Welcome to MDM Lab
The qualities required for electronics have expanded in variety with the advancement of wearable technology and personal customization. The reliability of electronics is the technology that ensures their performance is sustained in the desired environment for the required duration. With the increasing diversity in the expected performance and usage environments of personal electronics, the importance of reliability has increased significantly. We focus on the demonstration of devices that can evaluate the reliability of flexible/stretchable components in real and complex usage scenarios. We are also working on methods and materials to enhance the reliability of electronics, including research on waterproofing barriers.
The reliability in buildings is also crucial as it is linked to safety. Recent incidents of structural collapse in have heightened concerns regarding overall structural safety. Significant financial and human losses are caused by these safety accidents, and secondary and tertiary chain reactions are highly likely to occur when essential infrastructure such as nuclear power stations, communication towers, and chemical factories fail. We employ the Instrumented Indentation Technique (IIT) for localized assessment of structural material properties, facilitating the prediction of lifespan and the evaluation of stability in buildings. Furthermore, we focus on real-time prediction of sustained micro-deformations leading to material cracks and failure using highly sensitive strain sensors, contributing to preventions including maintenance and replacement can be implemented before any damage occurs.
Below is an introduction to some of the latest research findings from our laboratory.
Evaluation of Nanomechanics Characteristics in Thin Film Electronics
To ensure the integrity and reliability of components, mechanical property evaluation technologies, such as tensile strength, fracture toughness, and fatigue characteristics, have been developed and applied in various industries. However, for thin film electronic components with nanometer-level thickness, the application of these technologies is limited. In the assessment of the mechanical properties of thin film electronic components, precise machining of specimens on a nano scale is performed to conduct conventional mechanical tests. Additionally, research is actively conducted using nanoindentation to predict carbon deformation and fracture behavior under varying loads.
In particular, nanoindentation allows for easy adjustment of the indentation depth according to the test material and testing area conditions. The shape change of the indenter enables the application of various stress-strain conditions. Through the analysis of continuous indentation load-displacement curves obtained, mechanical properties such as tensile strength, residual stress, and fracture characteristics can be predicted. This is especially valuable for thin film electronic components with nanometer-scale thickness.
Evaluation of Interface Characteristics in Thin Film Electronics
Evaluation methods for the adhesive properties of thin film interfaces are crucial for maintaining the performance of packaged components, considering both the individual mechanical properties of materials and interfacial characteristics between materials. In environments with heat generation due to differences in thermal expansion coefficients between materials, heat fatigue becomes essential. Additionally, in body or industrial environments, mechanical fatigue occurs due to vibration and periodic stress loading. In the case of multilayer thin film components, interfacial delamination can occur, leading to a degradation in component performance.
To assess the adhesion strength at the interface of electronic components and coating layers, a scratch test is employed. This involves increasing the load on an indenter while moving it parallel to the surface, analyzing the load at the point of delamination and performing surface analysis. Furthermore, recent developments include the use of nano-indentation to confirm the correlation between changes in composite hardness and adhesive strength. This allows the development of a model to evaluate the interfacial adhesion of multilayer thin film components on a smaller scale, contributing to the reliability assessment of components.
Ultra-sensitive crack sensor-based real-time safety monitoring system
Internal cracks in structural elements, such as buildings, lead to continuous local deformations on the surface. However, surface deformations are extremely small, posing a challenge for conventional strain sensors to measure accurately. Crack-based strain sensors, fabricated by depositing metal on a polymer substrate and inducing artificial cracks in the metal film through repeated fatigue, can effectively detect even very small strains with a significant electrical signal. We focused on maximizing sensitivity, optimizing the manufacturing process, and ensuring the reliability of crack-based strain sensors, to enhance safety monitoring and prevent accidents in critical infrastructure facilities like factories and power plants. Furthermore, we are establishing correlations between crack propagation status and the risk of structural damage. We use deep learning to determine the initiation point of cracks and surface deformation rates for early warning purposes.
References
웨어러블 기술과 개인 맞춤형 제품의 발전으로 전자 제품에 요구되는 특성은 다양해졌습니다. 전자 제품의 신뢰성은 원하는 환경에서 요구되는 기간 동안 성능이 유지되도록 보장하는 기술입니다. 개인용 전자 제품의 기대 성능과 사용 환경이 점점 더 다양해짐에 따라 신뢰성의 중요성이 크게 증가하고 있습니다. 우리는 실제 복합 사용 시나리오에서 유연하거나 신축 가능한 부품의 신뢰성을 평가할 수 있는 장치를 구현하는 데 중점을 두고 있습니다. 또한 방수 차단막에 대한 연구를 포함하여 전자 제품의 신뢰성을 향상시키기 위한 방법 및 소재 개발에도 힘쓰고 있습니다.
건물의 신뢰성 또한 안전성과 직접적으로 연결되기 때문에 매우 중요합니다. 최근 구조물 붕괴 사고가 발생하면서 구조물 전반에 대한 안전에 대한 우려가 커지고 있습니다. 이러한 안전사고로 인해 상당한 재정적, 인적 손실이 발생하며, 특히 원자력 발전소, 통신탑, 화학 공장과 같은 필수 인프라가 고장 날 경우 2차 및 3차 연쇄 반응이 발생할 가능성이 높습니다. 우리는 구조물의 수명을 예측하고 건물의 안정성을 평가하기 위해 국부적인 구조 재료 특성을 평가하는 데 계기화된 압입 기술(Instrumented Indentation Technique, IIT) 을 활용합니다. 또한, 매우 민감한 변형 센서를 사용하여 재료 균열과 파손으로 이어질 지속적인 미세 변형을 실시간으로 예측함으로써 유지보수 및 교체가 손상 발생 이전에 이루어지도록 기여하고 있습니다.
아래는 우리 연구실에서 진행된 최신 연구 결과에 대한 소개입니다.
박막 전자소자에서 나노역학 특성 평가
부품의 무결성과 신뢰성을 보장하기 위해 인장 강도, 파괴 인성, 피로 특성과 같은 기계적 특성 평가 기술이 개발되어 다양한 산업에 적용되고 있습니다. 그러나 나노미터 수준의 두께를 가진 박막 전자소자에는 이러한 기술의 적용이 제한적입니다. 박막 전자소자의 기계적 특성을 평가하기 위해 나노 수준의 시편 가공을 통해 기존의 기계적 시험을 수행합니다. 또한, 나노 압입 시험을 활용하여 다양한 하중에서 탄소 변형 및 파괴 거동을 예측하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
특히 나노 압입 시험은 시험 재료 및 테스트 영역 조건에 따라 압입 깊이를 쉽게 조절할 수 있습니다. 압입자의 모양 변화는 다양한 응력-변형 조건을 적용할 수 있게 합니다. 연속적인 압입 하중-변위 곡선을 분석함으로써 인장 강도, 잔류 응력, 파괴 특성과 같은 기계적 특성을 예측할 수 있으며 이는 나노미터 수준의 두께를 가진 박막 전자소자에 특히 유용합니다.
박막 전자소자에서의 인터페이스 특성 평가
박막 인터페이스의 접착 특성을 평가하는 방법은 포장된 부품의 성능을 유지하는 데 매우 중요하며, 이는 개별 재료의 기계적 특성과 재료 간의 인터페이스 특성을 모두 고려해야 합니다. 특히, 재료 간 열팽창 계수 차이로 인해 열이 발생하는 환경에서는 열 피로가 중요한 요인으로 작용합니다. 또한, 인체 또는 산업 환경에서는 진동과 주기적인 응력 부하로 인해 기계적 피로가 발생합니다. 다층 박막 구성 요소의 경우, 인터페이스 박리가 발생할 수 있으며, 이는 구성 요소의 성능 저하로 이어질 수 있습니다.
전자소자와 코팅층의 인터페이스 접착 강도를 평가하기 위해 스크래치 테스트가 사용됩니다. 이는 압입자에 가해지는 하중을 점진적으로 증가시키면서 표면을 따라 움직이는 방식으로, 박리 지점에서의 하중을 분석하고 표면을 분석하는 과정을 포함합니다. 더 나아가, 최근에는 복합 경도의 변화와 접착 강도 간의 상관관계를 확인하기 위해 나노 압입 시험이 도입되었습니다. 이를 통해 다층 박막 구성 요소의 인터페이스 접착을 소규모에서 평가할 수 있는 모델을 개발하여 부품의 신뢰성 평가에 기여할 수 있습니다.
초민감 균열 센서 기반 실시간 안전 모니터링 시스템
구조물(예: 건물) 내부에 발생하는 균열은 표면에서 지속적인 국부 변형을 초래합니다. 그러나 이러한 표면 변형은 매우 작아 일반적인 스트레인 센서로는 정확한 측정이 어렵습니다. 금속을 폴리머 기판 위에 증착하고 반복적인 피로를 통해 금속 박막에 인위적인 균열을 만들어 제작된 균열 기반 스트레인 센서는 매우 작은 변형에도 큰 전기 신호를 생성하여 이를 효과적으로 감지할 수 있습니다. 우리는 균열 기반 스트레인 센서의 민감도를 극대화하고 제조 공정을 최적화하며 충분한 신뢰성을 확보함으로써 공장 및 발전소와 같은 주요 인프라 시설의 안전 모니터링을 강화하고 사고를 방지하기 위해 노력하고 있습니다. 더 나아가, 우리는 균열 확산 상태와 구조적 손상 위험 사이의 상관관계를 구축하고 있습니다. 우리는 딥러닝 기술을 활용하여 초기 균열 발생 지점과 표면 변형 속도를 조기에 감지하는 조기 경고 시스템을 개발하고 있습니다.
참고문헌
