재료의 크기 효과 연구
마이크로/나노 소자는 잉크젯 3-D 프린팅, 약물 전달, 에너지 하베스팅, 압력 감지, 의료 기기 등에서 널리 응용되고 있습니다. 마이크로/나노 소자의 설계 및 제작을 위해서는 크기에 따른 재료의 기계적 거동을 이해하는 것이 중요합니다. 고전 연속체 역학은 구조물의 기계적 거동을 예측하고 이를 해석 및 설계하는 데에 사용되고 있습니다. 그러나 구조물의 크기가 마이크로/나노 규모로 감소함에 따라 강성이 고전 연속체 역학으로 예측한 강성에 비해 훨씬 커지는 ‘크기 효과’가 발생함으로 인해 이때의 기계적 거동은 고전 연속체 역학 이론으로 정확하게 예측할 수 없습니다.
본 연구팀에서는 미소 외팔보 (micro-cantilever) 굽힘 실험을 수행하고, 크기 효과를 모사하기 위한 시뮬레이션 기법을 개발하였습니다. 기존 고체 역학에 따르면 외팔보 굽힘 실험을 통해 측정된 탄성 계수는 보 두께에 따라 변하지 않는 상수입니다. 하지만 미소 외팔보 굽힘 실험을 통해 측정된 유효 탄성 계수 (effective modulus)는 보의 두께가 감소함에 따라 크게 증가함을 확인하였습니다. 이러한 유효 탄성 계수가 증가하는 경향은 개발된 시뮬레이션 기법 (3-D FEA model)으로 모사가 가능합니다. 이러한 연구를 확장하여 미소 규모 구조물의 해석 기법을 개발하고 검증하는 연구를 수행중입니다.