This study is concerned with a multiscale computation of decohesion or debonding in transfer printing between silica and cross-linked poly-dimethlysiloxane (PDMS). A cohesive zone model is established for the interface between the silica and the PDMS, which is characterized by non-bonded atomic interaction of Morse type. Fracture toughness of the interface between the PDMS and the silica is considered to be conserved over time so that the interfacial cohesive zone model is considered to be rate-independent. For analysis of adhesion at macroscale, coarse-graining is conducted for the interfacial cohesive zone model derived from the atomic interaction. The coarse-graining of the cohesive zone at the interface of an amorphous material is established. The coarse-grained cohesive zone model is obtained with the aid of homogenization and relaxation method. The amorphous material in atomic scale is homogenized and the effect of its domain volume upon homogenization is investigated through molecular dynamics (MD). The homogenized amorphous material is then utilized for coarse-graining at the interface. The coarse-graining leads to an increase of opening displacement and a decrease of decohesion traction while fracture toughness of the interface is conserved. A numerical simulation is implemented for adhesion between the PDMS and the silica through finite elements method (FEM). With the aid of the coarse-grained interfacial cohesive zone model, pull-out force is observed to be dependent on transfer velocity. Viscoelasticity of the bulk PDMS used for the transfer printing is found to have a substantial effect on the rate-dependent pull-out force.
실리카와 교차 연결된 폴리-다이메틸실록세인(PDMS)을 이용한 트랜스퍼 프린팅 공정에서 발생하는 점착 및 분리 현상을 다중 스케일 계산으로 연구하였다. 실리카와 PDMS 계면 사이의 비결합 작용을 표현하기 위해 응집 요소 모델(cohesive zone model)을 도입하였다. PDMS와 실리카 계면의 파괴 인성은 시간에 대해 보존이 된다고 고려하고 시간에 의존하지 않는 계면 응집 영역 모델이 고려되었다. 계면 응집 영역 모델은 원자간 상호작용력으로부터 구하였다. 거시 스케일에서 점착을 표현하기 위해 실리카와 PDMS 사이의 계면 응집 요소 모델을 coarse-graining하고자 한다. 이를 위해 무정형 물질(amorphous material)의 계면의 응집 요소 모델을 coarse-graining하는 방법을 제안하였다. Coarse-graining이 된 계면 응집 요소 모델은 균질화와 이완(relaxation) 방법을 통해 구하였다. 균질화 기법의 검증을 위해 원자 수준의 무정형 물질의 크기에 따른 영향을 분자 동역학을 수행하였다. 균질화된 무정형 물질은 계면 응집 영역 모델의 coarse-graining을 위해 사용되었다. Coarse-graining을 통한 거시 계면 응집 요소 모델은 최대 분리 거리가 증가함과 동시에 최대 트랙션이 감소하게 되고 계면에서의 파괴 인성은 coarse-graining과 무관하게 일정하게 유지가 된다. 유한 요소 해석을 통해 트랜스퍼 프린팅 공정에서 PDMS와 실리카의 점착을 연구하였다. Coarse-graining된 계면 응집 요소 모델을 통해 점착력(pull-out force)이 전사 속도에 의존하는 것을 관측하였다. 트랜스퍼 프린팅 공정에서 PDMS의 점탄성이 속도 의존적 점착력에 큰 영향을 주는 것을 관측하였다.
