Cu/Gr multilayer composite with potential application as an interconnect material is a very promising material system. Nanoscale metal/graphene nanolayered composite is known to have ultra-high strength as the graphene effectively blocks dislocations from penetrating through the metal/graphene interface. The same graphene interface, which has a strong sp2 bonding, can simultaneously serve as an effective interface for deflecting the fatigue cracks that are generated under cyclic bending cycles. In this dissertation, Cu/Gr composite with repeat layer spacing of 100 nm was tested for bending fatigue at 1.6\% and 3.1\% strain up to 1,000,000 cycles that showed for the first time a 5$\sim$6 times enhancement in fatigue resistance compared to the conventional Cu thin film. Fatigue cracks that are generated within the Cu layer were stopped by the graphene interface, which are evidenced by cross-sectional SEM and TEM images. Molecular dynamics simulations for uniaxial tension of Cu/Gr showed limited accumulation of dislocations at the film/substrate interface, which makes the fatigue crack formation and propagation through thickness of the film difficult in this materials system. In addition, much more efficient large scale fabrication of Cu/Gr composite using roll-based transfer of graphene and electrodeposition of copper is introduced. The nano-pillar compression tests are performed and compared with previous studies to confirm that such composite fabricated display similar strengthening effect.
본 연구에서는 플렉서블 전자기기에 적용될 수 있는 새로운 구조체로써 구리-그래핀 멀티레이어를 제안한다. 금속 그래핀 구조체는 그래핀이 전위 전파를 효과적으로 막아 줌으로써 매우 높은 강도를 가진다고 알려져 있다. 강한 강도의 그래핀 계면은 반복 피로 굽힘 실험으로 생기는 전위들이 그 계면을 통과하는 것을 방지한다. 본 논문에서는, 층간 간격 100 nm의 구리-그래핀 멀티레이어 구조 층을 제작하고, 백만 사이클의 반복 피로 굽힘 실험을 통해, 기존의 단일 구리 층에 비해 5$\sim$6배의 피로로 인한 파괴 억제 효과를 확인하였다. 반복적 굽힘으로 인해 시작된 크랙들이 그래핀 계면에서 막혀 멈춰져 있는 것을 확인하였고, MD시뮬레이션을 통해 반복적인 인장 응력으로 인해 시작되는 전위 또한 그래핀 계면에서 막힘으로, 멀티레이어 구조체의 견고성을 높이는 그래핀의 역할을 확인하였다. 최종적으로, 그러한 구리-그래핀 멀티레이어 구조체를 제작하는데 있어서 실제 산업에 적용될 수 있게 더욱 빠르고, 대량 생산에 적용 가능한 대면적 그래핀의 롤러 기반 드라이 전사법과 구리층의 도금 공정을 소개하고, 이를 통해 제작된 멀티레이어 또한 그전의 방법들로 제작된 구조체와 비슷한 강도 강화 효과를 보인다는 것을 실험적으로 보였다.
