본 연구에서는 DIC 법을 이용하여 두께 $12{\mu}m$ 의 구리박막에 대한 인장시험을 수행하였다. 시험결과 정밀한 응력-변형률 곡선의 시험결과를 얻을 수 있었으며, 특히 잉크젯프린터를 이용한 시험편 표면 스펙클패턴의 작성은 DIC 법을 적용하기가 어려운 시험편 표면의 콘트라스트가 낮은 경우에 유용하게 사용할 수 있을 것이다. 측정된 구리박막의 기계적 물성은 탄성계수 E = 89.2 GPa, 0.2% 오프셋항복응력$S_{0.2%}$= 232.8 MPa, 인장강도$S_u$= 319.2 MPa, 파단연신률 ${\varepsilon}_f$= 16.8 %, Poisson 비 ${\nu}$= 0.34 의 결과를 얻었으며, 탄성계수는 알려진 벌크소재에 대한 결과보다는 작다.
본 연구에서는 DIC 법을 이용하여 두께 $12{\mu}m$ 의 구리박막에 대한 인장시험을 수행하였다. 시험결과 정밀한 응력-변형률 곡선의 시험결과를 얻을 수 있었으며, 특히 잉크젯프린터를 이용한 시험편 표면 스펙클패턴의 작성은 DIC 법을 적용하기가 어려운 시험편 표면의 콘트라스트가 낮은 경우에 유용하게 사용할 수 있을 것이다. 측정된 구리박막의 기계적 물성은 탄성계수 E = 89.2 GPa, 0.2% 오프셋 항복응력 $S_{0.2%}$= 232.8 MPa, 인장강도 $S_u$= 319.2 MPa, 파단연신률 ${\varepsilon}_f$= 16.8 %, Poisson 비 ${\nu}$= 0.34 의 결과를 얻었으며, 탄성계수는 알려진 벌크소재에 대한 결과보다는 작다.
In this study, tensile tests for 12-${\mu}m$-thick copper thin foils were performed by using the DIC method. The DIC method provided precise stress-strain curves for thin film materials, and a commercial inkjet printer can be simply and effectively used for printing speckle patterns on th...
In this study, tensile tests for 12-${\mu}m$-thick copper thin foils were performed by using the DIC method. The DIC method provided precise stress-strain curves for thin film materials, and a commercial inkjet printer can be simply and effectively used for printing speckle patterns on the specimen of Cu thin films whose surface contrast is too low to apply the DIC method. The mechanical properties of Cu thin foils obtained in this study are as follows: elastic modulus E = 89.2 GPa, 0.2% offset yield stress $S_{0.2%}$= 232.8 MPa, tensile strength $S_u$= 319.2 MPa, elongation at fracture ${\varepsilon}_f$=16.8 %, and Poisson's ratio ${\nu}$= 0.34.
In this study, tensile tests for 12-${\mu}m$-thick copper thin foils were performed by using the DIC method. The DIC method provided precise stress-strain curves for thin film materials, and a commercial inkjet printer can be simply and effectively used for printing speckle patterns on the specimen of Cu thin films whose surface contrast is too low to apply the DIC method. The mechanical properties of Cu thin foils obtained in this study are as follows: elastic modulus E = 89.2 GPa, 0.2% offset yield stress $S_{0.2%}$= 232.8 MPa, tensile strength $S_u$= 319.2 MPa, elongation at fracture ${\varepsilon}_f$=16.8 %, and Poisson's ratio ${\nu}$= 0.34.
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문제 정의
이 널리 사용되고 있다, 이 방법은 비접촉식 측정법으로 고정밀도의 변위측정이 가능하여 미소시험편의 시험에 적합하다. 본 연구에서는 DIC 법을 이용한 Cu 박막에 적합한 인장시험법을 개발하고 이를 이용한 인장시험을 수행하여 Cu 박막의 기계적 물성에 대한 검토를 하고자 한다.
제안 방법
이 때 시험편에 가해지는 하중은 10 N 용량의 로드셀로, 시험편의 변위는 정전용량형 변위계로부터 변위를 측정한다. 또한 CCD 카메라를 이용하여 시험편 상의 변위를 시험 중 연속적으로 측정한다. CCD 카메라는 Point Grey 사 제품(GRAS-50S5M)으로 2,448×2,048 픽셀(pixel)의 해상도와 15 fps(frames per second)의 촬영속도(frame rate)를 갖는다.
대표적인 방법 중 하나는 DIC(digital image correlation)법(10)으로 측정시스템이 비교적 단순하고 간편하게 측정할 수 있다. 본 연구에서는 시험편 그립간 변위를 정전용량형 변위계를 이용하여 측정하고, DIC 법을 이용하여 시험편 표점거리의 변형을 측정한다. 본 연구에서 사용한 DIC 법의 측정정밀도는 CCD 카메라에 부착한 광학현미경의 배율에 따라 달라지며, 본 연구의 경우 약 0.
5 mm 이다. 시험편 표면에 작성된 반점은 금속표면에 대한 수성 잉크의 흡착성이 좋지 않아 그림에서와 같이 비교적 반점 크기의 편차가 크지만, 실제 시험에 적용하여 그 유용성에 대해 검토한다.
시험편의 축방향 변형률은 약 4 mm 정도의 표점거리에 대하여 측정하였으며, Poisson 비 측정을 위한 횡방향 변형률은 약 0.4 mm 정도의 표점거리에 대하여 측정하였다.
2 %의 결과를 얻었다. 이 연구에서는 변형률은 시험편 표점거리간의 변형률을 직접 측정하지 않고, 정전용량변위계를 이용하여 그립간의 변위를 측정하였으며, 이 결과를 탄성변형률과 소성변형률로 나누어 시험편 변형률로 환산한 결과로 정리하였다. 시험결과에서 인장강도는 본 연구의 결과와 거의 일치하고 있음을 알 수 있는데, 이것은 시험편 변위와는 관계없는 값이기 때문이다.
2 MPa 의 결과를 얻었다. 이 연구에서는 탄성계수를 100 MPa 이상의 탄성영역에서 결정하였다. Fig.
이를 위해 시험편에 스펙클패턴이 인쇄되지 않은 시험편과 인쇄된 시험편에 대한 인장시험을 수행하여, 인장강도 Su 와 시험편 파단변위 δf 의 시험결과를 비교하였다.
대상 데이터
시험기는 동전형 액추에이터(electro-dynamic actuator)를 사용하였으며,(8) 하중측정을 위한 로드셀(load-cell), 시험편 변위측정을 위한 정전용량형 변위계(capacitance type displacement gage)와 광학현미경(optical microscope)이 장착된 CCD 카메라, 하중제어신호(command signal)의 발생과 하중·변위신호의 측정을 위한 D/A 와 A/D 컨버터(converter), 그리고 시험기의 제어와 데이터측정 및 저장을 위한 PC 로 구성되어 있다.
시험편은 Furukawa 사에서 전해도금(electro deposition)법으로 제작된 두께 12 µm 의 구리 박막(Cu foil)을 에칭(etching)법을 이용하여 Fig. 2 와 같은 도그본(dog-bone) 형상으로 제작하였다.
이론/모형
본 연구에서는 Cu 박막에 대한 인장시험을 DIC 법을 이용하여 수행하였다. 이 방법은 Fig.
본 연구에서는 두께 12 µm 의 Cu 박막에 대한 인장시험을 DIC 법을 이용하여 수행하였다.
CCD 카메라는 Point Grey 사 제품(GRAS-50S5M)으로 2,448×2,048 픽셀(pixel)의 해상도와 15 fps(frames per second)의 촬영속도(frame rate)를 갖는다. 시험기 제어와, 하중 등 신호와 시험편 이미지의 측정을 위한 프로그램은 LABVIEW 를 이용하여 작성하였다.
5 mm, 길이 5 mm 에 걸쳐 균일한 단면을 갖고 있다. 시험은 ASTM E08M(12)에 규정된 절차에 따라 수행하였으며 시험속도는 4.5 MPa/s 로 하였다.
이를 위해 시험편에 스펙클패턴이 인쇄되지 않은 시험편과 인쇄된 시험편에 대한 인장시험을 수행하여, 인장강도 Su 와 시험편 파단변위 δf 의 시험결과를 비교하였다. 여기서 시험편 변위는 그립간 변위(grip-to-grip displacement)를 측정한 정정용량형 변위계의 측정결과를 이용하였다.
성능/효과
본 연구에서 사용한 DIC 법의 측정정밀도는 CCD 카메라에 부착한 광학현미경의 배율에 따라 달라지며, 본 연구의 경우 약 0.3 µm 의 해상도로 측정이 가능하며 변형률은 8 µm/m 의 정밀도로 측정이 가능하다.
본 연구에서는 두께 12 µm 의 Cu 박막에 대한 인장시험을 DIC 법을 이용하여 수행하였다. 시험결과 정밀한 시험결과를 얻을 수 있었으며, 특히 잉크젯프린터를 이용한 시험편 표면 스펙클패턴의 작성은 DIC 법을 적용하기가 어려운 시험편 표면의 콘트라스트가 낮은 경우에 유용하게 사용할 수 있다.
본 연구에서는 Cu 박막에 대한 인장시험을 DIC 법을 이용하여 수행하였다. 이 방법은 Fig. 6 에서 볼 수 있는 바와 같이, 전 영역에 걸쳐 정밀한 시험결과를 얻을 수 있으며, 특히 탄성영역에서 응력-변형률 곡선의 선형성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 따라서 미소시험편에 대한 정밀한 시험 결과를 얻을 수 있다.
이 VIT (visual image tracing)법을 이용하여 측정한 결과가 있다. 이 연구에서는 탄성계수 E = 79 GPa, 0.2% 오프셋 항복응력 S0.2% = 206.8 MPa, 인장강도 Su = 252.2 MPa 의 결과를 얻었다. 이 연구에서는 탄성계수를 100 MPa 이상의 탄성영역에서 결정하였다.
이상의 결과로부터, 본 연구에서 수행한 두께 12 µm 인 Cu 박막의 경우 시험편 표면에 인쇄된 스펙클패턴이 인장시험결과에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
측정된 Cu 박막의 기계적 물성은 탄성계수 E = 89.2 GPa, 0.2% 오프셋 항복응력 S0.2% = 232.8 MPa, 인장강도 Su = 319.2 MPa, 파단연신률 εf = 16.8 %, Poisson 비 ν = 0.34 의 결과를 얻었으며, 탄성계수는 알려진 벌크소재에 대한 결과보다는 작다.
6(b)의 결과에 의하면 응력이 높을수록 응력-변형률 곡선의 기울기가 완만하게 감소하므로 탄성계수가 작게 계산되어질 가능성이 있다. 항복응력과 인장강도는 본 연구에서 얻어진 결과에 비해 각각 11.2, 21.0 % 작은 결과를 보여주고 있다.
후속연구
2.2.2 절에서 지적한 바와 같이 본 연구에서 사용한 박막시험편은 두께가 12 µm 로 매우 얇기 때문에, 시험편 표면에 인쇄된 잉크에 의한 시험결과에 미치는 영향에 대한 검토가 필요하다.
따라서 미소시험편에 대한 정밀한 시험 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서 사용한 잉크젯 프린터를 이용한 스펙클패턴의 작성은 실리콘이나 매끄러운 표면을 갖는 금속과 같이 낮은 시험편 표면 콘트라스트로 DIC 법을 사용하기가 어려운 소재에 대해, 시험편 표면에 FIB 또는 증착 등의 추가 공정이 필요없이 간편하고 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미소시험편의 시험에서 가장 어려운 문제는 무엇인가?
미소시험편의 시험에서 가장 어려운 문제는 시험편의 변형률 측정이다. 벌크 소재의 시험에서는 스트레인게이지나 변위계(extenso-meter)와 같은 접촉식 측정법을 이용해 간편하고 높은 해상도의 측정이 가능하다.
미소시험편의 기계적 특성을 얻기 위한 주로 사용되어온 시험법은 무엇이 있는가?
지금까지의 많은 연구를 통해 마이크로 이하의 치수를 갖는 박막의 기계적 특성이 벌크(bulk) 소재와는 다른 거동을 보인다는 것은 잘 알려져 있다. 미소시험편의 기계적 특성을 얻기 위한 시험법으로는 굽힘(bending), 벌지(bulge), 인장(tensile)시험 등이 주로 사용되어 왔다.(1~9) 굽힘이나 벌지시험은 인장시험에 비해 쉽고 간편한 장점이 있으나 기계적 물성을 얻기 위해서는 몇가지 가정이 필요한 단점이 있다.
미소시험편의 시험에 적합한 방법으로 무엇이 있는가?
이들 방법중 최근 시험편의 변위측정에 CCD 카메라에 의한 시험편 디지털이미지를 이용한 DIC(digital image correlation)법(10)이 널리 사용되고 있다, 이 방법은 비접촉식 측정법으로 고정밀도의 변위측정이 가능하여 미소시험편의 시험에 적합하다. 본 연구에서는 DIC 법을 이용한 Cu 박막에 적합한 인장시험법을 개발하고 이를 이용한 인장시험을 수행하여 Cu 박막의 기계적 물성에 대한 검토를 하고자 한다.
참고문헌 (15)
Weihs, T. P., Hong, S., Bravman, J. C. and Nix, W. D., 1988, "Mechanical Deflection of Cantilever Microbeams: a New Technique for Testing the Mechanical Properties of Thin Films," J Mater Res, Vol.3, pp.931-942.
Schweitz, J. A., 1992, "Mechanical Characterization of Thin Films by Micromechanical Techniques," MRS Bull, XVII, pp.34-45.
Beams, J. W., 1959, Structure and Properties of Thin Films, New York: Wiley, pp.183-192.
Bromley, E. I., Randall, J. N., Flanders, D. C. and Mountain, R. W., 1983, "A Technique for the Determination of Stress in Thin Films," J Vac Sci Technol B, Vol.1, pp.1364-1366.
Sharpe, W. N., Yuan, B. and Edwards, R. L., 1997, "A New Technique for Measuring the Mechanical Properties of Thin Films," J Microelectromech Syst, Vol.6, pp.193-199.
Kim, C. Y. and Sharpe, W. N., 2010, "Development of a Fatigue Testing System for Micro-Specimens," Trans. of the KSME (A), Vol. 34, pp. 1201-1207.
Pan, B., Qiam, K., Xie, H. and Anand, A., 2009, "Two-dimensional Digital Image Correlation for Inplane Displacement and Strain Measurement: A Review," Meas Sci Technol, Vol. 20, pp. 1-17.
Han, S. W., Lee, S. J., Seo, K. J., Kim, J. H., Lee, H. J., 2006, "Measurement of Young's Modulus and Poisson's Ratio for Copper Thin Film Using Visual Image Tracing Method," Trans. of the KSME 2006, pp. 7-10.
ASTM E08M-04, 2004, Annual book of ASTM standards, vol. 03.01. Philadelphia (PA), p. 419.
Hwangbo, Y., Song, J. H., 2010, "Fatigue Life and Plastic Deformation Behavior of Electrodeposited Copper Thin Films," Mater. Sci. Eng. A, Vol. 527, pp. 2222-2232.
ASM Handbook, Vol. 2, Properties & Selection: Nonferrous Alloys and Special Purpose Materials, 1990, ASM International, Materials Park, OH,.
Klein, M., Hadrboletz, A., Weiss, B., Khatibi, G., 2001, "Size Effect on the Stress-Strain, Fatigue and Fracture Properties of Thin Metallic Foils," Mater. Sci. Eng. A, Vol. 321, pp. 924-928.
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