Ultra-Thin Glass, UTG is a glass with thickness under 100 μm. Due to its superior property such as high transmissivity, extremely low surface roughness and low flexural rigidity it has been anticipated as one of the best candidate materials for advanced electronics substrate and encapsulation layer. However due to the brittle nature of glass, reliability issues must be overcome for application of UTG. Especially when exposed impact, high tensile stress is concentrated instantaneously at a small region which results fracture in UTG. Therefore, it is essential to evaluate mechanical strength of UTG and use it as a guideline with safety factor for design of UTG integrated advanced electronics. In this study Ball-on-Ring test was set up to measure mechanical strength of UTG excluding the effect of edge and sidewall defect. Analytical Ball-on-Ring test strength calculation equation isn’t applicable to UTG, since the equation was derived under small displacement assumption which result in linear relation between load and maximum tensile stress. Displacement result of UTG Ball-on-Ring test is greater than specimen thickness which makes small displacement assumption invalid. Due to this large displacement kinematic nonlinearity prevails resulting nonlinear relation between load, stress and displacement. Therefore, finite element analysis considering nonlinearity was conducted to calculate UTG strength. UTG strength calculated by Ball-on-Ring test and empirical equation decreases as the thickness of UTG increases. According to weakest link theory brittle material’s strength is dependent of effective volume at which tensile stress is imposed. As thickness of UTG increases calculated effective volume increases resulting lower UTG strength. From finite element analysis result thickness and elastic modulus were parameters affecting nonlinear relation, by considering these factors an empirical equation is suggested which enables facile calculation of UTG strength without use of finite element analysis. Measured UTG strength values and their thickness dependency by Ball-on-Ring test and empirical equation are expected to be used as a guideline for designing UTG integrated device.
초박형 유리는 두께 약 100 μm 미만의 유리로 높은 투과도, 낮은 표면거칠기, 낮은 굽힘 강성으로 차세대 전자부품의 기판 및 보호층으로 활용이 기대되고 있다. 이러한 초박형 유리가 지속적으로 사용되기 위해서는 신뢰성 문제가 해결되어야 한다. 특히 충격이 가해지는 경우 좁은 영역에 순간적으로 높은 인장응력이 인가되어 이로 인해 초박형 유리에 파괴가 발생된다. 그러므로 초박형 유리의 파괴강도를 평가하고 이를 기반한 설계가 이루어져야 할 것이다. 따라서 본 연구에서는 초박형 유리의 강도를 측정하기 위하여 측면 결함의 영향을 베제하고 재료의 강도를 측정할 수 있는 Ball-on-Ring 시험법을 구축하였다. 기존의 Ball-on-Ring 시험의 강도 계산식은 작은 변형만을 고려한 선형적 관계의 계산식은 얇은 초박형 유리의 강도를 계산할 때 적용될 수 없다. 따라서 초박형 유리가 변형할 때의 기구학적 비선형성을 고려한 유한요소해석을 이용하여 초박형 유리의 강도를 계산하였다. 구축한 Ball-on-Ring 시험과 실험식으로 구한 초박형 유리의 강도가 두께가 증가할 수 록 인장응력이 인가되는 유효부피가 증가하여 강도가 감소한다는 사실을 확인했다. 또한 이런 비선형성이 두께와 탄성계수에 영향 받는다는 사실을 유한요소해석 결과를 통해 확인하였고, 이를 고려한 실험식을 제시하여 손쉽게 유한요소해석을 사용하지 않고 초박형 유리의 강도를 계산하였다. 본 연구에서 측정한 초박형 유리의 강도와 두께에 따른 강도 감소의 경향은 초박형 유리가 사용된 제품의 신뢰성 높은 설계의 가이드라인으로 활용될 수 있을 것을 기대한다.
