정적인 기계적 변형과 온·습도의 복합 요인이 유연 인쇄 전극의 전도성에 미치는 영향

1. 서론

최근 전자제품이 지향하는 주요 특징은 웨어러블(Wearable) 및 플렉서블(Flexible)로, 여기에는 유연 전극, 유연 디스플레이, 유연 메모리, 유연 태양전지, 유연 배터리 등의 유연 전자 소자(Flexible Electronics Devices)가 필요하며, 이에 따라 유연 전자 소자 개발이 활발하게 이루어지고 있다.¹ 유연 전자 소자는 제품 특성 상 굽힘(Bending), 비틀림(Twisting), 말림(Rolling) 등의 다양한 기계적 변형을 받게 되고, 이러한 유연 전자 소자가 제품으로 상용화되기 위해서는 이러한 기계적 변형을 받는 중이나 받은 후에도 제품의 성능과 전기적인 특성을 유지해야 한다. 인쇄 전자(Printed Electronics)는 유연한 기판 위에 전자 소자를 인쇄로 직접 제작하는 기술로, 대량 생산, 저가 생산, 대면적 생산에 적합하기 때문에 유연 전자 소자를 제작하는 공정으로 주목 받고 있다.^2,3 인쇄 전자 기술로 제작된 인쇄 전자 소자(Printed Electronics Devices)는 잉크화된 기능성 재료를 이용하기 때문에 온·습도의 환경적 요인에도 전기적 성능이 영향을 받을 수 있다. 특히, 인쇄 전자 소자가 상용화를 목표로 하는 다양한 제품 분야에 적용할 경우 이들이 사용되는 환경 또한 다양해지게 된다.^4-7

전자 소자는 다양한 환경에 노출되었을 때 환경과의 상호작용으로 인하여 전기적 특성 변화가 발생하고, 이러한 전기적 특성 변화는 전자 소자의 성능에 영향을 미쳐 제 기능을 발휘할 수 없다. 따라서, 상용화를 위해서는 환경 영향에 대한 전기적 신뢰성 평가가 반드시 필요하며, 이와 관련하여 유연 전자 소자의 온도 사이클 시험, 고온시험, 고습도시험, 진공시험 등 다양한 기후적, 기계적 환경 영향 연구가 활발히 진행되어 왔다.^8-11 그러나, 인쇄 전자 소자의 경우, 최근에서야 인쇄 전자기술이 유연 전자 소자의 상용화 기술로 주목 받기 시작하였기 때문에 인쇄 전자 소자가 사용되는 환경 요인이 전기적 특성과 성능에 미치는 영향을 분석하기 위한 연구는 미미한 실정이다. 특히, 인쇄 전자 소자는 변형과 온·습도의 복합 요인에 의해 전기적 특성이 영향을 받을 수 있으나, 이러한 변형과 온·습도의 복합적 요인이 인쇄 전자 소자 성능에 미치는 영향에 대한 연구는 아직까지 거의 없다.

유연 인쇄 전자 소자에 나타날 수 있는 기계적 변형은 크게 정적 변형(Static Deformation)과 동적 변형(Dynamic Deformation)인 반복 변형으로 분류할 수 있으며, 정적인 변형은 곡면 형태로 사용되는 유연 디스플레이, 곡면 사이니지, 유연 메모리, 유연 태양전지 등의 소자에, 동적 변형은 반복적인 동작이 이루어지는 폴더블 폰, 인체 부착형 소자, 센서 내장형 의류 등에서 나타난다. 동적인 반복 변형의 경우 반복 변형의 크기, 주파수, 형태 등 다루어져야 할 변수가 많아, 방대한 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 유연 전자 소자가 기계적 변형과 환경의 복합 영향을 받는 경우의 전기적 특성 변화에 대한 기초 연구로서, 인쇄 전자 소자의 기본이 되는 인쇄 전극이 정적인 변형을 받는 경우로 한정하여, 정적인 기계적 변형과 온·습도 환경의 복합적 요인이 인쇄 전극의 전도성에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다.

2. 실험방법

2.1 기계적 변형의 인가

유연 전자 소자의 신뢰성을 테스트하기 위한 기계적 변형은 일반적으로 굽힘, 비틀림, 말림 등이 있으며, 여기서는 정적인 변형으로 한정하였으므로 굽힘과 비틀림의 두가지에 대해 실험을 수행하였고, 변형이 없는 경우와 비교하기 위하여 무변형을 추가하여, 총 세가지의 변형 상태를 비교하였다. 기계적인 변형을 유연 인쇄 전극에 인가하기 위하여 Fig. 1과 같이 유연 인쇄 전극에 변형을 인가할 수 있는 변형인가장치를 사용하였다.¹² 이 변형인가장치는 유연 전극을 고정하는 클램프에 연결된 모터를 제어하여, 병진, 회전 운동을 인가할 수 있으며, 이러한 클램프의 운동 조합으로 유연 전극에 굽힘, 비틀림, 전단 등 다양한 변형을 가할 수 있다. 유연 전극의 저항은 클램프에서 저항측정 장치로 연결되어 2-와이어(2-Wire) 또는 4-와이어(4-Wire) 방법을 이용하여 실시간으로 측정 가능하다.

Fig. 1

Test apparatus for mechanical deformation

굽힘은 Fig. 2(a)와 같이 클램프의 각도(θ)와 클램프의 이동거리(D)를 조절하여 유연 인쇄 전극이 일정한 곡률(1/r)을 가지는 호가 되도록 하였다.^11,12 다양한 크기의 굽힘이 인가되었을 때 발생하는 유연 인쇄 전극의 저항 변화를 보기 위하여 Table 1과 같이 굽힘의 크기를 두 종류의 곡률(20, 40 m^-1)로 설정하였다. 비틀림의 경우, Fig. 2(b)와 같이 회전축의 중심에 소자를 위치시키고 두 종류의 비틀림 크기를 인가하기 위하여 Table 1과 같이 회전각도(Φ = 30, 60°)를 다르게 설정하였다.

Fig. 2

Schematics of deformations

Table 1

Levels of deformations

Fig. 3은 실험에 사용된 유연 인쇄 전극으로, 은 나노잉크(Ag-NP Ink)와 PET (Polyethylene Terephthalate) 기판을 사용하여 스크린 인쇄방식으로 제작되었다. 동일한 환경에서 전극 선폭에 따른 저항 변화에 미치는 영향을 보기 위하여 100 μm와 200 μm의 선폭이 서로 다른 전극을 제작하였다. 한번의 인쇄로 여러 개의 샘플이 제작 가능하므로, 많은 수의 샘플 획득이 가능하며, 100 μm 선폭 전극의 경우 평균 저항이 13.26 Ω, 200 μm 선폭 전극의 경우 평균 저항이 이 5.59 Ω으로 측정 되었고, 실험에는 각 저항 별로 평균에서 ± 5% 이내의 저항 오차를 갖는 샘플을 10개씩 추출 후 실험에 사용하였다.

Fig. 3

Flexible printed electrode used in experiments

2.2 온·습도 환경 조성

온·습도 환경이 유연 인쇄 전극의 저항 변화에 미치는 영향을 분석하기 위하여 다양한 온·습도 환경을 Fig. 4의 항온·항습 챔버(Chamber)를 이용하여 조성하였다. Fig. 1의 기계적 하중 인가 장치는 챔버 내에 위치하며, 모터에서의 발열 영향을 최소화하기 위해 단열 및 냉각 장치가 설치되어 있다. 온도와 습도는 개별적으로는 -10^oC에서 90^oC, 20%에서 90%까지 조절이 가능하나, 온·습도가 조합되어 안정적으로 제어가 가능한 범위는 온도 15^oC에서 85^oC, 습도 20%에서 85%이다. 시간에 따라 온·습도의 변동을 설정하는 시나리오 기능을 이용하여 시간 별로 온도가 변하도록 설정하였다. Fig. 5는 시간에 따른 온·습도 패턴으로, 저습은 40%, 고습은 80%의 습도를 유지한 상태에서 온도를 변화시켰다. 다양한 온·습도 환경에서 저항 변화를 측정하기 위하여 습도를 저습(RH 40%) 또는 고습(RH 80%)으로 일정하게 유지한 상태에서 온도를 변화시켰다. 먼저 초기 온도에서 저온(5^oC)으로 온도를 조정하여 시작 온도로 초기화하였고, 이후 상온(27.5^oC), 고온 (50^oC) 순으로 증가시켰다. 각 온도에서 일정한 시간 동안 저항을 측정한 후 다음 온도로 변화시켰다. 온·습도가 변하는 중에는 유연 인쇄 전극의 저항을 정확하게 측정할 수 없기 때문에 온·습도의 변동이 안정화될 때까지의 시간이 필요하다. 온·습도의 변동을 안정화시키기 위하여 온·습도 변화 후 0.5시간 안정화 시간을 주었으며, 그 후에 설정한 온·습도 환경에서1시간 동안 유연 인쇄 전극의 저항 변화를 측정하였다. 저항의 측정은 초당 1회 측정하였다. 실험의 정확도를 확보하기 위하여 각 온·습도 패턴마다 3회 이상 반복 실험을 수행하였다.

Fig. 4

Temperature and humidity chamber

Fig. 5

Variation pattern of temperature and humidity for experiments

3. 실험 결과 및 고찰

온도가 유연 인쇄 전극의 저항 변화에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 다양한 온도에서 측정한 유연 인쇄 전극의 저항 변화를 Figs. 6(a)부터 6(c)와 같이 각각의 기계적 변형에 대해 온도에 따른 저항 변화율로 나타내었다. 무변형의 경우 Fig. 6(a)에서 보는 바와 같이 온도가 5^oC에서 27.5^oC로 증가한 경우와 27.5^oC에서 50^oC로 증가한 경우 저항은 각각 6.2-7.1%, 6.8-8.2% 증가하여 고온에서의 저항 변화율이 10% 정도 크게 나타났으며, 전체적으로는 5^oC에서 50^oC로 온도가 변하는 동안 12.9-15.0%의 저항 변화가 관찰되었다. 습도의 경우 80%의 경우가 40%인 경우보다 더 큰 저항 변화를 보여, 고온 변화 영역에서는 습도 80%에서의 저항 변화율이 40%의 경우보다 최대 17% 크게 나타났다. 따라서, 변형이 없는 경우라도 1^oC의 온도 상승 마다 0.29-0.33%의 저항 증가가 나타났으며, 고온, 고습에서 더 큰 저항 변화를 보였다. 굽힘의 경우 Fig. 6(b)에서 보는 바와 같이 온도가 5^oC에서 27.5^oC로 증가한 경우와 27.5^oC에서 50^oC로 증가한 경우 저항은 각각 7.4-9.3%, 7.2-9.9% 증가하여 전체적으로는 5^oC에서 50^oC로 온도가 변하는 동안 15.2-19.2%의 저항 변화가 관찰되었다. 이는 1^oC의 온도 상승 마다 0.32%-0.43%의 저항 증가에 해당되어, 무변형인 경우에 비해 10% 이상 저항 변화가 더 컸다. 습도 80%인 경우 40%인 경우에 비해 저항 변화율이 최대 32% 높게 나타나, 굽힘 하중을 받는 경우 무변형에 비해 고습의 영향이 더 큼을 알 수 있다. 그러나, 굽힘 곡률과 선폭은 저항 변화율에 큰 차이가 나타나지 않아, 정하중의 굽힘의 경우 굽힘 변형의 크기는 유연 전극의 전도성에 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있다. 비틀림의 경우 Fig. 6(c)에서 보는 바와 같이 온도가 5^oC에서 27.5^oC로 증가한 경우와 27.5^oC에서 50^oC로 증가한 경우 저항은 각각 7.6-10.7%, 6.9-11.4% 증가하여 전체적으로는 5^oC에서 50^oC로 온도가 변하는 동안 15.0-22.1%의 저항 변화가 관찰되었다. 따라서, 1^oC의 온도 상승 마다 0.36-0.49%의 저항 증가를 보여, 무변형인 경우에 비해 30-50% 정도 저항 변화가 더 크게 나타났다. 선폭의 경우, 굽힘과는 다르게 선폭이 증가할수록 저항 변화가 더 크게 측정되어, 20% 정도 높게 나타났다. 그러나, 비틀림 각도 크기 차이에 따른 저항 증가율은 큰 차이를 보이지 않아, 굽힘의 경우와 마찬가지로 비틀림 정하중에 의한 변형의 크기는 유연 전극의 전도성에 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있다.

Fig. 6

Resistance change of pre-deformed flexible printed electrodes under temperature and humidity variations

변형에 따른 저항 변화율은 5^oC에서 50^oC로 온도가 변하는 동안 각 변형 별로 저항 변화율을 나타낸 Fig. 7에서 쉽게 비교할 수 있다. 여기에서 보듯이, 온도가 증가함에 따라 무변형, 굽힘, 비틀림의 순서로 저항 변화율이 커지며, 습도가 높아질수록 저항이 커지는 비율은 더 높아진다. 그러나, 변형의 크기에 따른 변화율 차이는 거의 없으며, 선폭의 경우 비틀림만 영향을 받는다. 습도의 증가에 따라 저항이 커지는 것은 공기 중의 물 입자와 전극의 은 입자가 반응하여 형성된 산화물에 의해 발생하는 것으로 형성된 산화물이 전류를 방해하여 저항 변화율을 증가시킨다.¹³ 높은 온도에서는 산화물을 형성하는데 필요한 에너지를 열에너지로 공급하기 때문에 산화물의 형성이 낮은 온도에서보다 촉진된다. 따라서 낮은 온도보다 높은 온도에서 더 두꺼운 산화물을 형성하게 되고 저항 변화율이 상대적으로 더 높아지게 된다.

Fig. 7

Resistance change of pre-deformed flexible printed electrodes for various deformations

동일한 온·습도의 경우라도 변형이 없는 경우에 비해 변형이 인가된 경우 저항 변화율이 더 커져서, 변형에 의한 응력 발생과 이에 의한 내부 입자 구조의 변화가 저항 증가를 더 높이는 것으로 볼 수 있다. 그러나, 변형의 크기를 높여도 저항 변화가 크게 차이 나지 않는 것으로 보아, 일단 변형이 가해져서 내부의 구조가 변한 경우에는 변형의 크기는 더 이상 내부 구조의 변화를 주지 않는 것으로 추정할 수 있다. 즉, 변형 자체의 유무가 저항 변화에 우선 영향을 주고, 변형이 발생한 이후의 변형의 크기는 큰 영향을 주지 않는 것으로 볼 수 있다. 이것은 비틀림의 경우 비틀림의 크기에는 저항 변화율이 큰 영향을 받지 않지만, 선폭 증가에 따라 저항 변화가 더 커진 경우로부터도 확인이 가능하다. 즉, 전극 내부에 발생하는 응력은 인가되는 변형의 종류에 따라 달라지는데, 굽힘이 인가될 경우 주로 수직 응력이 발생하고, 비틀림이 인가될 경우 주로 전단 응력이 발생한다.¹⁴ 인쇄 전자 전극은 나노 잉크가 건조되어 입자가 굳어진 형태를 갖기 때문에 전단에 매우 취약하고, 따라서, 전단이 발생하는 비틀림이 인가되었을 때 가장 높은 저항 변화율이 발생하였다. 일단 전단에 의해 내부 구조가 변형된 비틀림의 경우 비틀림 양이 증가하여도 저항 변화에 큰 영향을 주지 않지만, 선폭이 커질 경우 전단을 받는 면적이 커지고, 내부 구조의 변화가 발생하는 면적이 더 커져서, 이러한 저항 증가 효과가 커지게 된다고 볼 수 있다.

4. 결론

정적인 기계적 변형과 다양한 온·습도의 복합 환경이 유연 인쇄 전극의 전도성에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 온·습도 변화는 모든 실험에서 유연 인쇄 전극의 전도성에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 이는 온·습도의 변화에 따라 유연 인쇄 전극의 성능이 달라질 수 있으며, 실제 상용화 시에는 이러한 온·습도 환경에 따른 전기적 성능 변화를 고려하여 설계하거나, 사용 범위를 정할 필요가 있음을 의미한다.

(2) 유연 인쇄 전극에 인가된 변형의 종류에 따라 전도성 변화에 차이가 있으며, 비틀림, 굽힘, 무변형 순으로 저항 변화가 높게 나타났다. 이는 유연 인쇄 전극이 전단 응력에 취약한 것을 의미하며, 따라서 상용화를 위해서는 전단 응력을 최소화하는 구조적 설계가 필요하다.

(3) 전극 선폭의 영향은 비틀림 변형에서에서만 나타났다. 따라서, 비틀림이 주로 인가되는 제품의 경우 선폭을 고려한 설계가 필요하다.

본 연구를 통해 기계적 변형과 환경의 복합 요인이 인쇄 전자 소자의 신뢰성에 크게 영향을 미칠 수 있음을 실험적으로 확인하였고, 따라서, 이러한 복합 요인을 고려한 신뢰성 시험이 필요하다고 결론 낼 수 있다. 또한, 연구에서 제시된 시험 방법을 발전시켜 유연 및 인쇄 전자 소자의 신뢰성 테스트를 위한 시험방법 표준화가 제안될 수 있을 것이다.

Acknowledgments

이 연구는 충남대학교 학술연구비에 의해 지원되었음.

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