전해 동박막 재료의 피로수명과 소성변형 거동

Abstract

본 연구는 두께 12μm의 전해도금(electrodeposited) 구리박막에 대해 인장실험과 피로실험을 수행한 것이다. 일반적으로 박막 재료는 압축하중을 받을 수 없기 때문에 인장-인장(tension-tension) 피로시험이 필요하다. 따라서 인장 평균응력의 영향을 반드시 고려해야 하며, 또한 인장 평균응력이 일방향(一方向, monotonic) 소성변형(plastic deformation)을 일으킬 가능성이 매우 높으므로 이에 대한 검토도 반드시 해야 한다. 이에 본 연구에서는 박막 재료의 인장과 피로특성을 검토하기 위해, 전해도금 구리박막을 에칭(etching) 공정을 통해 시험편으로 제작하였으며, 연구자 그룹에서 개발된 시험기를 통해 인장실험 및 피로실험을 수행하였다. 인장실험을 통해 탄성계수(E), 항복강도(SY)=231MPa, 인장강도(SB)=317MPa, 파단 연신율(δF)=13.2\%, 가공경화지수(n)=0.098 값을 얻었다. 하중 제어 방식의 주파수 13Hz의 피로시험을, 인장강도(SB)의 60\%~69\%, 항복강도(SY)의 82\%~95\% 범위의 다양한 평균응력에서 수행하여 응력-수명 곡선(S-N곡선)을 얻었다. 이를 통해 박막 재료의 피로 수명에 응력이 미치는 영향은 최대응력(Smax)으로 잘 나타낼 수 있음을 확인하였다. 또한 일방향 소성변형률(εpmean)자체가 피로손상에 해당하며, 동적 크리이프(dynamic creep)가 피로손상의 지배적인 기구(mechanism)임을 알 수 있었다. 이에 Weibull 분포 함수를 이용하여, 피로손상에 직접적으로 연관된 일방향 소성변형률 곡선을 예측할 수 있는 방법을 제안하였다. 일정진폭 하중의 경우에는 일방향 소성변형률 추정식이 피로수명 예측에 좋은 결과를 주었으나, 변동하중 실험의 경우에는 응력 간섭 작용과 천이구간을 고려하는 새로운 모델이 필요함을 알 수 있었다.