신축 전자패키지 배선용 금속박막의 신축변형-저항 특성 II. Au, Pt 및 Cu 박막의 특성 비교
박동현·오태성† 홍익대학교 공과대학 신소재공학과
Stretchable Deformation-Resistance Characteristics of Metal Thin Films for Stretchable Interconnect Applications II. Characteristics Comparison
for Au, Pt, and Cu Thin Films
Donghyun Park and Tae Sung Oh†
Department of Materials Science and Engineering, Hongik University, 94 Wausan-ro, Mapo-gu, Seoul 04066, Korea (Received September 12, 2017: Corrected September 21, 2017: Accepted September 25, 2017)
초 록: Polydimethylsiloxane (PDMS) 기판과 금속박막 사이의 중간층으로 parylene F를 사용한 신축패키지 구조에서 Au, Pt, Cu 박막의 신축변형에 따른 저항변화를 분석하였다. Parylene F 중간층을 코팅한 PDMS 기판에 스퍼터링한 150 nm 두께의 Au 박막과 Pt 박막은 각기 1.56 Ω 및 5.53 Ω의 초기저항을 나타내었으며, 30% 인장변형률에서 각 박막 의 저항증가비 ΔR/Ro은 각기 7 및 18로 측정되었다. Cu 박막은 18.71 Ω의 높은 초기저항을 나타내었으며 인장변형에 따 라 저항이 급격히 증가하다 5% 인장변형률에서 open 되어, Au 박막과 Pt 박막에 비해 매우 열등한 신축 특성을 나타내 었다.
Abstract: Stretchable deformation-resistance characteristics of Au, Pt, and Cu films were measured for the stretchable packaging structure where a parylene F was used as an intermediate layer between a PDMS substrate and a metal thin film. The 150 nm-thick Au and Pt films, sputtered on the parylene F-coated PDMS substrate, exhibited the initial resistances of 1.56Ω and 5.53 Ω, respectively. The resistance increase ratios at 30% tensile strain were measured as 7 and 18 for Au film and Pt film, respectively. The 150 nm-thick Cu film, sputtered on the parylene F-coated PDMS substrate, exhibited a very poor stretchability compared to Au and Pt films. Its resistance was initially 18.71Ω, rapidly increased with applying tensile deformation, and finally became open at 5% tensile strain.
Keywords: stretchable packaging, stretchable interconnect, metal thin film, PDMS, parylene
1. 서 론
최근 printed circuit board (PCB) 기판이나 유연 PCB 기 판을 기반으로 기존 전자소자의 한계를 뛰어 넘어 원하 는 형태로 접거나 늘릴 수 있는 신축성 전자소자들에 대 한 관심이 크게 고조되고 있다. 신축성 전자소자들의 대 표적인 응용예로는 신축성 태양전지 패널, 대면적 컨포멀 디스플레이, 인공 센싱피부와 더불어 스킨패치형 센서, 웨 어러블 디스플레이, e-textile, 피하삽입형 전자소자, 전자 눈 (electronic eyes)과 같은 웨어러블 다바이스를 들 수 있
다.1-9) 신축성 전자소자 시장에서 큰 점유율을 차지할 것
으로 예측되는 웨어러블 디바이스의 개발은 1960년대 MIT 미디어랩을 중심으로 이루어졌는데 초기 부착형 타 입의 웨어러블 컴퓨팅에 대한 연구를 통해 소형 컴퓨터 를 착용하는 형태의 제품들이 개발되었다.10) 이후 부품기 술, 전자패키징 기술과 무선기술의 비약적인 발전으로 인 해 초소형 모듈제작이 가능함에 따라 착용성을 대폭 향 상시킨 인간친화적 웨어러블 디바이스에 대한 연구개발 이 활발히 이루어지고 있다.1-9,11) 그러나 지금까지 제품화 된 웨어러블 디바이스들은 모두 딱딱한 기판에 전자소자 를 실장하는 제품들이기 때문에 인간의 신체에 맞게 형 태변형을 하여 착용감을 극대화시키기 위해서는 유연하
†
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© 2017, The Korean Microelectronics and Packaging Society
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고 탄성변형이 가능한 신축 전자패키지의 개발이 필수적 이다.
신축 전자패키지의 구성요소로는 신축기판, 신축부품 및 신축배선을 들 수 있다. 신축기판으로는 silicone 계열 의 고분자인 polydimethylsiloxane (PDMS)가 일반적으로 사용되고 있는데, PDMS는 탄성이 우수하고, 열 및 화학 반응에 대한 안정성이 좋고, 인체에 무해하며 유전상수 가 낮은 장점이 있다.12-18) 신축부품 관련하여서는 Si 반 도체 등 심한 취성을 나타내는 기존 전자부품들을 대체 하기 위해 유기물 반도체 등에 관한 연구들이 진행되고
있다.19-21) 그러나 현재까지 이들 유기물 기반 전자부품들
의 특성이 기존 전자부품에 비해 워낙 나쁘기 때문에 이 에 대한 대안으로서 island-bridge 형태의 신축 전자패키 지 구조가 제안되었다.4,22-24) Island-bridge 구조의 신축 전 자패키지에서는 취성의 기존 전자부품들을 작은 PCB 또 는 flexible PCB (FPCB) 기판에 실장하고 이들 PCB나 FPCB를 큰 PDMS 신축기판의 여러 군데에 배치한 다음 이들 섬 형태의 PCB나 FPCB 기판 사이를 신축배선으로 연결하게 된다. 이와 같은 Island-bridge 구조의 패키지에 서는 PCB나 FPCB로 이루어진 island 부위에서는 신축이 발생하지 않고 이들을 연결하는 bridge 부위에서만 신축 변형이 집중되기 때문에, 신축변형에 따른 저항 증가를 억제할 수 있는 신축배선의 개발 필요성이 크게 대두되
었다.11,23,24) 현재 가장 일반적으로 연구되고 있는 신축배
선 중에서 금속박막 배선이 금속나노분말, carbon nanotube (CNT)를 신축성 고분자와 혼합한 복합 배선에 비해 전기저항을 훨씬 낮출 수 있는 장점이 있어 더 실용 가능한 방안으로 판단된다.4-8,11,25-30)
금속박막의 파괴연신율은 1% 이하로 매우 낮기 때문에,
금속박막을 신축전자 패키지의 배선으로 사용하기 위해 금 속박막의 신축변형에 따른 전기저항의 증가를 최소화하 기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.4,6,8,11-13,25-27,31) 이 들 연구에서 신축기판으로는 PDMS 그리고 금속박막 배 선으로는 Au 박막이 주로 사용되고 있으며,4,6,8,11,14-16,20-
22,25-27) 이들 사이의 접착층으로 Cr이 주로 사용되고 있
다.8,11,20,26,27)그러나 5-10 nm 두께의 Cr 접착층은 매우
심한 취성을 나타내기 때문에 PDMS 기판의 인장변형 시 쉽게 파단되며, 이때 생긴 균열들이 그 위에 부착되 어 있는 150 nm 두께의 얇은 Au 박막으로 전파되어 Au 박막의 파단이 용이하게 발생할 수 있다.11,31) 이를 해결 하기 위해 최근 Cr 접착층 대신에 parylene을 PDMS 기판 과 Au 박막 사이의 중간층으로 적용한 신축패키지 구조 들이 보고되었다.11,31)신축배선 박막으로서 Au은 내산화 성이 Cu보다 우수하고 연성이 Cu와 Pt 보다 좋고 전기전 도도가 Pt 보다 5배 정도로 높고 Cu와 유사한 정도로 우 수하나 가격이 높다는 단점이 있어,32-37) 다른 금속박막으 로 대체할 수 있는지에 대한 연구가 요구되고 있다.
본 연구에서는 신축 전자패키지용 금속박막 신축배선 을 개발하기 위한 기초연구로서, PDMS 기판과 금속박막 사이의 중간층으로 Cr 대신 parylene F을 사용한 신축패 키지 구조에서 Au, Pt, Cu 박막의 신축변형에 따른 저항 변화를 분석하였다.
2. 실험 방법
신축변형-저항 특성을 측정하기 위해 PDMS 신축기판 에 Au, Pt, Cu 박막을 스퍼터링한 시편들의 형성공정은 앞 선 논문에서 자세히 기술하였다.31) Sylgard 184의 PDMS
Fig. 1. Schematic illustrations to form Au thin films on a PDMS substrate for stretchable deformation-resistance measurement: (a) form a half cured PDMS, (b) position a Cu plate on the PDMS and coat its surface with a releasing-layer, (c) pour PDMS on the Cu plate and fully cure the PDMS, (d) form a parylene F layer on the PDMS surface, (e) modify the parylene surface with Ar plasma and sputter a 150-nm-thick Au, and (f) separate the Au-sputtered PDMS substrate from the Cu handling plate.
base와 curing agent를 10:1의 혼합비로 섞어 직경 100 mm 의 패트리 디쉬에 붓고 60oC에서 30분 유지하여 Fig. 1(a) 와 같은 반경화된 PDMS를 만들었다. Fig. 1(b)와 같이 반 경화 PDMS에 크기 5 cm × 7 cm, 두께 1 mm인 핸들링용 Cu 판을 올려놓고 실리콘 이형제를 releasing 층으로 도 포하였다. 그 위에 액상 Sylgard 184를 부어 Fig. 1(c)와 같 이 Cu 판을 PDMS 내에 삽입시킨 후 60oC에서 12시간 유 지하여 PDMS 기판을 완전 경화시켰다. 그런 다음 Fig.
1(d)와 같이 PDMS 표면에 중간층으로 150 nm 두께의 parylene F를 증착하였다. Fig. 1(e)와 같이 PDMS 기판에 증착한 parylene의 표면을 30 W에서 30초간 Ar 플라즈마 처리한 후 금속박막을 스퍼터링하였다. 이때 금속박막의 종류와 Cr 접착층의 유무에 따른 신축변형-저항 특성을 분석하기 위해 Ar 플라즈마 처리한 parylene 위에 Cr을 스퍼터링하지 않고 바로 Au, Pt, Cu를 각각 150 nm 두께 로 스퍼터링 하거나 Cr을 5 nm 스퍼터링 후 Au, Pt, Cu를 각각 150 nm 두께로 스퍼터링 하였다. 금속박막의 스퍼 터링이 완료된 PDMS 기판을 스퍼터에서 꺼낸 후, Cu 판 크기에 맞게 절단하여 Fig. 1(f)와 같이 금속박막이 스퍼 터된 PDMS를 핸들링용 Cu 판으로부터 분리시켰다. 그 런 다음 금속박막이 스퍼터된 PDMS를 1 cm × 4 cm 크기 (두께 1 mm)로 절단하여 막대 형상의 신축변형-저항 측 정시편을 제작하였다.31)
금속박막이 스퍼터링된 PDMS 신축기판을 1 mm/min 의 변형률 속도로 0-30% 인장변형률 범위에서 3회 신축 변형하면서 금속박막의 종류 및 Cr 접착층의 유무에 따 른 금속박막의 신축변형-저항 특성을 실시간으로 측정하 였다. 광학현미경을 사용하여 금속박막의 표면 형상을 관 찰하였다.
3. 결과 및 고찰
앞선 연구에서 본 저자들은 parylene F 중간층이 PDMS 와 Au 박막 사이의 접착력을 향상시킨다는 보고를 하였 다.31) 또한 Au 박막의 스퍼터링시 PDMS 기판의 swelling 이 pre-straining 효과를 유발시켜 Au 박막의 신축변형 특 성을 향상시킨다는 것을 보고하였다.31) 본 연구에서는
parylene F 중간층이 PDMS와 Pt 박막 및 Cu 박막간의 접 착력에 미치는 영향을 분석하기 위해 앞선 연구에서 사 용하였던 Scotch 테잎 접착력 시험을 하였다. 이들 시편 들은 신축변형-저항 특성을 측정하기 위한 시편과 같은 구조로서, 신축변형-저항 특성을 향상시키기 위해 금속 박막의 스퍼터링시 PDMS 기판의 swelling을 발생시킨 시 편들이었다.
Fig. 2에 PDMS 기판에 parylene F 중간층을 형성하고 그 위에 Cr 접착층 없이 직접 스퍼터링한 Au, Pt, Cu 박 막과 parylene F 중간층 위에 10 nm Cr 접착층을 스퍼터 링한 후 순차적으로 스퍼터링한 Au, Pt, Cu 박막들의 테 잎 접착력 시험결과를 parylene F 중간층 없이 직접 PDMS 에 스퍼터링한 Au 박막의 테잎 접착력 시험결과와 비교 하였다. Fig. 2(a)와 같이 parylene F 중간층이 없는 Au 박 막은 PDMS로부터 완전히 박리된 반면에, parylene F 중 간층이 있는 Au, Pt, Cu 박막에서는 Cr 접착층 유무에 무 관하게 박리가 전혀 발생하지 않아 parylene F 중간층만 으로도 PDMS에 대한 Au 박막뿐만 아니라 Pt 및 Cu 박 막의 접착력 향상이 가능하다는 것을 알 수 있다. Fig. 2 의 결과를 바탕으로 신축변형-저항 특성을 측정하는 Au, Pt 및 Cu 박막들은 모두 PDMS 기판에 parylene F 중간층 Fig. 2. Optical images of metal thin films observed after tape
adhesion test. (a) Au film sputtered on a PDMS substrate without a parylene F layer, and (b) Au, (c) Pt, and (d) Cu films sputtered on a parylene-coated PDMS substrate, and (e) Cr/Au, (f) Cr/Pt, and (g) Cr/Cu films sputtered on a parylene-coated PDMS substrate.
Fig. 3. Stretchable deformation-resistance characteristics of (a) Au, (b) Pt, and (c) Cu films.
을 형성한 후 스퍼터링하였다.
0-30% 인장변형률 범위에서 신축변형을 3회 반복시 150 nm 두께 Au, Pt, Cu 박막의 신축변형-저항 특성을 Fig.
3에 나타내었다. Fig. 3(a)와 같이 Au 박막의 경우 초기저 항은 1.56 Ω이었으며, 첫 번째 신축변형 싸이클에서는 30% 인장변형률에서 전기저항이 13.64 Ω으로 증가하였 다가 unloading 되어 인장변형률이 0%가 됨에 따라 전기 저항이 1.3 Ω으로 낮아졌다. 두 번째 신축변형 싸이클에 서는 30% 인장변형률에서 12.94 Ω으로 전기저항이 증가 하였으며 unloading 된 0% 인장변형률에서 1.54 Ω의 전 기저항을 나타내었다. 3번째 신축변형 싸이클에서는 30%
인장변형률에서 12.63 Ω의 전기저항을 나타내었으며 0%
인장변형률에서 전기저항이 1.72 Ω으로 복원되었다. Fig.
3(b)와 같이 Pt 박막의 경우 초기저항은 5.53 Ω이었으며, 첫 번째 신축변형 싸이클에서는 30% 인장변형률에서 전 기저항이 93.74 Ω으로 증가하였다가 0% 인장변형률로 unloading 됨에 따라 9.37 Ω의 전기저항을 나타내었다. 두 번째 신축변형 싸이클에서는 30% 인장변형률에서 101.87Ω으로 전기저항이 증가하였으며 unloading 된 0%
인장변형률에서 9,71 Ω의 전기저항을 나타내었다. 3번째 신축변형 싸이클에서는 30% 인장변형률에서 102.27 Ω의 전기저항을 나타내었으며 unloading 된 0% 인장변형률에 서 전기저항이 10.03 Ω까지 복원되었다. Cu 박막의 경우 에는 Fig. 3(c)와 같이 초기저항은 18.71 Ω이었으며 인장 변형에 따라 저항이 급격히 증가하여 5% 인장변형률에 서 저항이 1 kΩ 이상이 되어 사실상 open 되었다. 이후 unloading 함에 따라 저항이 감소하여 0% 인장변형률에 서 30.98 Ω을 나타내었으며, 두 번째와 세 번째 신축변형 싸이클에서도 모두 5% 미만의 인장변형률에서 open이 발생하였다. Fig. 4에 Au, Pt 및 Cu 박막에 대해 신축변형 에 따른 저항변화율 ΔR/Ro를 나타내었다. 여기서 Ro는 초
기 저항이며 ΔR은 각 변형률에서의 저항변화이다. Au 박 막은 30% 인장변형률에서 최대 7.4 정도의 저항변화율을 나타내었으나 Pt 박막은 30% 인장변형률에서 이보다 훨 씬 큰 18 정도의 저항변화율을 나타내었으며, 신축변형 싸이클이 반복될수록 저항변화율이 증가하였다. Fig. 3의 결과에서와 같이 Cu 박막은 신축배선 재료로 사용이 불 가하며, Au와 Pt 박막 중에는 Au 박막이 신축배선으로 훨씬 더 적합한 신축변형-저항 특성을 나타내었다.
Fig. 3(a)에 있는 Au 박막의 초기저항 1.56 Ω과 형상인자 (박막 두께 150 nm, 폭 1 cm, 지그(jig)에 물린 박막 길이 2 cm)를 사용하여 구한 비저항 값은 117 nΩ·m 이었다. 벌 크 Au의 전기비저항이 22.1 nΩ·m인데 비해 Au 박막의 비 저항은 이보다 3-11배 정도 높은 70-250 nΩ·m로 보고되 고 있어,32,33,38,39)본 연구에서 얻은 Au 박막의 비저항 117 nΩ·m은 적합한 값으로 판단된다. Fig. 3(b)에 있는 Pt 박 막의 초기저항 5.54 Ω을 사용하여 구한 비저항은 415 nΩ·m 이었다. 벌크 Pt의 비저항이 105 nΩ·m로 벌크 Au 의 비저항보다 4.7배 높은 것과 비교하여32-25) 본 연구에 서 얻은 Pt 박막과 Au 박막간의 비저항 비 3.5는 적당한 것으로 판단된다. Fig. 3(c)와 같이 Cu 박막은 초기저항이 Au 박막이나 Pt 박막에 비해 훨씬 높은 18.7 Ω을 나타내 었으며, 이로부터 구한 비저항 값은 1,403 nΩ·m 이었다.
본 연구와는 달리 Si, 유리, 폴리이미드와 같은 비신축성 기판에 스퍼터링한 Cu 박막은 18.7~60 nΩ·m의 전기비저 항을 갖는다고 보고되고 있다.40,41)따라서 벌크 Cu의 비저 항이 벌크 Au와 Pt보다 더 낮은 16.8 nΩ·m인데 비해36,37) PDMS 신축기판에 형성한 Cu 박막의 비저항이 Au 박막 이나 Pt 박막보다 훨씬 더 큰 값인 1,403 nΩ·m을 나타내 는 이유는 단순히 Cu 스퍼터 박막 자체의 특성이라기보 다는 PDMS 기판과의 상호작용에 기인한다고 판단된다.
Table 1에 벌크 Au, Pt 및 Cu의 전기적, 기계적, 열적 성 Fig. 4. Resistance change ratio ΔR/Ro of (a) Au, (b) Pt, and (c) Cu films.
Table 1. Physical properties of bulk Au, Pt, and Cu.
Metal Electrical resistivity
(nΩ·m) Yield strength (MPa) Tensile strength (MPa) Poisson’s ratio Thermal expansion coefficient (× 10-6/m·K)
Au 22.1 138 689 0.415 14.2
Pt 105 96 827 0.385 8.8
Cu 16.8 310 1447 0.34 16.5
질을 비교하였다.32-37) Cu의 전기비저항은 16.8 nΩ·m로 Au 의 22.1 nΩ·m 보다 낮으며, Pt의 전기비저항은 105 nΩ·m 로 Cu와 Au에 비해 5배 정도 높은 값을 갖는다. Cu의 열 팽창계수는 16.5 × 10-6/m·K로 Au와 Pt 보다는 높으나 이 들 세 금속의 열팽창계수 값 자체와 이 값들 사이의 차이 는 PDMS의 열팽창계수 2.0 × 10-4/K에 비해 매우 작다. 또 한 Au와 Pt에 비해 Cu의 열팽창계수가 오히려 PDMS의 열팽창계수에 좀더 근접하여 PDMS와의 열팽창계수 차 이에 의해 발생하는 열응력이 Cu 박막에서 더 작을 것으 로 예측할 수 있다. 따라서 Table 1에 있는 Au, Pt, Cu의 열팽창계수 차이가 Au 박막이나 Pt 박막에 비해 유달리 Cu 박막에서만 높은 비저항 값을 유발시켰다고 생각할 수 없다.
Table 1에 나타낸 바와 같이 Cu는 Au나 Pt에 비해 2배 이상의 높은 항복강도를 가지며, 이에 기인하여 PDMS 기판에 형성한 금속박막 중에서 Au 박막이나 Pt 박막과 달리 Cu 박막에서만 전기비저항이 크게 증가한 것으로 판단된다. PDMS 기판에 금속박막을 스퍼터링하면 스퍼 터링 후 상온으로 냉각되는 과정에서 PDMS 기판의 swelling 복원 및 PDMS와 금속박막의 열팽창계수 차이에 기인하여 금속박막에 압축응력이 가해지게 된다. 이때 항 복강도가 낮은 Au와 Pt 박막에서는 국부적으로 buckling 이 용이하게 발생하기 때문에 물결무늬 형상으로 소성변
형되면서 압축응력을 이완시키게 된다. 반면에 Cu 박막 은 항복강도가 높기 때문에 압축응력이 가해져도 박막의 모든 부위에서 buckling 변형이 용이하게 발생하지 못하 고 대신 국부적으로 cracking 되는 것으로 판단된다. Fig.
5에 PDMS 기판의 복원력에 의해 금속박막에 압축응력 이 가해질 때 항복강도가 낮은 Au 박막과 Pt 박막에서 발 생하는 buckling 변형 및 항복강도가 높은 Cu 박막에서 발생하는 cracking을 도식적으로 나타내었다. Au 박막이 나 Pt 박막과 같이 buckling 소성변형이 발생하는 경우에 는 박막의 모든 부위가 전기흐름에 대한 통로로 작용하 는 반면에, Cu 박막과 같이 국부적 cracking이 발생하는 경우에는 cracking 부위에서 전기흐름이 차단되기 때문에 전기비저항이 크게 증가하게 된다. 광학현미경으로 관찰 한 Au 박막, Pt 박막과 Cu 박막의 표면 미세구조를 Fig.
6에 나타내었다. 또한 이들에 대한 기본 자료로서 Fig. 7 에 PDMS 기판 및 parylene F 중간층의 광학현미경 미세 구조를 나타내었다. Fig. 7에서와 같이 150 nm 두께의 parylene F 층을 PDMS 기판에 증착함에 따라 PDMS 기 판의 표면에는 없던 주름무늬의 형상이 관찰되었는데, 이 는 PDMS와 parylene 사이의 열팽창계수의 차이에 기인 하여 parylene F에 인가된 압축응력에 기인한다. PDMS와 parylene의 열팽창계수는 각기 2.0 × 10-4/K와 3.5 × 10-5/K 로 보고되었다.11,42,43) Fig. 6. (a) 및 (b)와 같이 Au와 Pt 박 막의 표면에는 다른 위아래로의 물결무늬 형상이 형성되 어 있어 buckling 변형들이 용이하게 일어났다고 여겨진 다. 반면에 Fig. 6(c)와 같이 Cu 박막의 표면형상은 Fig.
7(b)에 있는 parylene F 중간층의 표면형상과 동일하여 Au 박막이나 Pt 박막과는 달리 Cu 박막에서는 buckling 변형 이 원활하게 발생하지 못하였다고 판단된다. 이와 같이 Au 박막과 Pt 박막이 buckling 변형되어 있는 반면에 Cu 박막은 국부적으로 cracking 되어 있어 인장변형 초기부
Fig. 5. Schematic illustration for (a) buckling deformation of Au and Pt films and (b) cracking of Cu film caused by transverse compressive stress.
Fig. 6. Optical micrographs of (a) Au, (b) Pt, and (c) Cu films before tensile deformation.
Fig. 7. Optical micrographs of (a) the PDMS and (b) the parylene coated on the PDMS substrate.
터 균열들이 벌어지기 때문에 Fig. 3(c)와 같이 인장 초기 부터 저항이 급격히 증가하여 바로 open 되는 것으로 판 단된다. Fig. 7(c)에 있는 Cu 박막의 광학현미경 사진에서 미세균열들을 관찰하기 어려웠는데, 이는 미세균열들이 수 μm 이하로 작아 광학현미경의 관찰가능 한계를 넘어 갔기 때문인 것으로 생각된다.
Fig. 8에 30% 인장변형률을 인가하며 광학현미경으로 관찰한 Au 박막과 Pt 박막의 표면 미세구조를 나타내었 다. Au 박막과 Pt 박막에서 인장 축에 수직방향으로 굵은 균열들이 관찰되었다. 그러나 이들 균열들이 박막 폭을 완전히 가로질러 연결되어 있지 않고 중간 중간 끊어져 있으며 이들 균열들 사이에 박막 ligament들이 존재하기 때문에, 이 ligament들을 통해 전기가 통하게 된다. Au와 Pt 박막 표면에서는 또한 인장 축에 평행한 방향으로 buckling 패턴들이 관찰되었는데, 이는 Poisson 비가 0.5 인 PDMS를 30% 인장변형률로 잡아당겼을 때 인장 축에 수직한 방향으로 발생하는 Poisson 수축에 기인하여 형성 된 것이다.11)
Fig. 9에 PDMS에 증착한 parylene 중간층에 먼저 5 nm 두께의 Cr 접착층을 스퍼터링한 후, 그 위에 150 nm 두께 로 스퍼터링한 Au, Pt 및 Cu 박막의 신축변형-저항 특성 을 나타내었다. Fig. 3에 있는 금속박막들과의 차이는 Cr 접착층의 유무이다. Fig. 8(a)와 같이 Cr/Au 박막의 초기 저항은 0.84 Ω이었으며, 첫 번째, 두 번째, 세 번째 신축 변형 싸이클의 30% 인장변형률에서 각기 106 Ω, 126 Ω 및 124 Ω의 전기저항을 나타내었다. Fig. 9(b)와 같이 Cr/
Pt 박막의 초기저항은 17.3 Ω으로 측정되었으며, 첫 번째, 두 번째 및 세 번째 신축변형 싸이클의 30% 인장변형률 부근에서 각기 2.8 kΩ, 10.8 kΩ 및 10.4 kΩ의 최대저항을 나타내었다. Fig. 3(c)와 같이 Cr/Cu 박막은 38.4 Ω의 초 기저항을 나타내었으며, 약간의 인장변형에 의해서도 저 항이 급격히 증가하여 완전히 open 되었다. Fig. 3과 Fig.
9을 비교시 Cr/Pt와 Cr/Cu 박막은 각기 Pt 박막과 Cu 박 막보다 높은 초기저항을 나타내었다. 반면에 Cr/Au 박막 은 Au 박막보다 더 낮은 초기저항을 나타내었는데, 이 결 과와는 달리 parylene C에 스퍼터링한 Cr/Au 박막의 초기 저항은 Au 박막보다 2배 정도 높은 것으로 보고되었다.11) 이와 같이 각 박막에서 Cr 접착층 유무에 따라 서로 다른 초기저항 거동을 보이는 이유는 Cr 접착층의 영향과 더 불어 시편에 따른 박막두께 차이 및 신축변형 테스터에 박막시편들을 설치하면서 가해지는 인장변형 정도의 차 이에 기인하는 것으로 판단된다. Cr 접착층이 각 금속박 막의 신축변형-저항 거동에 미치는 영향을 비교하기 위 해 Fig. 10에 Cr 접착층 유무에 따른 Au, Pt 및 Cu 박막의 신축변형시 저항변화율 ΔR/Ro를 나타내었다. Fig. 4와 비 교시 Au와 Pt 박막 및 Cu 박막에서 모두 parylene F 층과 Fig. 8. Optical micrographs of (a) Au and (b) Pt films at 30%
tensile strain.
Fig. 9. Stretchable deformation-resistance characteristics of (a) Cr/Au, (b) Cr/Pt, and (c) Cr/Cu films.
Fig. 10. Resistance change ratio ΔR/Ro of (a) Cr/Au, (b) Cr/Pt, and (c) Cr/Cu films.
금속박막 사이에 Cr 접착층을 삽입함에 따라 신축변형에 따른 저항변화율이 급격히 증가하였는데, 이는 parylene C 중간층을 적용한 Au 박막에서 보고된 결과와 잘 일치 한다.11) Cr 접착층이 있는 금속박막에서 신축변형에 따른 저항변화율이 급격히 증가하는 이유는 PDMS 기판의 인 장변형시 취성의 Cr 층이 파단되며 생긴 균열들이 그 위 에 부착되어 있는 금속박막으로 전파되어 금속박막의 파 단을 유발하기 때문이다.11)
4. 결 론
PDMS 기판에 금속박막 배선을 형성시 기존의 Cr 접착 층을 parylene F 중간층으로 대체하는 것이 가능하였다.
Parylene F를 코팅한 PDMS 기판에 스퍼터링한 Au, Pt, Cu 박막은 Cr 접착층의 유무에 무관하게 테잎 접착력 시험 시 박리가 전혀 발생하지 않아, parylene F 층만으로도 PDMS에 대한 금속박막의 접착력 향상이 가능하였다.
PDMS 신축기판과 금속박막 사이에 parylene F 중간층만 있는 시편들이 parylene F 층과 Cr 접착층을 모두 형성한 시편과 비교하여 훨씬 더 우수한 신축변형-저항 특성을 나타내었다. Au, Pt, Cu 박막 중에서는 Au 박막이 Pt 박 막이나 Cu 박막보다 훨씬 우수한 신축변형-저항 특성을 나타내어 신축 전자패키지용 금속박막 배선으로 가장 적 합하였다.
감사의 글
본 연구는 미래창조과학부 및 정보통신기술진흥센터의 정보통신·방송 연구개발 사업의 일환인 형태변형이 가 능하고 신체 탈착이 편리한 착용형 디바이스 및 UI/UX 개발(과제번호: B0101-16-0420)과 홍익대학교 학술연구 진흥비 지원에 의해 수행되었습니다.
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