 얇은 유연한 기판에서 피부와 같은 디스플레이를위한 초박막, 유연한 투명 산화물 TFT가 시연되었다. 이러한 방식으로, 피부와 같은 매우 얇은 산화물 TFT는 어떠한 구조적 손상없이 다양한 직물 및 사람의 피부 표면에 컨 포멀하게 부착된다. 초박형 유연한 투명 산화물 TFT는 83 %의 높은 광학 투명도와 40 $cm^2 V^{-1} s^{-1}$의 이동도를 보여준다. 스킨 형 산화물 TFT는 첨단 디바이스 재료 및 체계적인 기계 설계로 인해 전기 / 광학 스트레스 테스트 및 기계적 벤딩 테스트에서 신뢰할 수있는 성능을 보여주었다. 더욱이, 초박막 투명한 폴리에틸렌 테레 프탈레이트 필름 상에 n- 채널 금속 산화물 반도체 TFT로 구성된 스킨 형 산화물 로직 인버터 회로가 실현되었다.
3 장에서는, 유연한 열전기 발전기 (f-TEGs)는 인터넷 기반의 차세대 스마트 네트워크 모니터링 시스템으로써 중요한 연구 분야 인 자체 구동 전자 시스템의 반영구적 전원으로 부상하고있다. 이 논문에서는 스크린 인쇄 기술 (SPT)과 레이저 다중 주사 (LMS) 리프트 오프 공정에 의해 생산 된 f-TEG를 보고한다. 스크린 인쇄 된 TEG는 SPT 공정을 통해 SiO_2 / a-Si / 석영 기판 위에 제조 된 후 LMS 공정은 XeCl 엑시머 레이저를 박리 층과 선택적으로 반응시킴으로써 원래의 TEG로부터 단단한 석영 기판을 완전히 분리했다. 이 기술을 사용하여 다양한 굴곡 반경에서 높은 유연성을 발휘하는 72 TE 커플의 배열로 구성된 프로토 타입 f-TEG를 제작하였 (Δ T = 25에서 4.78 mW/$cm^2$ 및 20.8 mW /gK). 8,000 사이클의 반복 굽힘에서도 장치 성능에 큰 변화가 없었다.
4 장에서는, 고성능의 유연한 수직 구조의 30 × 30 LED (Light-Emitting Diode) 어레이가 장치 전송 프로세스가 필요없는 새로운 모 놀리 식 LED 제조 방법으로 실현되었다. 독립형 수직 구조 마이크로 LED (VLED)는 n- 및 p- 전극과 수직으로 전기적으로 상호 연결되었다. LED의 광학적 특성은 이론적 및 실험적 결과를 바탕으로 독특한 구조로 향상되었다. 모 놀리 식 플렉시블 VLED (f-VLED)는 낮은 순방향 전압 (~ 2.8V), 우수한 광 출력 (~ 30mW / $mm^2$) 및 심각한 기계적 손상없이 100,000 번의 굴곡 사이클 동안 뛰어난 기계적 내구성을 나타냈다. 30 × 30 모노 리식 적색 LED 어레이는 높은 유연성, 밀도 및 균일 성으로 성공적으로 시연되었다. 마지막으로, 유연한 고밀도 광선 요법 장치가 마우스 피부 아래에 삽입되었다.
5 장에서는, 투명하고 유연한 30 × 30 GaN VLED 어레이가 간단한 모 놀리 식 LED 공정으로 제작되었다. 초박형의 투명한 플렉시블 GaN VLED가 인간 손가락 손톱에 등각 부착되었다. 모 놀리 식 GaN LED의 수명은 아레니 우스 (Arrhenius) 방정식과 고속 가속 스트레스 테스트 (HAST)를 통해 10 년으로 예측되었다. 무선 모 놀리 식 블루 f-VLED는 낮은 순방향 전압 (~ 2.6 V)과 우수한 광 출력 (~ 30 mW / $mm^2$)을 가벼운 선형성으로 보여주었다. 우리의 f-VLED는 주기적으로 굽힘 / 풀림없이 100,000 사이클 동안 우수한 기계적 내구성을 나타 냈다. 마지막으로, biocompatible f-VLED는 성공적으로 마우스 두개골 아래에 삽입되었고 광학 자극을위한 생쥐 뇌를 덮었다.
제 6 장에서는 착용 할 수 있고, 세탁 가능한 20 × 20 microLED 어레이가 EPMH (eposy-siloxane molecular hybrid) 및 투명 탄성 중합체 접착제 (TEA)로 시연되었다. 착용 식 VLED 어레이는 유리 섬유 및 일반 섬유 (면 100 %, 폴리 에스테르 47 %)와 세제 용액에서 안정적으로 구동되었다. ESMH 및 TEA의 전달 매체는 NMR, TGA, TMA, SEM 및 EDS 원소지도 작성과 같은 다양한 분석 도구로 심도있게 조사되었다. 본 웨어러블 VLED는 가혹한 100,000 번의 굽힘 / 굽힘 운동 중에 뛰어난 기계적 신뢰성을 나타냈다.
