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상호 연결의 정량적 조사


대표 상부 ols4100 높이 맵 균열 구조   플라즈마 처리 pdms 레이어

요약

정량적 정보는 플렉시블 전자기기 연구 개발 활동에 매우 핵심적인 역할을 합니다. 이 글에서 Dr Dario Gastaldi는 '인터커넥트'로 불리는 전기 부붐 사이의 플렉시블 전도성 연결 연구에서 Olympus LEXT OLS4100의 정량적 이미지 기능이 조합된 기계 테스트에 어떤 이점을 가져다 주었는지 소개합니다. 이 새로운 연구에서 Dr Gastaldi의 연구팀은 인터커넥트의 지오메트리가 응력 상황에서 기기의 무결성을 어떻게 유지하는지와 관련된 정량적 증거를 발견했습니다. 이러한 정보는 최적의 디자인 공정을 위한 정량적 모델링 시스템 개발을 촉진할 것입니다. 이 글은 균열 형성 또한 자세하게 살펴보며, 플라즈마 처리된 폴리머가 응력 조건에서 기기 강도에 어떤 영향을 미치는지도 설명합니다.

소개

이 글은 플렉시블 전자기기 개발 공정의 여러 측면에서 Olympus LEXT OLS4100와 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경을 조합하여 활용하는 방법을 살펴보는 2개의 사례 연구 중 첫번째입니다. 전자기기는 더 많은 혁신을 이루고 있으며, 이러한 혁신 속도는 플렉시블 스마트폰과 웨어러블 화학 센서 등에 대한 기대가 커지고 있습니다. 고정된 형체의 기기에 사용되는 전자 센서 기술은 상당한 발전을 이룬 상태이지만, 플렉시블 기기의 경우 접힘 및 늘림 상태에서 전기적 무결성을 유지하는 과제를 해결해야 합니다. 새로운 기기 설계 시 플렉시블에 대한 접근법 중 하나는 고정된 형태의 전자 구성부품들을 유연한 기판에 장착한 후 전도성 인터커넥트로 연결하는 것입니다. 기계 거동에 따라 응력이 발생하는 방법에 대한 이해가 이 기술의 발전에 큰 영향을 미치고 있으며, 샘플에 정확한 양의 응력을 가하는 새로운 연구 접근법이 테스트를 거치고 있습니다. 테스트에 고해상도 이미징과 조합할 경우, 기기가 응력에 어떻게 대응하는지에 대한 정확하고 세부적인 그림을 얻을 수 있어 기기 소재 및 제조 공정 최적화에 도움을 줍니다. 이에 사용되는 전통적인 관찰 기술은 스캐닝 전자 현미경 관찰(SEM)이지만, 광학 현미경 또한 기술 발전으로 인해 SEM와 동등한 수준의 성능을 가지게 되었습니다. 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경 관찰(CLSM)의 경우, 속도라는 장점과 사용 편의성, 정량적 정보 수집 능력을 가지고 있습니다. 비파괴 3D 컨포칼 레이저 스캐닝 능력을 가진 Olympus LEXT OLS4100의 경우, 플렉시블 전자 기기 연구 분야에서 그 가치를 증명하고 있습니다. 이 글은 Politecnico di Milano(이태리 밀라노) 소속 Dr. Dario Gastaldi가 플렉시블 전자기기 샘플 테스트에 LEXT OLS4100를 도입하여 인터커넥트 디자인(그림 1)을 조사 및 최적화하는 연구를 소개합니다.

LEXT OLS4100과 조합한 마이크로 인장 테스트기.  모듈형 기기 스테이지 응력
그림 1: LEXT OLS4100과 조합한 마이크로 인장 테스트기.
모듈형 마이크로 인장기는 LEXT의 스테이지에 장착되었고, 5% 단위로 응력을 증가하며 이미지를 캡처했습니다.

인터커넥트 조사

플렉시블 기기가 올바르게 작동하기 위해서는 전자 구성부품과 변형 가능 기판이 서로 연결되어야 합니다. 이에 따라 인터커넥트는 복잡한 변형이 일어나도 기판과의 연결을 유지하도록 제작되어야 합니다. “다양한 소재와 구조[그림 2]를 통해 구현할 수 있습니다.”라고 Dr Gastaldi는 설명합니다. 마이크로 인장기와 고해상도 이미징을 조합하는 것으로 그의 연구팀은 인터커넥트와 폴리머 기판 사이의 접착에 영향을 미치는 2가지 요소가 기하학적 매개변수와 제조 공정이라는 것을 발견했습니다.

인터커넥트 디자인 구조 굴곡진 S형 인터커넥트 기계적 거동 폭 반지름 진폭
그림 2: Dr Gastaldi의 연구는 인터커넥트 디자인을 연구합니다.
굴곡진 S형 인터커넥트의 구조는 폭(W), 반지름(R), 진폭(A)를 포함한 기계적 거동에 있어 중요한 역할을 수행합니다.

인터커넥트 구조 최적화

다양한 인터커넥트 구조는 폭, 반지름, 길이로 정의되며, 기계적 응력을 받은 다양한 샘플의 테스트는 이들의 다양한 기계적 거동에 대한 이해를 넓혀줍니다.  이전까지는 기계적 테스트 기기에 SEM이 함께 제공되었습니다. CLSM보다 높은 해상도를 가졌음에도 불구하고 이 기술은 평면 수준을 벗어난 변형의 정확한 정량화가 불가능했습니다. “저희는 질적 관찰에 만족하지 못했기 때문에 이것이 필요했습니다.”라고 Dr Gastaldi는 말합니다. “강도 이미지[그림 3A, B]를 보면, SEM과 매우 비슷합니다. 이미지 품질이 좋을 뿐만 아니라 정량적 정보가 매우 유용합니다.”

강도 이미지 LEXT 응력 진폭 회전 없음 직선 암
W=50 μm R=40 μm A=270 μm
진석 암 회전 없음:
디라미네이션 유도 버클링
→ ~15% 미세 응력에서 발생
→ ~50%의 접착 표면에 영향
강도 이미지 LEXT 응력 진폭 회전 제한 직선 암
W = 10 μm R = 20 μm A= 90 μm
진석 암 회전 제한:
디라미네이션 유도 버클링
→ ~50% 미세 응력에서 발생
→ ~30%의 접착 표면에 영향

강도 이미지 LEXT 응력 진폭 OLS4100 GUI 높이 맵
그림 3: 응력 적용 중 LEXT로 캡처한 강도 이미지
응력 적용 시 인터커넥트(A, B)의 거동 구조를 비교합니다. SEM에서는 평면이 아닌 움직임에 대한 정량적 정보를 얻을 수 없습니다.

균열 생성 인터커넥트 높이 맵 LEXT OLS4100 시각화 3D 금속 폴리머 기판
그림 4: 인터커넥트 균열 생성
LEXT OLS4100의 높이 맵은 3D로 시각화되기 때문에 폴리머 기판 위의 금속 인터커넥트의 균열을 보여줍니다.
주요 매개변수는 스트럿의 길이(또는 '진폭')으로 확인되었고, LEXT OLS4100를 통해 기계 테스트 진행 시 역학 연구(움직임의 구조)가 가능해져 이 매개변수의 발견을 뒷받침했습니다. 늘림으로 인해 횡방향의 응력이 생성되어 스트럿을 압축하고 그 결과 버클링에 의한 디라미네이션이 발생합니다. (그림 4) 기판에서 금속 디라미네이션으로 인해 역학적 회전이 발생하기 때문에 짧은 스트럿은 회전(A 대 B)이 적습니다. 짧은 스트럿은 버클링을 촉진하지 않기 때문에 더 높은 변형을 받아들일 수 있습니다.

정량적 모델링

정량적 계측은 수치 모델링 개발과 다음으로 구성되는 디자인 사이클에 있어 매우 중요합니다.

  1. 인터커넥트 구조 설계
  2. 기계적 테스트 진행 중 관찰
  3. 수치 모델 설계
  4. 동일 기계적 테스트 시뮬레이션
  5. 수치 모델을 다시 디자인 공정에 적용합니다.

5번 스텝은 기계적 특성 또는 기하학적 설계를 기준으로 소재를 선택하는 과정에서 수치 모델을 활용합니다. “LEXT의 높이 맵 기능이 이러한 계측의 핵심입니다.”라고 Gastaldi는 설명합니다. “이와 더불어 3D 구조를 정확하게 계측할 수 있는 능력은 기대 이상이었습니다. LEXT를 도입한 이후, 기계적 테스트 장치에서 SEM 이미지 캡처를 더이상 진행하지 않습니다.”

균열 전개

특정 응력값에서 LEXT를 적용하여 인터커넥트의 균열 변형을 더 자세히 관찰하는 것이 가능합니다. 이러한 균열은 금속이 기판에 연결되어 있을 때 접착 상태를 단독으로 유지하지 못하고 균열이 생성되기 때문에, 디라미네이션이 가장 많이 발생한 영역에서 형성됩니다. 이로 인해 전기 저항이 증가하고 장치 고장이 일어날 수 있습니다. Dr Gastaldi는 이렇게 설명합니다. “LEXT를 사용하면 기계적 테스트를 진행함과 동시에 이 현상을 관찰할 수 있습니다. SEM의 경우 균열 전개를 추적할 수 없었고, 버클링 중 블러링 되는 부분에서 파생되는 폭넓은 계측만이 가능하며 이는 LEXT의 정량화와는 비교가 되지 않습니다.” CLSM 또한 샘플 준비 과정에서 SEM 대비 더 빠르다는 것이 확인되었고, 이와 관련하여 Dr Gastaldi는 다음과 같이 설명합니다. “SEM을 사용하면 일주일 이상 소요되던 실험을 반나절만에 끝낼 수 있었습니다. 어떻게 보면 SEM은 관찰 보조의 역할을 수행하지만, 저희 연구에서 CLSM은 혁신을 가져온 것과 마찬가지입니다. 이 작은 부품의 구조적 기계 거동은 기하학적 특징만으로 정의될 뿐만 아니라 금속과 폴리머 사이의 접착 속성에 의해서도 정의됩니다.

인터커넥트와 기판 사이의 접착 최적화

금속 인터커넥트와 폴리머 기판 사이의 접착 수준은 제조 공정에 따라 결정됩니다. 기능 측면에서 접촉이 핵심적인 역할을 수행하기 때문에, 최적의 제조 공정을 통해 변형 저항 성능을 보장해야 합니다. 폴리디메틸실록산(PDMS) 폴리머 샘플에 금을 사용한 경우, 폴리머 표면에 플라즈마 처리를 하는 것으로 접착을 향상시킵니다. “플라즈마 처리로 인해 폴리머가 영구적으로 변하게 되면, 그 다음 질문은 변형된 폴리머가 변형을 수용하는지 여부가 됩니다.” 이러한 처리 공정의 부작용은 폴리머의 취성이 증가하는 것이며, Dr Gastaldi의 연구팀은 이러한 특성으로 인해 균열 생성이 촉진되고 PDMS가 수용할 수 있는 변형 수준이 낮아진다는 것을 확인했습니다. (그림 5) 그러나 에너지 및 시간과 같은 매개변수를 통해 처리 프로토콜을 제어하는 것이 가능하며, CLSM을 사용한 기계적 테스트의 경우, 다양한 처리 공정이 적용된 샘플들을 비교하는 것이 가능합니다. 이와 같이 최적의 플라즈마 공정을 파악하는 것이 가능하기 때문에 특정 응력 수준에서 균열이 발생하지 않는 뛰어난 접착을 보장할 수 있습니다. 이에 더해 Dr Gastaldi는 금속화 공정을 진행하기 전에 이러한 균열이 발생한다는 것을 발견하여 취성이 플라즈마 처리의 결과로 발생한다는 것을 확인했습니다. (그림 6) “LEXT를 통해 저희는 응력이 증가함에 따라 균열이 많아지는 것을 관찰할 수 있었고, 이를 바탕으로 이 제조 기술을 연구하는 파트너들에게 알릴 수 있었습니다. 저희는 특정 플라즈마 처리가 장치의 기계적 강도를 제한한다는 점과 금속화 공정이 문제가 아니라는 점을 증명하는 증거를 가지고 있습니다.”
 

균열 생성 인터커넥트 높이 맵 LEXT OLS4100 시각화 3D 금속 폴리머 기판균열 생성 플라즈마 처리 PDMS. 응력 LEXT OLS4100 시각화 PDMS 레이어 플라즈마 처리 금속화 인터커넥트 높이 맵에 많은 표면 균열이 형성되었음을 보여주는 3D 분석

균열 생성 플라즈마 처리 PDMS. 응력 LEXT OLS4100 시각화 PDMS 레이어 플라즈마 처리 금속화 인터커넥트 높이 맵에 많은 표면 균열이 형성되었음을 보여주는 3D 분석

그림 5: 균열 생성 플라즈마 처리 PDMS.
20% 응력 조건에서 LEXT OLS4100를 통해 금속화를 진행하기 전 플라즈마 처리된 PDMS 레이어를 관찰했습니다. 3D 분석을 통해 인터커넥트 (A)에 많은 표면 균열이 발생했다는 것이 확인됩니다. 20%~100%으로 응력이 증가함에 따라 균열이 증가합니다. (B, C).

요약

Dr Gastaldi의 연구팀은 플렉시블 전자기기를 위한 인터커넥트 구조 및 제조 공정 최적화 연구를 진행하고 있습니다. 기계 테스트는 응력 조건에서 장치 거동과 관련된 데이터를 제공합니다. Olympus LEXT OLS4100의 정량적 정보와 함께 이 접근법은 새로운 변형 모델링 방식과 인터커넥트 설계 최적화를 가능하게 만들었습니다 정량적 데이터는 짧은 '진폭'값을 가진 특정 구조가 디라미네이션에 대한 저항이 더 높다는 것을 증명하고, 디자인 공정을 개선하기 위한 수치 모델 시스템 개발을 촉진합니다. 정량적 정보는 균열 생성을 보다 자세하게 추적할 수 있으며, 폴리머의 플라즈마 처리 시 접착이 향상되지만 낮은 응력에서의 균열 형성을 촉진한다는 것을 증명했습니다. “LEXT는 관리가 쉽기 때문에 저희는 연구에 집중할 수 있었습니다.”라고 Dr Gastaldi가 평가합니다. 그의 연구팀은 높이 맵과 높은 횡측 해상도 등을 포함한 LEXT의 여러 장점들을 활용했습니다. 그는 이렇게 말합니다. “다른 형식의 기계적 테스트를 사용하는 연구에 있어 3D 프로필로메트리는 정말로 새롭고 흥분되는 방식입니다. LEXT는 새로운 길을 제시하고 있습니다. 이제 문제는 우리가 이 기술을 얼마나 발전시킬 수 있는가와 어떻게 하면 LEXT의 정량적 영상 기능을 다른 기술과 접목시켜 플렉시블 전자기기의 개발을 촉진할 수 있는가 하는 것입니다.”

연구자 정보

Dario Gastaldi와 그의 연구팀은 이탈리아 Politecnico di Milano
화학, 소재 및 화학 공학부 소속으로 플렉시블 전자기기의 인터커넥트의 기계 구조를 연구하고 있습니다. 이메일: dario.gastaldi@polimi.it

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