• 한국표면공학회:학술대회논문집
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• 한국표면공학회 2018년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.23-23
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• 2018

In this study, new titanium alloys were prepared by adding elements such as tantalum (Ta), zirconium (Zr) and the like to complement the biological, chemical and mechanical properties of titanium alloys. The Ti-40Ta-xZr ternary alloy was formed on the basis of Ti-40Ta alloy with the contents of Zr in the contents of 0, 3, 7 and 15 wt. %. Plasma electrolytic oxidation (PEO), which combines high-voltage sparks and electrochemical oxidation, is a novel method to form ceramic coatings on light metals such as Ti and its alloys. These oxide film produced by the electrochemical surface treatment is a thick and uniform porous form. It is also composed of hydroxyapatite and calcium phosphate-based phases, so it has the characteristics of bone inorganic, non-toxic and very high bioactivity and biocompatibility. Ti-40Ta-xZr alloys were homogenized in an Ar atmosphere at $1050^{\circ}C$ for 1 hour and then quenched in ice water. The electrochemical oxide film was applied by using a power supply of 280 V for 3 minutes in 0.15 M calcium acetate monohydrate ($Ca(CH_3COO)_2{\cdot}H_2O$) and 0.02 M calcium glycerophosphate ($C_3H_7CaO_6P$) electrolyte. A small amount of 0.0075M zinc acetate and magnesium acetate were added to the electrolyte to enhance the bioactivity. The mechanical properties of the coated surface of Ti-40Ta-xZr alloys were evaluated by Vickers hardness, roughness test, and elastic modulus using nano-indentation, and the surface wettability was evaluated by measuring the contact angle of the coated surface. In addition, cell activation and differentiation were examined by cell culture of HEK 293 (Human embryonic kidney 293) cell proliferation. Surface properties of the alloys were analyzed by scanning electron microscopy(FE-SEM), EDS, and X-ray diffraction analysis (XRD).

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2007년도 하계학술대회 논문집 Vol.8
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• pp.550-550
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• 2007

잉크젯 기술은 단순한 사무용 문서 인쇄를 넘어 금속, 세라믹, 고분자 잉크 등으로 그 응용을 확대하고 있다. 이러한 확대의 원인은 잉크젯 인쇄가 마스크를 이용한 포토리소그라피 공정 없이 설계도를 바로 구현한다는 장점을 가지고 있기 때문으로 최근 많은 연구가 집중되고 있다. 본 논문에서는 은 나노 잉크를 잉크젯 인쇄로 구현한 금속 배선의 전기적 기계적 특성을 평가하였다. 은 나노 입자는 수열합성법으로 합성 하였으며 극성 용제를 사용하여 잉크를 제작하였다. 나노 크기의 분말이 분산된 Ag 잉크를 잉크젯 인쇄 기법을 활용하여 인쇄하여 200 도의 저온 소결을 통해 배선을 형성하였다. 형성된 배선의 비저항은 $7.3\;{\mu}{\Omega}{\cdot}cm$었으며 경도와 탄성계수는 각각 1.4 GPa, 71 GPa로 벌크 Ag와 비교할 경우 경도는 높고 탄성 계수는 낮았다. 즉 전기적 측면에서는 충분히 사용가능하지만 충격에 약한 기계적 특성을 갖고 있음을 알 수 있었다.

• 한국정밀공학회:학술대회논문집
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• 한국정밀공학회 2005년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.1507-1510
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• 2005

This study was carried out as a part of the research on the development of a maskless and electroless process for fabricating metal micro/nanostructures by using a nanoindenter and an electroless deposition technique. $2-\mu{m}-deep$ indentation tests on Ni and Cu samples were performed. The elastic recovery of the Ni and Cu was 9.30% and 9.53% of the maximum penetration depth, respectively. The hardness and the elastic modulus were 1.56 GPa and 120 GPa for Ni and 1.49 GPa and 100 GPa for Cu. The effect of single-point diamond machining conditions such as the Berkovich tip orientation (0, 45, and $90^{\circ}$) and the normal load (0.1, 0.3, 0.5, 1, 3, and 5 mN), on both the deformation behavior and the morphology of cutting traces (such as width and depth) was investigated by constant-load scratch tests. The tip orientation had a significant influence on the coefficient of friction, which varied from 0.52-0.66 for Ni and from 0.46-0.61 for Cu. The crisscross-pattern sample showed that the tip orientation strongly affects the surface quality of the machined area during scratching. A selective deposition of Cu at the pit-like defect on a p-type Si(111) surface was also investigated. Preferential deposition of the Cu occurred at the surface defect sites of silicon wafers, indicating that those defect sites act as active sites for the deposition reaction. The shape of the Cu-deposited area was almost the same as that of the residual stress field.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제27권3호
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• pp.83-88
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• 2020

최근 스마트폰 산업의 발전으로 인하여 실사용 환경에서 유연소자의 기계적 거동에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 유연소자 박막은 두께가 나노 단위이고, 기존의 시험법으로 측정하기 어려워 주로 나노압입시험을 이용하여 경도, 탄성계수 등의 특성을 구하고 있다. 그러나 현재 널리 쓰이고 있는 분석법(Oliver-Pharr Method)은 기판의 영향이 이론적으로 고려되지 않아 단순히 적용하기에는 무리가 있다. 따라서 본 연구에서는 기판 영향을 고려한 타 연구자들의 모델에 대한 적용성을 확인하고, 압입자와 시편 표면에서 발생하는 소성쌓임 현상(pile-up)에 대해 압입깊이의 보정을 실시하였다. 유연소자 박막의 탄성계수를 평가하고 검증하기 위하여 폴리이미드 및 실리콘 웨이퍼 기판 위에 금속, 비정질 박막을 증착하여 실제 실험을 수행하여 비교하였다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제36권2호
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• pp.117-123
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• 2012

본 연구에서는 벌지 실험과 나노 압입 실험을 통해 박막의 기계적 물성을 측정하였다. 벌지 실험은 외적 지지구조를 가지지 않는 박막 시편의 한 면에 일정한 압력을 가하여 박막의 변위를 측정, 압력과 변위의 관계를 이용하여 박막의 기계적 물성을 측정하는 실험이다. 나노 압입 실험은 시편에 압입 방향으로의 하중과 시편의 표면으로부터 압입자의 깊이에 대한 데이터를 통하여 시편의 기계적 물성을 측정하는 실험으로 modified King's model 을 이용하여 모재의 영향이 고려된 박막의 물성을 구할 수 있다. 두 실험은 탄성 계수와 푸아송비의 수학적 관계가 다르기 때문에 벌지 실험과 나노 압입 실험결과로부터 박막의 탄성계수와 푸아송비를 동시에 측정할 수 있다.

• 한국정밀공학회지
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• 제23권8호
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• pp.171-177
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• 2006

This study was performed as a part of the research on the development of a maskless and electroless process for fabricating metal micro/nanostructures by using a nanoindenter and an electroless deposition technique. $2-{\mu}m$-deep indentation tests on Ni and Cu samples were performed. The elastic recovery of the Ni and Cu was 9.30% and 9.53% of the maximum penetration depth, respectively. The hardness and the elastic modulus were 1.56 GPa and 120 GPa for Ni and 1.51 GPa and 104 GPa for Cu. The effect of single-point diamond machining conditions such as the Berkovich tip orientation (0, 45, and $90^{\circ}$ ) and the normal load (0.1, 0.3, 0.5, 1, 3, and 5 mN), on both the deformation behavior and the morphology of cutting traces (such as width and depth) was investigated by constant-load scratch tests. The tip orientation had a significant influence on the coefficient of friction, which varied from 0.52-0.66 for Ni and from 0.46- 0.61 for Cu. The crisscross-pattern sample showed that the tip orientation strongly affects the surface quality of the machined are a during scratching. A selective deposition of Cu at the pit-like defect on a p-type Si(111) surface was also investigated. Preferential deposition of the Cu occurred at the surface defect sites of silicon wafers, indicating that those defect sites act as active sites for the deposition reaction. The shape of the Cu-deposited area was almost the same as that of the residual stress field.

• Tribology and Lubricants
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• 제39권5호
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• pp.167-172
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• 2023

Titanium alloys are widely recognized among engineering materials owing to their impressive mechanical properties, including high strength-to-weight ratios, fracture toughness, resistance to fatigue, and corrosion resistance. Consequently, applications involving titanium alloys are more susceptible to damage from unforeseen events, such as scratches. Nevertheless, the impact of microscopic damage remains an area that requires further investigation. This study delves into the microscopic wear behavior of α-titanium crystal structures when subjected to linear scratch-induced damage conditions, utilizing molecular dynamics simulations as the primary methodology. The configuration of crystal lattice structures plays a crucial role in influencing material properties such as slip, which pertains to the movement of dislocations within the crystal structure. The molecular dynamics technique surpasses the constraints of observing microscopic phenomena over brief intervals, such as sub-nano- or pico-second intervals. First, we demonstrate the localized transformation of lattice structures at the end of initialization, indentation, and wear processes. In addition, we obtain the exerted force on a rigid sphere during scratching under linear movement. Furthermore, we investigate the effect of the relaxation period between indentation and scratch deformation. Finally, we conduct a comparison study of nanoindentation between crystal and amorphous Ti substrates. Thus, this study reveals the underlying physics of the microscopic transformation of the α-titanium crystal structure under wear-like accidental events.

• 한국세라믹학회지
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• 제52권6호
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• pp.410-416
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• 2015

Recently, a new $Y_2O_3$ coating deposited using the EB-PVD method has been developed for erosion resistant applications in fluorocarbon plasma environments. In this study, surface crack formation in the $Y_2O_3$ coating has been analyzed in terms of residual stress and elastic modulus. The coating, deposited on silicon substrate at temperatures higher than $600^{\circ}C$, showed itself to be sound, without surface cracks. When the residual stress of the coating was measured using the Stoney formula, it was found to be considerably lower than the value calculated using the elastic modulus and thermal expansion coefficient of bulk $Y_2O_3$. In addition, amorphous $SiO_2$ and crystalline $Al_2O_3$ coatings were similarly prepared and their residual stresses were compared to the calculated values. From nano-indentation measurement, the elastic modulus of the $Y_2O_3$ coating in the direction parallel to the coating surface was found to be lower than that in the normal direction. The lower modulus in the parallel direction was confirmed independently using the load-deflection curves of a micro-cantilever made of $Y_2O_3$ coating and from the average residual stress-temperature curve of the coated sample. The elastic modulus in these experiments was around 33 ~ 35 GPa, which is much lower than that of a sintered bulk sample. Thus, this low elastic modulus, which may come from the columnar feather-like structure of the coating, contributed to decreasing the average residual tensile stress. Finally, in terms of toughness and thermal cycling stability, the implications of the lowered elastic modulus are discussed.

• 한국표면공학회:학술대회논문집
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• 한국표면공학회 2017년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.162-162
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• 2017

AlCrN 코팅은 높은 경도, 낮은 표면 조도 등의 상온에서의 우수한 기계적 특성 이외에 고온에서 안정한 합금상의 형성으로 인하여 우수한 내열성을 보이는 코팅이며, Si을 첨가하여 나노복합구조를 갖는 AlCrSiN 코팅은 고경도 특성을 나타내는 나노결정립과 고내열성을 나타내는 $Si_3N_4$ 비정질이 동시에 존재함으로써 뛰어난 고온 특성까지 보유하여 공구 코팅으로의 적용 가능성이 크다. 본 연구에서는, 가혹화된 공구사용 환경 대응 하는 더욱 우수한 내마모성 및 내열성을 보이는 코팅막을 개발하기 위해 AlCrN/AlCrSiN 이중층 코팅을 합성하였다. 합성된 코팅의 구조 및 물성을 분석하기 위해 field emission scanning electron microscopy(FE-SEM), nano-indentation, atomic force microscopy(AFM) 및 ball-on-disk wear tester를 사용하였다. 내열성을 확인하기 위하여 코팅을 furnace에 넣어 500, 600, 700, 800, 900도에서 30분 동안 annealing한 후에 nano-indentation을 사용하여 경도를 측정을 하였다. 5:5, 7:3, 9:1의 두께 비율로 AlCrN/AlCrSiN 이중층 코팅을 합성하였으며 모든 코팅의 두께는 $3{\mu}m$로 제어되었다. AlCrN 코팅층의 두께가 증가할수록, 이중층 코팅의 경도 및 내마모성은 점차 향상되었지만 코팅의 밀착력은 감소하였다. 일반적으로 AlCrN 코팅은 상대적으로 높은 잔류응력을 갖고 있으므로, AlCrN 층의 두께비율이 증가함에 따라 코팅내의 잔류응력이 높아져 코팅의 경도는 증가하고 밀착특성은 낮아진 것으로 판단된다. AlCrSiN 상부층 공정시 기판 바이어스 전압을 -50 ~ -200V 로 증가시키면서 이중층 코팅을 합성하였다. XRD 분석 결과, 공정 바이어스 전압이 증가함에 따라 AlCrSiN 상부층은 점차 비정질화 되었고, 코팅의 경도와 표면 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 이러한 특성 향상은 높은 바이어스 인가가 이온 충돌효과의 증가를 야기시켰으, 이로 인해 치밀한 코팅층 합성에 의한 결과로 판단된다. AlCrN/AlCrSiN 이중층 코팅을 어닐링 한 후 경도 분석 결과, -150, -200V에서 합성한 코팅은 900도 이상에서 26GPa 이상의 높은 경도를 보인 것으로 보아 우수한 내열성을 갖는 것으로 확인 되었다. 이는 AlCrSiN 상부층의 높은 Si 함량 (11at.%) 으로 인한 충분한 $Si_3N_4$ 비정질상의 형성과, 고바이어스 인가로 인한 AlCrN 결정상과 $Si_3N_4$ 비정질상의 고른 분배가 코팅의 내열성을 향상시키는데 기여를 한 결과로 판단된다.

• 한국표면공학회:학술대회논문집
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• 한국표면공학회 2017년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.143-143
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• 2017

CrAlN 코팅은 높은 경도, 낮은 표면 조도 등의 상온에서의 우수한 기계적 특성 이외에 고온에서 안정한 합금상의 형성으로 인하여 우수한 내산화성 및 내열성을 보유하여 공구 코팅으로의 적용 가능성이 크다. 그러나 최근 공구사용 환경의 가혹화로 인하여 코팅의 내마모성 및 내열성 등의 물성 향상을 통한 공구의 수명 향상이 필요시 되고 있으며, 다양한 코팅 물질을 활용하여 다층 코팅을 합성함으로써 난삭재용 공구 코팅의 물성을 높이는 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 CrAlN 코팅과 WC-Co 6wt.% 모재 사이에 CrZrN, CrN, CrN/CrZrSiN 등의 중간층을 합성하여 CrAlN 코팅의 상온 및 고온 특성을 향상시키는 연구가 진행되었다. 합성된 코팅의 구조 및 물성을 분석하기 위해 field emission scanning electron microscopy(FE-SEM), nano-indentation, atomic force microscopy(AFM) 및 ball-on-disk wear tester를 사용하였다. 코팅의 고온 특성을 확인하기 위해 코팅을 furnace에 넣어 공기중에서 30분 동안 annealing 한 후에 nano-indentation을 사용하여 경도를 측정하였고, $500^{\circ}C$ annealing 코팅의 표면 조도 분석 및 $500^{\circ}C$에서 마찰마모시험을 실시하였다. CrAlN 코팅의 상온 특성을 분석한 결과, 모든 코팅의 경도(35.5-36.2 GPa)와 탄성계수(424.3-429.2 GPa)는 중간층의 종류에 상관없이 비슷한 값을 보인 것으로 확인됐다. 그러나, CrN/CrZrSiN 중간층을 증착한 CrAlN 코팅의 마찰계수는 0.33로 CrZrN 중간층을 증착한 CrAlN 코팅의 마찰계수(0.41)에 비해 향상된 값 보였으며, 코팅의 마모율 및 마모폭도 비슷한 경향을 보인 것으로 보아 코팅의 내마모성이 향상된 것으로 판단된다. 이것은 중간층의 H/E ratio가 코팅의 내마모성에 미치는 영향에 의한 결과로 사료된다. H/E ratio는 파단시의 최대 탄성 변형율로써, 모재/중간층/코팅의 H/E ratio 구배에 따라 코팅 내의 응력의 완화 정도가 변하게 된다. WC 모재 (H/E=0.040)와 CrAlN 코팅(H/E=0.089) 사이에서 CrN, CrZrSiN 중간층의 H/E ratio는 각각 0.076, 0.083 으로 모재/중간층/코팅의 H/E ratio 구배가 점차 증가함을 확인 할 수 있었고, 일정 응력이 지속적으로 가해지면서 진행되는 마모시험중에 CrN과 CrZrSiN 중간층이 WC와 CrAlN 코팅 사이에서 코팅 내부의 응력구배를 완화시키는 역할을 함으로써 CrAlN 코팅의 내마모성이 향상된 것으로 판단된다. 내열성 시험 결과, CrN/CrZrSiN 중간층을 증착한 코팅은 $1,000^{\circ}C$까지 약 28GPa의 높은 경도를 유지한 것으로 확인 되었다. $500^{\circ}C$ annealing 후 진행된 표면 조도와 마모시험 결과, 모든 코팅의 조도 값 및 마찰계수는 상온 값에 비해 증가하였으며 CrN/CrZrSiN 중간층을 증착한 CrAlN 코팅의 변화량이 가장 낮은 값을 보였다. 이는 CrZrSiN 중간층 내에 존재하는 $SiN_x$ 비정질상이 고온 annealing시에 산소 차폐막 역할을 하여, 코팅내의 잔류 산소에 의한 산화작용을 효과적으로 방지함으로써 코팅의 고온 특성이 향상된 것으로 판단된다.