Analysis of adhesion force at the surfaces involved in layered-structure using atomic force microscopy = 원자현미경을 통한 다층구조물의 표면 접착력 분석
저자
발행사항
서울 : 성균관대학교 일반대학원, 2017
학위논문사항
학위논문(석사)-- 성균관대학교 일반대학원 : 신소재공학과 2017. 8
발행연도
2017
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
65 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김윤석
DOI식별코드
소장기관
디스플레이, 메모리 소자와 같은 전자 소자는 지난 수십 년간 지속적으로 발전해왔다. 이러한 전자 소자의 성능 향상에는, 구조적인 측면에서 봤을 때, 특정한 기능을 담당하는 새로운 물질로 구성된 부분이나 층들이 포함된 구조를 통해 개선되었다. 이러한 이유에서 전자 소자 내에서 새롭게 형성된 이종물질 간의 계면에서의 접착력은 소자 전체의 안정성에 영향을 영향을 미치기 때문에 새로운 연구과제로 떠오르고 있다. 전자 소자 내의 집적도의 향상에 따라서 현재 나노미터 수준의 소자가 실제로 제작되고 상용화가 되어있음에도 불구하고 박리 시험, 접촉각 측정기 등의 기존의 접착력 분석 방법들은 거시적인 수준에서의 접착력 분석만 가능하다는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 나노미터 수준의 분석이 가능하고, 접착력에 영향을 미치는 요소들에 대한 개별적인 제어가 가능하며, 동시에 비파괴적인 측정방법으로 동일한 위치에서의 반복 측정이 가능한 원자현미경을 통한 접착력 분석 방법을 제안하였다.
원자현미경을 통한 접착력 분석 방법의 가능성을 확인하기 위한 첫 번째 단계로써, 다양한 하부 기판과 그래핀 사이에 작용하는 접착력에 대해 분석하였다. Ge, Si, InP, SiO2 등 다양한 하부 기판 중에서 SiO2 기판에서 가장 큰 접착력이 측정되었으며, 실제로 이러한 큰 접착력에 의해서 SiO2 기판 위에 그래핀이 가장 적절하게 전사되는 것을 확인하였다. 또한, 이러한 SiO2 기판의 큰 접착력이 기존에 알려진 것과 다르게 반데르발스 힘이 아닌 화학적 결합에 의한 힘이라는 것을 이론 계산 및 시뮬레이션 계산을 통해서 분석하였다. 이후에 추가적인 실험으로 실제로 상용화가 된 Organic light emitting diode (OLED) 시편에서 접착력이 취약한 층에서의 접착력을 분석하였다. 박리 이후에 남아있는 층의 비율, 표면 조도, 접착력 분석 등을 기반으로 LiF 층, cathode 층, encapsulation 층 중에서 encapsulation 층의 접착 특성이 가장 취약한 것을 분석하였다. 이러한 연구를 통해 원자현미경을 통한 접착력 분석 방법이 실제 상용화된 시편의 분석에도 적용될 수 있음을 확인하였다.
Electronic devices, such as display and memory devices, have been developed over the past few decades. During such progress in their performance, a handful of additional parts or layers have been suggested to achieve the specific goals, which are directly associated with their properties in terms of the structure. New heterogeneous interfaces in the field of electronic devices have been introduced, and thus, the adhesion forces at these interfaces have been emerging as a critical issue since it crucially affects the stability of the devices. Conventional methods to analyze the adhesion force, typically peel test and contact angle measurement, are limited only for analysis in macroscopic scale in spite of the devices in nanoscale have been currently manufactured on a basis of the improvement of the degree of integration. Here, I suggested the analysis of the adhesion force based on atomic force microscopy because of its versatility such as 1) measurement in nanoscale, 2) individually controllable for the factors, which may affect the adhesion property and 3) repeatable measurement at the exact same position due to non-destructive method.
As an initial step to demonstrate the feasibility of the adhesion force analysis using atomic force microscopy, I applied this concept to analyze the adhesion force between various underlying substrates and graphene layer. Among various substrates, which are Ge, Si, InP and SiO2, the larger adhesion force was measured on the SiO2 substrate compared to the other substrates, and I demonstrated that this larger adhesion force affects the transfer of the graphene layer, which was mainly accompanied by the chemical bonding force. Subsequently, the adhesion force at the interfaces involved in the top electrode in the OLED sample, which is currently employed as the actual device, was measured to investigate the specific interfaces showing relatively weaker adhesion properties. Consequently, encapsulation layer exhibited the lowest adhesion properties among LiF, cathode and encapsulation layers consisting of the top electrode in the OLED sample. Thus, I observed the feasibility of the adhesion force measurement based on atomic force microscopy, that is, this concept can be introduced for the real applications.
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