With the recent commercialization of foldable smartphones and rollable TVs, the market's interest in various flexible devices is exploding. Many inorganic thin films have been widely used as encapsulation layers, transparent electrodes, dielectric layers in various flexible devices. Among various deposition methods of inorganic thin films, atomic layer deposition (ALD) attracts attention as an advanced deposition method due to multiple advantages such as precise thickness control, conformal deposition, and low-temperature deposition. However, the brittleness of the inorganic thin film may lead to mechanical failures such as cracking and delamination. Therefore, in order to prevent such mechanical problems, systematic and elaborate studies on the mechanical properties and fracture behavior of ALD thin films is essential. However, since indirect methods such as nanoindentation and bulge tests have been mainly used in previous studies, it was difficult to measure the inherent mechanical properties accurately. In particular, no systematic study was conducted on the elongation and strength, directly related to mechanical reliability. In this dissertation, the mechanical properties of ALD thin films were accurately measured by using a tensile test on the water surface. Studies were conducted on the effects of three factors on the mechanical properties and fracture behavior of the ALD thin films. First, the effect of the thickness on the mechanical properties of the ALD Al$_2$O$_3$ thin film was investigated, and a mechanism for the change in the mechanical properties was proposed. Also, the mechanical properties of the ALD Al$_2$O$_3$/TiO$_2$ nanolaminate according to the sublayer thickness were measured, and the fracture behavior of the nanolaminate was also analyzed. Through this, an optimal condition for the sublayer thickness at which the elongation is maximized was proposed. Finally, the degradation of the ALD Al$_2$O$_3$ thin film by the hygro-thermal environment on the mechanical properties was investigated. In addition, a single layer coating of organic materials was proposed as a method of preventing mechanical deterioration due to the hygro-thermal environment, and this method proved that it could effectively prevent the elongation degradation by the hygro-thermal environment. The results of this dissertation are expected to contribute significantly to designing mechanically-robust flexible devices containing ALD thin films, which cause mechanical failures.
최근 폴더블 스마트폰과 롤러블 티비가 상용화되면서, 다양한 유연소자에 대한 시장의 관심이 폭발적으로 커지고 있다. 많은 무기 박막이 다양한 유연소자에서 봉지막, 투명전극, 절연층 등으로 널리 사용되고 있다. 다양한 무기박막의 증착법 중, 원자층 증착법이 정교한 두께 조절, 형상 적응성, 저온 증착과 같은 다양한 장점으로 인해 차세대 증착법으로써 주목받고 있다. 다만, 무기박막의 취성은 균열이나 박리와 같은 기계적 문제로 이어지기도 한다. 따라서 이러한 기계적 문제를 막기위해, 원자층 증착법 기반 박막의 기계적 물성 및 파괴거동에 대한 체계적이고 정교한 연구가 필수적이다. 하지만 기존 연구에서는 나노인덴테이션, 벌지시험과 같은 간접적인 방법들을 주로 사용했기 때문에, 고유한 기계적 물성을 정확히 측정하기가 어려웠고, 특히 기계적 신뢰성과 직결되는 연신율과 강도에 대해선 체계적인 연구가 진행된 바가 없었다. 본 학위논문에서는, 물 표면 위에서의 박막 인장시험을 통해 원자층 증착법 기반 박막의 기계적 물성을 정확히 측정하였고, 이를 통해 세가지 요인들이 원자층 증착법 기반 박막의 기계적 물성 및 파괴거동에 미치는 영향에 대해 연구를 수행하였다. 먼저, 알루미늄 산화물 박막의 기계적 물성에 대해 두께가 미치는 영향에 대해 파악하였고, 기계적 물성의 변화에 대한 메커니즘을 규명하였다. 또한, 알루미늄 산화물/티타늄 산화물 나노적층 박막의 하위층 두께에 따른 기계적 물성 변화를 확인하였고 그에 대한 파괴거동을 분석하였다. 이를 통해 연신율이 최대가 되는 하위층 두께의 최적 조건을 제안하였다. 마지막으로 온습도 환경으로 인한 알루미늄 산화물 박막의 열화가 기계적 물성에 미치는 영향을 파악하였다. 또한 온습도 환경으로 인한 기계적인 열화를 막는 방법으로써 유기물 단일층 코팅을 제안하였고, 이 방법을 통해 온습도 환경 노출에 의한 연신율 저하를 효과적으로 막을 수 있다는 것을 입증하였다. 본 학위논문의 결과는 기계적 신뢰성 측면에서 문제가 되는 원자층 증착법 기반 박막을 포함한 다양한 유연소자를 기계적으로 강건하게 설계하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.
