폴리머 기판 위에 전사된 실리콘 박막의 기계적 유연성 연구

Flexibility Study of Silicon Thin Film Transferred on Flexible Substrate

현재까지 유연한 전자소자 개발은 주로 인쇄전자 기술을 이용한 유기재료 기반 위주로 연구 및 개발이 진행되어 오고 있다. 그러나 유기 기반의 소자는 성능 및 신뢰성에 많은 제약이 있다. 따라서 본 논문에서는 무기재료 기반의 실리콘 고성능 유연 전자소자를 개발하기 위한 방법으로 나노 및 마이크로 두께의 단결정 실리콘 박막을 transfer printing 기술을 이용하여 유연기판에 전사하여 제작하였다. 제작된 유연소자는 굽힘 시험과 인장 시험을 통하여 유연 신뢰성을 평가하였다. PI 기판에 부착된 두께 200 nm의 박막은 굽힘 시험 결과, 곡률 반경 4.8 mm 까지 굽힐 수 있었으며, 따라서 굽힘 유연성이 매우 우수함을 알 수 있었다. 인장 시험 결과 인장 변형률 1.8%에서 박막이 파괴되었으며, 기존 실리콘 박막에 비하여 연신율이 최대 1% 증가됨을 알 수 있었다. FPCB 기판에 부착된 마이크로 두께의 실리콘 박막의 경우 칩이 얇아질수록 굽힘 유연성이 향상됨을 알 수 있었으며, 20 μm 두께의 박막의 경우 곡률 반경 2.5 mm 까지 굽힐 수 있음을 알 수 있었다. 이러한 유연성의 증가는 실리콘 박막과 유연 기판 사이의 접착제의 완충작용 때문이다. 따라서 유연 전자소자의 유연성을 증가시키기 위해서는 박막 제작 시 공정 중의 결함을 최소화하고, 적절한 접착제를 사용한다면 유연성을 크게 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.

Development of flexible electronic devices has primarily focused on printing technology using organic materials. However, organic-based flexible electronics have several disadvantages, including low electrical performance and long-term reliability. Therefore, we fabricated nano- and micro-thick silicon film attached to the polymer substrate using transfer printing technology to investigate the feasibility of silicon-based flexible electronic devices with high performance and high flexibility. Flexibility of the fabricated samples was investigated using bending and stretching tests. The failure bending radius of the 200 nm-thick silicon film attached on a PI substrate was 4.5 mm, and the failure stretching strain was 1.8%. The failure bending radius of the micro-thick silicon film attached on a FPCB was 2 mm, and the failure strain was 3.5%, which showed superior flexibility compared with conventional silicon material. Improved flexibility was attributed to a buffering effect of the adhesive between the silicon film and the substrate. The superior flexibility of the thin silicon film demonstrates the possibility for flexible electronic devices with high performance.