Fatigue behavior of semi-transparent silver-nanowire healable conductor and fabrication of healable touch panel

Abstract

회복능력이 있는 재료는 기계적인 파괴에 의한 신뢰성 저하 문제를 해결할 수 있는 한 방안으로 많은 연구 그룹이 개발을 위해 노력을 쏟고 있는 연구분야 중 하나이다. 실제로 다양한 접근방법으로 회복능력이 있는 재료가 개발되었고 많은 학술지를 통해서 발표되었다. 하지만 해당 신소재가 실제로 어떠한 시스템의 설계에 적용되지는 못하고 있고, 단순히 회복능력이 있는 재료를 개발하는 초기단계에 머물러 있는 상황이다. 새로운 공학재료가 실제 어떠한 제품의 설계에 적용되기 위해서는 반드시 소재의 기계적 거동에 대한 연구가 선행 되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 최근 발표된 회복능력이 있는 재료 중 전기전도성과 회복능력이 우수한 재료로 평가 받은 은 나노 와이어와 회복능력이 있는 D-A 폴리머의 복합체의 피로 거동을 분석 하고 소재의 실용성을 입증하기 위해 해당 소재를 이용하여 터치스크린을 제작하였다.

소재의 기계적 거동 분석에서는 피로실험을 수행하여 두께, Pre-stretch, 변형률 조건이 소재의 피로수명에 어떠한 영향을 끼치는지 확인하였다. 먼저 두께와 피로 수명간의 관계에서는 기존의 다른 금속박막 재료들의 연구결과와 마찬가지로 두께가 얇을수록 더욱 우수한 기계적 거동을 보인다는 것을 확인하였다. 또한 Pre-stretch가 커질수록 소재의 피로거동에는 좋지 않은 영향을 끼친다는 것을 확인하였다. 소재의 표면에 균열이 발생하지 않는 범위에서 Pre-stretch를 가하고 실험을 수행하였기에, 균열 발생에 의한 것이 아닌 Pre-stretch과정에서 국부적인 변형이 발생하여 그로부터 균열 발생이 그 부분에서 더욱 쉽게 일어나 이러한 결과를 낳았다는 것으로 분석하였다. 변형률과 피로수명간의 관계를 규명하기 위해 다양한 변형률 조건에서 피로실험을 수행하고 그 결과로부터 Coffin-manson관계식에 잘 따르고 있다는 것을 확인하였고 소재의 Fatigue ductility exponent값을 도출하였다. 반복적인 실험을 통해서 소재의 실험적 파손기준과 피로파손기구를 규명하였다. 피로파손기구에서는 일반적으로 관찰되는 피로현상인 Extrusion/Intrusion이 관찰되지 않았고, 이는 와이어 형태의 금속물질이기 때문에 기존의 금속소재와는 결정학적 구조가 다름에 기인한 결과로 파악하였다. 피로실험과 더불어 소재의 실용성을 입증하기 위해 실제 전자제품에서 사용될 경우 소재에 가해 질 수 있는 하중조건을 모사하여 소재에 손상을 입히고, 이렇게 발생된 손상에 대해서도 회복능력이 있는지를 검증하였다. 연구의 마지막 단계에서는 해당 소재를 이용하여 실제로 터치스크린을 만들어 그 성능의 우수성을 확인 함으로써 회복능력이 있는 재료의 실용성을 입증하였다.