The material properties of OFHC(Oxygen Free High thermal Conductivity) film with a thickness of 0.1 mm was evaluated at the strain rates ranging from 0.001/s to 1000/s using High-Speed Micro Material Testing Machine(HSMMTM). The high strain-rate material properties of thin films are important especially for evaluation of structural reliability of micro-formed parts and MEMS products. The high strain-rate material testing methods of thin films, however, are not yet thoroughly established while testing methods of larger specimens for electronics, auto-body, train, ship and ocean structures has been well-established. For evaluation, a HSMMTM has been newly developed to conduct high-speed tensile tests of thin films. The machine developed has a capacity of sufficiently high tensile speed with an electromagnetic actuator, a novel gripping mechanism and an accurate load measurement system. The electromagnetic actuator has the maximum acceleration of 60 G and the maximum tensile velocity of 4 m/s. For gripping of micro specimen, a novel gripping system, a slack-adapter type, was suggested for high-speed material testing. The load ringing frequency of HSMMTM currently developed is 25.5 kHz which is quite high frequency and the tensile load signal has good signal quality at high strain rates. The axial strain during high-speed tensile tests was measured by digital image processing of sequential deformation images from high speed camera. The material selected for high-speed micro tensile tests is OFHC copper film with a thickness of 0.1 mm. Specimen quality such as surface roughness is one of the important factors for accurate measurement of tensile material properties of micro samples. Micro specimens were fabricated by micro photo etching technique which is a process used in microfabrication to remove parts selectively from a thin film or a bulk of substrate. The specimen prepared showed good surface quality and dimensional accuracy. The OFHC copper film shows high strain-rate sensitivity in terms of the flow stress, the fracture elongation and strain hardening. They increase as the tensile strain rate increases. The strain hardening and flow stress in relation to the strain rate were analyzed with Swift equation. The strength coefficient and strain hardening exponent of Swift equation increases as the strain rate increases. The necking instability strain at elevated strain rates was derived from Swift equation. The necking instability strain derived was closely related to the fracture elongation in relation to the strain rates. Therefore the micro formability of OFHC copper film increases as the micro forming speed increases. The rate-dependent material properties of an OFHC copper film are also compared with those of a bulk OFHC copper sheet with a thickness of 1 mm. The flow stress of an OFHC copper film is relatively lower than that of a bulk OFHC copper sheet in the entire range of strain rates while the fracture elongation of an OFHC copper film is much larger than that of a bulk OFHC copper sheet. For grain size investigation of OFHC coppers, OFHC copper samples were prepared for EBSD(Electron BackScattered Diffraction). The grain sizes of two OFHC coppers were compared and the number of grains in the gauge cross-section was evaluated. The OFHC copper film with smaller averaged grain size showed larger strain hardening than the OFHC copper sheet with larger averaged grain size. The yield strength of the OFHC copper film with larger portion of surface grains in the gauge cross-section was lower than the OFHC copper sheet with smaller portion of surface grains in the gauge cross-section. Rate-dependent material properties of OFHC coppers were fitted with the Johnson-Cook constitutive model. The stress-strain curves from the experiment and the Johnson-Cook constitutive model showed large discrepancies as the plastic strain increases since the Johnson-Cook constitutive model implies no rate-dependent strain hardening. New constitutive model was suggested in consideration of strain hardening increment as the strain rate increases. The strain rate hardening term in the new constitutive model consists of: the strain rate sensitivity coefficient of the yield strength; and the strain rate sensitivity coefficient of the strain hardening. The new constitutive model currently suggested can well approximate the rate-dependent stress-strain curves from the experiment. The HSMMTM currently developed can successfully obtain the rate-dependent material properties of OFHC copper film. The experimental stress-strain curves obtained were well-fitted by the new constitutive model. The materials properties of micro samples can provide indispensible mechanical properties for the computer aided simulation of micro forming and crash analysis of micro-parts and micro structures.
본 연구에서는 박막의 고속재료시험을 위해 고속마이크로재료시험기 및 시험기법을 개발하고 개발된 고속마이크로재료시험기를 이용하여 무산소동 박막의 고속재료물성을 평가한다. 개발된 고속마이크로재료시험기의 인장변형률속도 범위는 최소 1/s, 최대 1000/s이다. 박막의 고변형률속도 재료물성치는 마이크로성형 부품과 MEMS 제품의 구조적인 신뢰성을 평가에 필수적이다. 자동차, 열차, 선박, 해양구조물용 재료와 같이 일반적인 크기의 재료에 대한 고속재료시험기 및 시험 기법은 정립이 되어 있으나 수십~수백 마이크론의 두께를 가지는 박막에 대한 고속재료시험기법은 보고되지 않은 실정이다. 새롭게 개발된 고속마이크로재료시험기는 고성능 리니어모터, 슬랙어댑터형 그립 시스템, 정밀한 하중측정 시스템을 가지고 있다. 고속마이크로재료시험기의 구동부는 최대 가속도 60G, 최대속도 4 m/s의 성능을 가지고 있다. 하중측정부는 동하중을 측정하기 위하여 압전형 로드셀을 이용하였으며 하중떨림주파수는 25.5 kHz로 고변형률속도에서의 응력선도를 얻는데 있어 측정신뢰도가 높다. 고속마이크로재료시험 시 정밀한 변형률 측정을 위하여 비접촉식 광학 측정기법을 활용하였다. 고속카메라와 접사렌즈를 이용하여 마이크로 시편의 변형거동을 촬영하여 표점간의 거리를 환산하여 변형률을 측정하였다. 고속마이크로재료시험의 대상 재료는 0.1t의 무산소동 박판을 선정하였다. 무산소동 박판은 마이크로성형 공정을 통해 많은 전기/전자 부품에 활용된다. 정밀한 시편 가공을 위하여 마이크로포토에칭 기법을 이용하였다. 마이크로포토에칭 기법을 이용하여 가공한 무산소동 박판의 마이크로 시편은 높은 표면정도 및 가공정밀도를 보였다. 무산소동 박판의 고속마이크로재료시험을 통해 변형률속도에 따른 유동응력, 변형률경화, 파단연신율을 평가하였다. 무산소동 박판의 변형률속도에 따른 유동응력 곡선을 Swift식으로 근사하여 변형률속도에 따른 각 계수의 변화를 정량적으로 분석하였다. 무산소동 박판의 유동응력은 변형률속도가 증가함에 따라 함께 증가하는 경향을 보이며 변형률경화 및 파단연신율 역시 변형률속도가 증가함에 따라 증가한다. 변형률속도에 따른 네킹불안정성변형률은 파단연신율의 증가경향과 일치하며 무산소동 박판의 경우 고속성형 시 성형성이 증가될 것으로 판단된다. 0.1t의 무산소동 박판의 고속재료물성치를 1.0t의 무산소동 박판의 고속재료물성치와 비교하고 평가하였다. 1.0t의 무산소동 박판은 0.1t의 무산소동 박판에 비해 항복응력이 높으나 변형률경화량 및 파단연신율은 낮은 값을 보인다. 정량적인 분석을 위하여 두 무산소동 박판의 미세조직을 EBSD촬영을 통해 분석하였다. EBSD 분석을 통해 얻어진 각 무산소동 박판의 평균결정립크기를 이용하여 시편 게이지부의 결정립 분포를 예측하였다. 0.1t의 무산소동 박판은 작은 결정립크기를 가지며 이는 결정립계와 같은 전위장벽의 밀도를 높여 변형률경화를 높이는 결과를 가져온다. 반대로 1.0t의 무산소동 박판은 큰 결정립크기를 가지며 단결정의 변형거동과 유사하여 낮은 변형률경화를 보인다. 0.1t의 무산소동 박판의 마이크로 시편은 시편 게이지부의 표면결정립 대 내부결정립의 비율이 높아 상대적인 강도가 낮은 것으로 판단된다. 얻어진 무산소동 박판의 고속재료물성치는 Johnson-Cook 모델을 이용하여 근사하였다. 두 무산소동의 변형률속도에 따른 유동응력의 근사 결과 Johnson-Cook 모델의 근사정확도는 변형률이 증가함에 따라 감소하였다. 이는 변형률속도에 대한 변형률경화를 표현하지 못하기 때문이다. 따라서 변형률속도에 대한 변형률경화 효과를 포함한 새로운 동적 구성방정식을 제안하였다. 새롭게 제안된 동적 구성방정식은 변형률속도 경화항이 항복응력의 변형률속도민감도와 변형률경화의 변형률속도민감도를 함께 표현하도록 수식화되었다. 제안된 동적 구성방정식은 고속마이크로재료시험을 통해 얻어진 무산소동 박판의 변형률속도에 따른 유동응력을 비교적 정확히 근사하였다. 이상의 연구를 통하여 수십~수백 마이크론의 두께를 가지는 박막의 고속마이크로재료시험 기법을 확립하였으며 무산소동 박막의 고속마이크로재료시험을 수행하였다. 또한 얻어진 무산소동 박막의 변형률속도에 따른 인장물성치를 정량적으로 평가하였으며 두꺼운 무산소동 박판의 고속재료물성치와 비교하고 평가하였다. 변형률속도에 따른 변형률경화를 표현할 수 있는 새로운 동적 구성방정식 제안하여 실험결과를 정확히 근사할 수 있었다. 본 연구를 통해 정립된 고속마이크로재료시험기법을 이용하여 마이크로 구조물용 박막 재료의 변형률속도에 따른 재료물성치를 획득할 수 있으며 얻어진 물성치는 고속마이크로성형 공정, MEMS 구조물의 충격해석 등의 설계 및 신뢰성 평가에 활용할 수 있다.
