Electro-mechanical Reliability of CNT-based Conductive Films on Flexible Substrates
Creators: name: Kang, Yuran
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: reliability
carbon nanotubes
flexible
stretchable
conductive films
conductive traces

description: Leitfähige Bahnen oder Schichten auf flexiblen Substraten sind wesentliche Komponenten für die flexible Elektronik. Sie müssen bei äußeren Verformungen ihre elektrische Leitfähigkeit und mechanische Integrität erhalten. Leiterbahnen aus herkömmlichen Materialien wie Indiumzinnoxid (ITO) und Metallen haben auf flexiblen Substraten unter großen Dehnungen nur eine begrenzte Zuverlässigkeit gezeigt. In diesem Zusammenhang könnten Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften eine vielversprechende Alternative sein. Einige Studien haben berichtet, dass CNT-basierte Leiterbahnen auf flexiblen Substraten sehr großen Zugspannungen standhalten können. Es wurden jedoch nur sehr wenige systematische Studien zu ihrer elektromechanischen Zuverlässigkeit durchgeführt. Diese Doktorarbeit befasst sich mit dem elektromechanischen Verhalten von CNT-basierten Filmen bei statischen und zyklischen Verformungen und untersucht systematisch, die zugrundeliegenden Mechanismen für ihre hervorragende Zuverlässigkeit. Diese Erkenntnisse könnten für die Optimierung potenzieller flexibler Geräte unter Verwendung von CNTs wichtig sein. CNT-basierte Leiterbahnen können durch Tintenstrahldruck oder Schleuderbeschichtung hergestellt werden. Als eines der Standardsubstrate für die gedruckte Elektronik wird eine Polyethylenterephthalat (PET)-Folie als Substrat verwendet. CNT-basierte Leiterbahnen konnten erfolgreich gedruckt werden. Die elektrische Leitfähigkeit ist jedoch durch den geringeren Gehalt an CNTs in der Tinte begrenzt. Daher wurde zur Erzielung einer besseren elektrischen Leitfähigkeit eine Schleuderbeschichtung von CNT-Dispersionen angewendet. Durch eine mehrschichtige Abscheidung wurde ein Schichtwiderstand von lediglich 400 Ohm/sq. erreicht. Der wichtigste Teil dieser Doktorarbeit sind die statischen und zyklischen elektromechanischen Prüfungen sowie die Mikrostrukturcharakterisierung von CNT-basierten leitfähigen Filmen auf flexiblen Substraten. Es wurden Mikrozugversuche durchgeführt, um ihre Zuverlässigkeit unter statischen Zugspannungen zu testen, während Biegeermüdungsversuche durchgeführt wurden, um ihre Lebensdauer unter zyklischen Zugdehnungen zu bewerten. Um das elektromechanische Verhalten von CNT leitfähige Filmen unter Verformung zu untersuchen, wurden ihre Morphologie und änderungen der Mikrostruktur untersucht, indem verschiedene mikroskopische Charakterisierungsmethoden kombiniert wurden. CNT leitfähige Schichte zeigen eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit bei hohen Dehnungen von bis zu 50%. Ihre Widerstands-Dehnungs-Abhängigkeit zeigt, dass ihre intrinsischen Leitfähigkeiten durch Strecken sogar verbessert werden. Ihre Dehnbarkeit von bis zu 50% wird durch die Überbrückungswirkung von CNTs über eventuell auftretende lokale Risse begünstigt. Biegeermüdungstests ergaben ferner sehr hohe Lebensdauern der CNT Schichten. Bei kleinen Dehnungsamplituden, von 1% bis 2%, sind die CNT leitfähigen Schichten bis zu 1 Million Biegezyklen frei von Ermüdungs-schädigung, und ihre intrinsischen Leitfähigkeiten werden sogar während der zyklischen Verformung aufgrund des Kohäsionseffekts verbessert. Bei einer höheren Dehnungsamplitude von 3% können CNT Schichten ihre elektrische Leitfähigkeit bis zu 200.000 Biegezyklen aufrechterhalten, und ihr Versagen ist nur auf die Ermüdung und den Gewaltbruch des Polymersubstrats zurückzuführen, was sich als der limitierende Faktor des ganzen Systems herausstellt. Diese Ergebnisse zeigten, dass die in dieser Studie verwendeten PET-Folien nicht die optimalen flexiblen Substrate für Biegebeanspruchungen sind und alternative Substrate, die bei höheren Dehnungsamplituden (z.B. &gt; 3%) nicht ermüden und brechen, erforderlich sind.