Flexible electronics have received great research effort and interest under increasing demand on the next generation smart devices. Various types of portable displays, flexible sensors, flexible batteries, and wearable health-care devices are being actively developed for practical usage in daily life. In order to realize the flexible devices, polymeric materials serve as essential elements basically due to their intrinsic flexibility and ductility that can accommodate mechanical deformation. Polymers also obtain many attractive features for their applications to flexible electronics such as light weight, easy processability, large-area fabrication, and controllable functionality. These merits enable the polymers to be utilized in various key components in a flexible device.
Due to inevitable exposure to severe thermal loadings and large bending deformations, mechanical reliability is the critical bottle neck for commercialization of flexible devices. In mechanical aspects, it is essential to fundamentally understand the mechanical behaviors of the polymer-based key components. Specifically, material properties and failure analysis are necessary to optimize material design, structure, and fabrication process of the flexible device. Nevertheless, it has been difficult to investigate the mechanical response of polymeric materials in flexible devices using conventional mechanical testing methods.
In this dissertation, mechanical behaviors of the polymeric materials in flexible devices are investigated regarding two main contributions: Thermo-mechanical properties and bending reliability. For the first part, novel experimental methods are developed for accurate evaluation of the material properties. This part focuses on unveiling the thermo-mechanical properties of flexible polymers that have not been investigated systematically. Firstly, coefficient of thermal expansion (CTE) of wearable platform materials are investigated using digital image correlation (DIC) method for elastomeric substrates and composite laminate substrates (DIC-CTE method). The coefficient of thermal expansion, glass transition temperature, and tensile properties of free-standing ultra-thin polymer films are examined using a hot liquid platform (Film on glycerol (FOG) method). For the second part, a novel method is developed that directly visualize and quantify the full-field strain under bending. Using the method, dynamic and static bending reliability of chip-in-flex package is studied and various enhancing methods are suggested. Finally, direct and full-field verification is conducted for multiple neutral plane strategy using a laminate structure composed of plastic film substrates and very soft interlayer.
유연소자는 차세대 스마트 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 많은 연구적 노력과 관심을 받아왔다. 휴대용 디스플레이, 플렉시블 센서, 플렉시블 배터리 및 웨어러블 의료 기기들이 일상 생활에서 실용되기 위해 활발히 개발되고 있다. 유연소자 구현을 위 위해, 고분자재료는 기본적으로 기계적 변형을 수용 할 수 있는 유연성(flexibility)와 연성(ductility)가 우수하기 때문에 유연소자의 필수요소 역할을 한다. 이 외에도 고분자재료는 경량, 쉬운 가공성, 대면적 제조, 다양한 기능성 부여와 같이 유연소자에 유리한 여러 장점을 갖는다. 따라서 고분자재료는 앞으로도 유연 전자제품 개발의 핵심재료가 될 것이다.
상용 유연소자의 개발을 위해 전자소자 특성, 전기적, 기계적 접속 형태, 구조 최적화 연구 등이 선행되었지만, 완성된 소자의 기계적 신뢰성 부족으로 상용화가 진행되지 못 하고 있다. 열공정 중 발생하는 소자 내부의 잔류응력뿐 아니라, 사용시에도 주기적인 온도 변화에 따른 열 부하, 잦고 큰 굽힘 변형에 꾸준히 노출되므로 기계적 신뢰성 연구의 중요성은 갈수록 커질 것이다. 따라서 기계적 관점에서, 폴리머 기반 핵심 구성 요소들의 기계적 거동을 근본적으로 이해하는 것이 필수적이다. 구체적으로는, 유연 장치의 구성재료 선정, 구조 및 제조 공정을 최적화하려면 정확한 재료 물성 및 불량 분석이 필요하다. 하지만 종래의 기계적 시험 방법들로는 현재 유연소자에 사용되는 박형 라미네이트 기판, 무른 탄성중합체 기판, 다양한 박막 고분자 재료 등의 기계적 특성을 정확히 연구하기 어려웠다.
본 학위논문에서는, 유연소자 용 고분자 재료의 기계적 거동을 열기계물성과 굽힘 신뢰성이라는 두 가지 관점으로 연구가 수행되었다. 첫 번째 열기계물성 부분에서는, 재료의 열기계 특성을 정확하게 평가하기 위한 새로운 실험 방법들이 개발하여 체계적으로 조사되지 못했던 유연한 고분자의 열-기계적 특성을 밝히는데 중점을 두었다. 먼저 비접촉 변형률 측정법인 디지털 이미지 상관법 (digital image correlation)을 사용하여 웨어러블 플랫폼 재료의 열팽창 계수 (coefficient of thermal expansion) 정밀 측정법을 개발하여 엘라스토머 기판 및 복합 라미네이트 기판의 열팽창 거동을 연구하였다. 또한 자유지지형 초박막 폴리머 필름의 열팽창 계수, 유리 전이 온도 및 인장 특성을 고온 액체 플랫폼을 사용하여 측정하는 방법론을 제시하고 초박막 폴리머의 열기계 물성을 분석한다. 두 번째 굽힘 신뢰성 부분에서는 굽힘 시 소자 및 기판에 인가되는 변형 양상을 전 영역에 대해 시각화하고 정량화하는 직접적 변형 평가법을 개발하였다. 이 방법을 사용하여 Chip-in-flex 패키지의 정적 및 동적 굽힘 신뢰성을 연구하고 다양한 향상 방법을 제안한다. 마지막으로, 개발된 단면 변형률 측정기법을 이용하여 다중 중립면 생성 기법을 실험적으로 검증하는데 성공하였다. 이 유연소자 내 변형률 저감 전략 검증에는 플라스틱 필름 기판과 매우 부드러운 중간막으로 구성된 라미네이트 구조가 사용되었다. 본 연구 결과들은 유연소자 굽힘 신뢰성 및 다양한 차세대 고분자 재료의 기계적 거동 연구에 널리 활용되어 기계적 신뢰성에 기반한 유연소자 상용화에 기여할 것이다.
