초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 나노박막, 나노와이어, 나노복합재, 나노다결정 재료의 미세구조와 거시적 물성 간 상관관계의 규명과 이를 토대로 한 최적의 미세구조 설계를 위한 나노-컨티늄 브리징 해석기술의 성공적인 정립과 검증을 목표로 한다. 수십 나노미터 수준의 스케일에서 나노박막, 나노와이어, 나노복합재, 나노결정질 재료에서 나타나는 표면효과, 계면효과, 결정립계 효과를 대표적인 원자수준에서의 해석기법인 분자동역학 전산모사 기법을 통해 묘사하기 위한 다양한 접근법에 대한 기초를 정립하였고, 이와 동시에 미시역학, 판이론

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 나노박막, 나노와이어, 나노복합재, 나노다결정 재료의 미세구조와 거시적 물성 간 상관관계의 규명과 이를 토대로 한 최적의 미세구조 설계를 위한 나노-컨티늄 브리징 해석기술의 성공적인 정립과 검증을 목표로 한다. 수십 나노미터 수준의 스케일에서 나노박막, 나노와이어, 나노복합재, 나노결정질 재료에서 나타나는 표면효과, 계면효과, 결정립계 효과를 대표적인 원자수준에서의 해석기법인 분자동역학 전산모사 기법을 통해 묘사하기 위한 다양한 접근법에 대한 기초를 정립하였고, 이와 동시에 미시역학, 판이론, 초탄성 이론, 유한요소 해석 등과 같은 전통적인 연속체 해석 기반 모델을 원자수준에서의 해석기법과 연계하여 상기한 미세구조의 특징을 설계에 반영할 수 있는 독자적인 브릿징 해석기법의 개발을 수행하였다.

연구결과
미세구조 재료의 해석을 위한 브릿징 해석기술 개발은 나노박막, 나노와이어, 나노복합재 그리고 나노결정질 재료로 구분되는 네 가지의 미세구조를 대상으로 하였고, 이러한 구조에서 나타나는 독특한 물리적 현상은 크게 표면효과와 계면효과로 구분된다. 먼저 나노박막과 나노와이어의 경우, 두께와 단면적이 수십나노미터 수준 이하의 크기를 가지는 경우, 표면효과와 상변이에 따른 거동에 초점을 맞추었다. 나노박막의 경우 두께변화에 따른 탄성계수, 열팽 창계수, 비선형 거동 예측과 이를 연속체 모델에서 효율적으로 재연하기 위한 방법론의 개발을 완료하였고, 이를 확장한 연구로 나노다공질 구조의 최적설계와 나노스프링의 형상설계를 수행하였다. 나노와이어의 경우 나노와이어의 단면적, 세장비, 격자 방향에 따른 형상기억 거동, 초탄성 거동, 쌍정에 의한 압력센서로의 응용가능성 등을 비롯해 반도체 소재로 구성된 나노와이어의 상변이 거동과 이에 따른 기계적/열적 거동 특성에 대한 새로운 현상들의 규명에 대한 연구를 중점적으로 수행하였다. 주기적인 압축-인장에 따른 새로운 상변이 메커니즘의 발견을 비롯한 단결정 구조의 상변이에 따른 거시적 거동 변화에 대한 다양한 연구결과를 도출하였고, 이는 나노와이어 구조를 활용한 센서, 전극, 메모리 소자 등과 같은 나노와이어의 다양한 응용분야에 활용될 수 있다. 나노복합재의 경우 강화입자의 크기변화에 따라 복합재의 거시적 물성이 달라진다는 계면효과의 규명과 이를 고려한 연속체 모델의 정립을 중점적으로 추진하였다. 분자동역학 전산모사를 통해 나노복합재 내에 계면 층이 형성됨을 규명하였고, 계면층의 물성을 역으로 예측하는 브릿징 기법의 제안을 통해 고전적인 미시역학 모델과 유한요소 해석에 기반한 균질화 해석모델의 적용을 통해서도 상기한 계면효과가 적절히 반영될 수 있도록 하였다. 또한 탄성거동, 계면의 불완전 결합, 열탄성거동, 비선형 거동 등 다양한 물성과 설계변수들의 반영이 가능한 일련의 멀티스케일 모델을 제안하였다. 나노결정질 재료의 해석을 위한 응집영역 모델은 다양한 격자방향을 가진 결정립 간의 응집영역 모델 파라메터를 분자 동역학 전산모사를 통해 계산하여 응집영역 요소를 이용한 다결정 재료의 유한요소 해석을 통한 결정립계 균열전파의 수치적 해석이 가능한 다중스케일 파괴해석모델을 정립하였다.

연구결과의 활용계획
개발된 나노-컨티늄 브리징 기술은 새로운 현상의 관찰과 이를 응용한 개발에 대한 안정적 예측을 기반으로 하여 나노소재, 에너지 시스템, 바이오공학 등 다양한 학문분야에서 실험적 접근을 보완할 수 있는 선행연구방법론으로 적용될 수 있다. 본 연구를 통해 축적된 미세구조의 거동에 대한 데이터베이스화와 개발된 해석모델의 표준화를 통해 장기적으로는 그동안 다양한 시행착오를 겪으며 수행되어 왔던 실험 위주의 기술개발 흐름을 보다 효율적으로 개선한 해석/설계/제작이 연계된 하나의 연구방법론의 정립이 가능할 것이며, 미세구조를 비롯한 다양한 나노소재의 개발과 제조 그리고 이를 응용하기 위한 연구 활성화에 다양하게 적용되는 원천기술로 활용될 수 있을 것이다

Abstract ▼

Purpose& contents
This research aims at a successful development of a novel generic nano-continuum brdiging technology suitable for design of optimum microstructure by establishing structure-property relationship of functional nanomaterials such as nano thin film, nanowire, nanocomposites and nan

Purpose& contents
This research aims at a successful development of a novel generic nano-continuum brdiging technology suitable for design of optimum microstructure by establishing structure-property relationship of functional nanomaterials such as nano thin film, nanowire, nanocomposites and nanocrystalline structures. Various approaches to identify the surface effect of nanofilms and nanowire, interphase effect in nanocomposites, and grain boundary effect of nanocrystalline structures via atomistic simulations have been proposed. As a generic technology to resolve accuracy and efficiency problem of microstructural design, unique multiscale bridging technologies that can describe the special nanoscale effect in continuum regime such as micromechanics, finite element, plate theory, hyperelasticity etc. for such microstructures have been developed.

Result
In this research, main research concerns are on the extraordinary surface effect and interphase effect of four representative microstructure of nano thin film, nanowire, nanocomposites, and nanocrystalline structures. For nano thin films and nanowire, we focused on the identification of surface effect and phase transformation of single crystalline transition metals and semiconducting materials. In nano thin films, prediction of the elastic modulus, thermal expansion, nonlinear behavior as well as an efficient bridging scheme to the continuum models have been successfully completed and extended to the optimum design problem of nanoporous and nanospring structures. As a result, applicability to practical design problem such NEMS/MEMS structures through the integration of the nanopartterning and fabrication process has been confirmed. In case of nanowire, shape memory and pseudoelastic behaviors, application to a pressure sensor through the twining and phase transition and related thermoelastic behavior have been studied. Important outcomes including a new shape memory mechanism as a result of cyclic loading-unloading behavior and various phase transition-related unique behaviors has been revealed by atomistic simulations. In nanocomposites, the embedded filler size dependent mechanical and thermal properties related to the interphase zone effect has been studied, and both micromechancis and finite element-based multiscale models to describe the filler size effect have been proposed. In nanocrystalline structure, cohesive zone model parameters to describe macroscopic inter granular fracture are obtained from various tilted boundary region of transition metal structure. Through the cohesive law parameterization, multiscale finite element scheme to hierarchically describe local opening mode of grain boundary zone has been established.

Expected Contribution
Anticipated impact of the developed multiscale bridging technology through the five years' research project is based on the understanding of new phenomenological evolution of functional advanced materials and the settled prediction of the potential applicability of new microstrucrtures, thus, can be diversely applied as a generic technology in the field of nano materials, energy systems, biotechnology etc. Accumulated database on the physical properties of various nanostructures obtained from the present research and the developed novel approaches to resolve both accuracy and efficiency in predicting optimum microstructure can serve as a new standardized strategy to enhance the conventional route to design and manufacture for nano materials and as a comparable generic technology to accelerate the development of integrated analysis/design/manufacture paradigm

목차 Contents

• 도약연구사업 최종보고서 ... 1
• 목 차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 68
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 73
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 74
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 75
• 8. 참고문헌 ... 75
• 9. 연구성과 ... 78
• 10. 기타사항 ... 107