Mechanics Guided Design, Fabrication, and Experimental Validation of Heterogeneous Integration Architectures for Stretchable Electronics

Abstract

본 연구는 신축성 전자 시스템에서 서로 다른 재료가 만나는 이종 인터페이스의 역학을 정량적으로 예측하고, 이를 기반으로 공정, 기판 구조, 디바이스 응용까지 연계하는 설계 체계를 제시한다. 강한 비선형성, 재료 상이성, 코너 특이성 때문에 해석이 까다로운 계면 문제를 대상으로, 해석적 모델과 유한요소 해석을 결합하여 주응력, 에너지 방출률, 응력 강도 인자, 전기 기계적 출력 등의 지표를 도출하고, 이를 토대로 공정 조건과 구조 설계 변수를 선정한 뒤, 실제 공정 구현과 디바이스 실험으로 타당성을 검증하였다. 우선 건식 전사 인쇄 파트에서는 금속/실리콘 계면의 열팽창 계수 차이, 탄성 계수, 접착 에너지를 고려한 열역학적 모델을 통해 계면 에너지 방출률을 계산하고, 에지 균열이 개시되는 온도 범위를 이론적으로 도출하였다. 응집존 모델과 시간 의존 열–기계 해석을 통해 가열 후 완만한 기계적 박리를 가했을 때 형상 왜곡 없이 빠르게 전사가 이루어지는 메커니즘을 규명하고, 과도한 가열 시 금속 실리사이드 형성 및 비가역 결합이 발생함을 Au/Si, Cu/Si 시스템에서 확인하였다. 이를 바탕으로 저확산 조합에서는 최적 온도 창을 설정하고, 고확산 조합에서는 자기조립 단분자막을 이용해 확산 장벽과 접착 저감을 동시에 달성하는 공정 레시피를 정립하였다. 설계된 조건을 실제 공정에 적용하여 저항, 마이크로 LED, 태양전지 등의 소자를 단일 열 사이클로 건식 전사하였고, 표피 부착형 센서, 무선 마이크로히터, 가스 모니터링 디바이스와 같은 시스템으로 통합하여 전사 전후 위치 정밀도와 전기적 특성이 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 두 번째로, rigid island 기반 응력 완화형 하이브리드 기판에서는 곡면 경계를 갖는 폴리우레탄 rigid island와 이를 둘러싼 폴리머 기판 구조를 통해 이종 인터페이스에서의 응력 집중을 제어하는 전략을 제시하였다. 전단 전달 길이와 Dündurs 파라미터에 기반한 해석과 유한요소 해석을 통해, 곡면을 갖는 rigid island와 얇은 상부 순응층이 칩 위치에서의 주응력을 크게 낮추고, 코너 특이성을 완화하여 계면 에너지 방출률을 감소시키는 설계 조건을 도출하였다. rigid 영역과 주변 PDMS 사이에는 interpenetrating polymer network를 도입하여 분자 수준에서 상호 침투된 계면을 형성하였고, 이를 통해 계면 파괴 인성을 증가시키고 균열 전파를 지연시키는 효과를 얻었다. 이러한 설계를 기반으로 하이브리드 기판을 제작하고, 초박형 GaAs 마이크로 LED와 마이크로히터를 직접 제작하여 rigid island 위에 집적하였다. 인장 및 반복 변형 시험 결과, rigid island 구조를 적용한 기판에서는 칩 주변의 국소 변형이 크게 감소하고, 유의미한 인장 변형에서도 전류–전압 특성과 발광, Joule 가열 특성이 거의 변화하지 않음을 확인하여, 곡면 rigid island와 IPN 계면이 실제 고성능 무기 소자를 효과적으로 보호함을 입증하였다. 상용 저항, LED, 태양전지 모듈을 대상으로 한 시험에서도, conventional 평면 island 대비 곡면 island 구조가 계면 파손 지연과 피로 수명 향상에 유리함을 보였다. 세 번째로, soft interlayer 기반 기판에서는 비교적 두꺼운 칩과 패키지 수준 부품을 신축성 기판에 통합할 때, 칩과 기판 사이의 strain 전달을 차단하기 위한 ultrasoft 완충 구조를 제안하였다. 유한요소 해석을 통해 칩 하부에 국부적으로 도입한 ultrasoft 층이 칩과 기판 사이의 변위를 디커플링하고, 칩으로 전달되는 주응력을 크게 낮추는 설계 조건을 도출하였다. 이를 바탕으로 몰드 기반 공정, 물에 용해되는 이형층, Ecoflex Gel과 PDMS의 코큐어링을 이용한 soft interlayer 형성, 액체금속 페이스트의 패터닝 및 인캡슐레이션, 수직 비아 내 액체금속 충전, 칩 로딩과 언더필, 상부 인캡슐레이션으로 이어지는 공정을 구축하였다. 유리판을 이용한 모사 실험과 실제 칩을 이용한 인장 시험 결과, soft interlayer가 없는 기판에서는 낮은 외부 변형에서 계면 균열과 파단이 발생하는 반면, soft interlayer 구조를 포함한 기판에서는 균열 개시가 관찰되지 않고, 전체 파단 연신율이 벌거벗은 PDMS와 유사한 수준까지 회복되는 것을 확인하였다. 이는 soft interlayer가 칩 유발 strain concentration을 기판으로부터 거의 완전히 격리한다는 것을 의미하며, 향후 고집적 칩 모듈과 신축성 배선을 결합하는 플랫폼으로 활용 가능함을 보여준다. 마지막으로, 곡률 특이 전극을 갖는 PZT 기반 stretchable piezoelectric nanogenerator(S-PENG)를 대상으로 구조–전극–회로가 통합된 설계 전략을 제시하였다. 다층 중립면 설계와 좌굴 해석을 통해 PZT 필름이 허용 변형 범위 이내에서 3차원 좌굴을 수행하도록 기계적 설계를 수행하고, 국소 곡률에 따른 폴라리티 분포를 전기 기계 결합 유한요소 해석으로 도출하였다. 이를 바탕으로 볼록 영역과 오목 영역을 전기적으로 분리한 곡률 특이 전극 패턴과 직렬 연결 회로를 설계하여, 기존 연속 전극 구조에서 발생하던 내부 상쇄 전류와 에너지 손실을 억제하였다. 회로 해석과 에너지 분할 분석을 통해 내부 저항 손실, 축전 에너지, 외부 부하로 전달되는 에너지의 변화를 계산하였고, 곡률 특이 전극 구조가 개방 전압과 출력 전력을 유의하게 증가시키는 것을 예측하였다. 고온 결정화, 폴링, 캡슐레이션, 프리스트레인 엘라스토머로의 전사와 좌굴 공정을 통해 S-PENG를 제작하였으며, 굽힘 및 인장 하에서 측정한 개방 전압과 전력 출력이 모델 예측과 정성적으로 잘 일치함을 확인하였다. 또한 대동물 심장 모델의 심외막에 봉합하여 in vivo 평가를 수행한 결과, 심장 수축·이완 주기와 동기화된 전압 출력이 안정적으로 발생하고, 다수의 심장 박동 동안 출력이 크게 열화되지 않는 것을 통해 생체 환경에서도 기계적 신뢰성과 에너지 하베스팅 성능을 동시에 확보할 수 있음을 보였다. 종합하면, 본 연구는 건식 전사 공정, rigid island 기반 응력 완화 기판, soft interlayer 기반 칩 집적 기판, 곡률 특이 PZT 에너지 하베스터에 대해 이론·시뮬레이션–공정 설계–기판 및 소자 제작–기계적·전기적 검증–웨어러블 및 이식형 응용까지 연계된 단일 설계 체계를 구축하였다. 이 체계는 이종 계면에서의 응력 집중과 균열 개시를 사전에 예측하고, 중립면 조정, 국부 강성 구배, 초유연 인터레이어, 액체금속 인터커넥트, 곡률 특이 전극과 같은 설계 도구를 이용해 장기 내구성과 에너지 변환 효율을 동시에 확보하는 방법을 제시한다. 제안된 설계 원리와 파라미터 범위는 향후 신축성 웨어러블 및 이식형 전자 시스템에서 반복적으로 발생하는 계면 신뢰성 문제를 정량적으로 해결하기 위한 실질적인 가이드라인으로 활용될 수 있다.

핵심어: 신축성 전자소자, 이종 인터페이스, 파괴 역학, 응력 집중, 변형 제어 설계 |This study investigates mechanics guided strategies for realizing mechanically reliable and functionally stable stretchable electronic systems that integrate rigid, high performance components with soft, deformable substrates. Heterogeneous interfaces between these materials give rise to stress concentration and interfacial failure under stretching, bending, and cyclic loading. To address these issues, the work combines a unified computational and theoretical framework with process development, device fabrication, and experimental evaluation of representative stretchable systems. One part of the study develops a thermos-mechanically driven dry transfer printing process that exploits controlled interfacial stresses for rapid, distortion free device release and transfer. Finite element (FE) simulations and analytical modeling define process windows for reliable delamination in heterogeneous architectures, and these guidelines are implemented through fabrication and transfer of resistors, LEDs, and solar cells from rigid donors to soft elastomeric receivers. Experiments confirm clean release, accurate alignment, and stable electrical performance under deformation. A second part investigates hybrid substrate architectures that combine rigid islands with ultrasoft interlayers to suppress stress concentrations and enhance mechanical durability. FE based parametric studies guide the choice of island geometry, interlayer thickness, and modulus, and the resulting designs are realized through fabrication of hybrid substrates that integrate commercial chips and thin film devices. Cyclic stretching and fatigue tests, together with optical strain mapping, show that the hybrid substrates reduce interfacial strain and delay crack initiation compared with conventional rigid island strategies. The final part of the work introduces curvature specific electrode and circuit designs for three dimensional PZT based nanogenerators that conform to curved surfaces. Mechanics guided placement of the PZT material and optimized electrode partitioning are examined by coupled electromechanical FE simulations, and the corresponding stretchable nanogenerator prototypes are fabricated and tested under controlled bending and stretching. Electrical measurements demonstrate increased output and stable operation during repeated deformation, relevant to wearable and implantable energy harvesting. Collectively, the study links mechanics guided design with fabrication and device level demonstrations, enabling predictive control of interfacial stresses and providing practical guidelines for durable, high efficiency heterogeneous integration in next generation stretchable electronics.

Keywords: Stretchable electronics, Heterogeneous interface, Fracture mechanics, Stress concentration, Strain engineering