This dissertation explores the mechanical properties of metal-graphene nanolayered composites, with a particular focus on Cu-graphene systems. The integration of graphene layers within these nanolayered composites offers the potential to enhance their strength, toughness, and reliability under fatigue. Empirical studies have demonstrated that graphene serves as an effective obstacle to dislocation movement and crack propagation, consequently leading to notable improvements in their mechanical properties. The interfaces formed between the graphene and the metal layers play a crucial role in impeding dislocation motion and facilitating crack deflection and arrest. A novel fabrication method for Cu-graphene nanolayered composites is proposed, in which electrodeposition of metal and roll-based dry transfer of graphene is implemented for enhanced scalability. Furthermore, the impact of graphene patterning on interfacial adhesion and its influence on preventing delamination under bending fatigue conditions are thoroughly investigated. The optimized graphene patterning design demonstrates a good balance in crack absorption and prevention of global delamination. This dissertation is expected to provide valuable insights into the mechanical properties and optimization of metal-graphene nanolayered composites, facilitating their practical application in flexible electronics.
본 연구는 구리-그래핀 시스템을 중점으로 금속-그래핀 나노 적층 구조체의 기계적 특성에 대해 탐구하였다. 이러한 나노 적층 구조체에서의 그래핀 층의 추가는 구조체의 강도, 인성, 그리고 피로 신뢰성의 향상을 가능하게 한다. 실험적과 시뮬레이션을 통해 그래핀이 전위 이동 및 균열 전파에 효과적인 장애물 역할을 함으로 기계적 특성이 눈에 띄게 향상됨을 확인하였다. 그래핀과 금속층 사이에 형성된 계면은 전위 운동의 방해와 균열의 전파를 방지하는 데 중요한 역할을 하였다. 구리-그래핀 나노복합체의 새로운 제작 방법으로 대면적 제작을 위해 금속의 도금 및 그래핀의 롤 기반 건식 전사가 소개되었다. 또한 그래핀 패터닝이 계면 접착에 미치는 영향과 굽힘 피로 조건에서 박리 방지에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하였다. 최적화된 그래핀 패터닝 설계를 통해 균열의 흡수와 전체 면적의 박리 방지의 균형을 이룰 수 있었다. 본 논문에서 진행된 금속-그래핀 나노 적층 구조체의 기계적 특성과 최적화 설계에 대한 연구를 통하여 유연 전자 장치에서 금속-그래핀 나노 적층 구조체의 실제 적용에 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
