나노구조 재료의 변형 메커니즘

전문가 제언

○ Hall-Petch 식은 금속재료의 결정립 사이즈(d)가 작아질수록 항복강도가 커진다는, 소위 “Smaller is stronger."의 관계를 보여준다. 그러나 d <~30㎚로 되면 통상적으로 이 현상이 역전되어 ”Smaller is weaker."의 역 Hall-Petch 관계로 바뀐다. 그 이유는 변형 메커니즘이 전위 운동으로부터 결정립계 운동으로 전환되기 때문이라 한다. 그러나 Hall-Petch 관계가 성립하여야 할 d>30㎚, 심지어 ㎛ 사이즈의 d에서도 ”Smaller is weaker."가 관찰되는 경우가 있기 때문에 그 메커니즘에 대한 해석이 분분하였다.

○ 나노소재에 대한 연구가 진전됨에 따라 결정립 사이즈는 물론 시편 사이즈도 기계적 강도에 영향을 미치는 것이 밝혀져 시편의 외경 D와 d의 비율(D/d)이 나노소재의 강도를 결정하는 중요한 인자로 주목받게 되었다. D/d가 1에 가까워질수록 변형 메커니즘에 대한 시편 자유표면의 기여도가 커진다. 최근 각광받고 있는 NEMS, MEMS 등의 나노/마이크로 스케일 소자에서는 D가 d에 가까워질 가능성이 크기 때문에 효율적 설계를 위해 그런 경우의 변형 메커니즘을 이해할 필요가 있다.

○ 구미에서도 나노소재의 강도를 d로 인한 내인성 사이즈 효과(intrinsic size effect)와 D로 인한 외인성 사이즈 효과(extrinsic size effect)의 복합 효과로서 인식하게 된 것은 최근의 일이다. 특히 한 재료가 ㎚ - ㎛ - mm 스케일을 순차적으로 모두 포함하는 계층구조의 메타재료(meta-material)의 경우 내인성과 외인성 사이즈 효과가 혼재되어 있으므로 문제가 더욱 복잡해진다. 이런 문제들을 해결하기 위해 실제 실험과 분자동역학(MD) 시뮬레이션 실험의 조합이 시도되고 있다.

○ 국내에서도 유사한 연구가 이루어지고 있다. 한국기계연구원에서는 나노기둥 압축시험법을 제안하여 국제전기기술위원회(IEC)에서 국제표준으로 채택된 바 있고, 한양대에서는 원자력현미경을 이용여 나노와이어의 사이즈 효과를 관찰하였다. 그러나 D/d의 값의 변화에 따른 소성변형 메커니즘 변화에 대한 연구나 실험과 분자동력학 시뮬레이션의 조합이 시도된 바는 없다.

저자

JULIA R. GREER, DONGCHAN JANG, and X. WENDY GU

자료유형

학술정보

원문언어

영어

기업산업분류

재료

연도

2012

권(호)

64(10)

잡지명

JOM Journal of the Minerals, Metals and Materials Society

과학기술
표준분류

재료

페이지

1241~1252

분석자

심*주

분석물

• 나노구조 재료의 변형 메커니즘.pdf [358,873 byte]

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