JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제7권3호
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pp.133-139
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2007
Future MEMS systems will be composed of larger varieties of devices with very different functionality such as electronics, mechanics, optics and bio-chemistry. Integration technology of heterogeneous devices must be developed. This article first deals with the current development trend of new fabrication technologies; those include self-assembling of parts over a large area, wafer-scale encapsulation by wafer-bonding, nano imprinting, and roll-to-roll printing. In the latter half of the article, the concept towards the heterogeneous integration of devices and functionality into micro/nano systems is described. The key idea is to combine the conventional top-down technologies and the novel bottom-up technologies for building nano systems. A simple example is the carbon nano tube interconnection that is grown in the via-hole of a VLSI chip. In the laboratory level, the position-specific self-assembly of nano parts on a DNA template was demonstrated through hybridization of probe DNA segments attached to the parts. Also, bio molecular motors were incorporated in a micro fluidic system and utilized as a nano actuator for transporting objects in the channel.
With the increase in number of the athletic population and elderly demographic, the demand for orthopedic splints, which are used to support a damaged body, has rapidly increased. Current splints mainly consist of inner and outer parts, which are multiple fabrics covered with polyurethane and nonwoven fabrics, respectively. However, the laminated materials with directly applied pre-polymer coating lead to a high defect rate because of the uneven thickness on the surface. Thus, this study proposes an indirect coating method using a precise clearance controller, which enables the even application of the coating material on multiple inner parts while maintaining a constant thickness. In addition, a roll-to-roll (R2R) technique is applied instead of the sewing mechanism to bond the inner and outer materials together and enhance the productivity in the final stage. In the advanced methods, there is a storage tank that contains polyurethane, a clearance controller, and pairs of rollers in the upper and lower rows. To improve the quality of the products and optimize the equipment, three controllable factors are determined: the viscosity of polyurethane, angle of the gap controller and number of pairs of rollers in the R2R system.
Multilayer(clad) sheets, composed of two or more materials with different properties, are fabricated using the roll-bonding process. A good formability is an essential property for a multilayered sheet in order to manufacture parts by plastic deformation. In this study, the influences of temperature and strain rate on the plastic properties of stainless steel-aluminum-magnesium multilayered(STS-Al-Mg) sheets were investigated. Tensile tests were performed at various temperatures and strain rates on the multilayered sheet and on each separate layer. Fracture of the multilayered sheet was observed to be temperature-dependent. At the base temperature of $200^{\circ}C$, all materials fractured simultaneously. At lower temperatures, the Mg alloy sheet fractured earlier than the other materials. Conversely, the other materials fractured earlier than the Mg alloy sheet at higher temperatures. The uniform and total elongations of the multilayered sheet were observed to be higher than that of each material at a temperature of $250^{\circ}C$. Larger uniform elongations were obtained for higher strain rates at constant temperature. The same trend was observed for the Mg alloy sheet, which exhibited the lowest elongation among the three materials. The tensile strengths and elongations of the single layer sheets were compared to those of the multilayer material. The strength of the multilayered sheet was successfully calculated by the rule of mixture from the values of each single layer. However, no simple correlation between the elongation of each layer and that of the multilayer was obtained.
A sample of ultra low carbon IF steel was processed by six-layer stack accumulative roll-bonding (ARB) and annealed. The ARB was conducted at ambient temperature after deforming the as-received material to a thickness of 0.5 mm by 50% cold rolling. The ARB was performed for a six-layer stacked, i.e. a 3 mm thick sheet, up to 3 cycles (an equivalent strain of ~7.0). In each ARB cycle, the stacked sheets were, first, deformed to 1.5 mm thickness by 50% rolling and then reduced to 0.5 mm thickness, as the starting thickness, by multi-pass rolling without lubrication. The specimen after 3 cycles was then annealed for 0.5 h at various temperatures ranging from 673 to 973 K. The microstructural evolution with the annealing temperature for the 3-cycle ARB processed IF steel was investigated in detail by transmission electron microscopy observation. The ARB processed IF steel exhibited mainly a dislocation cell lamella structure with relatively high dislocation density in which the subgrains were partially observed. The selected area diffraction (SAD) patterns suggested that the misorientation between neighboring cells or subgrains was very small. The thickness of the grains increased in a gradual way up to 873 K, but above 898 K it increased drastically. As a result, the grains came to have an equiaxed morphology at 898 K, in which the width and the thickness of the grains were almost identical. The grain growth occurred actively at temperatures above 923 K.
The microstructural evolution of AA1050/AA6061 complex aluminum alloy, which is fabricated using an accumulative roll-bonding (ARB) process, with the proceeding of ARB, was investigated by electron back scatter diffraction (EBSD) analysis. The specimen after one cycle exhibited a deformed structure in which the grains were elongated to the rolling direction for all regions in the thickness direction. With the proceeding of the ARB, the grain became finer; the average grain size of the as received material was $45{\mu}m$; however, it became $6.3{\mu}m$ after one cycle, $1.5{\mu}m$ after three cycles, and $0.95{\mu}m$ after five cycles. The deviation of the grain size distribution of the ARB processed specimens decreased with increasing number of ARB cycles. The volume fraction of the high angle grain boundary also increased with the number of ARB cycles; it was 43.7% after one cycle, 62.7% after three cycles, and 65.6% after five cycles. On the other hand, the texture development was different depending on the regions and the materials. A shear texture component {001}<110> mainly developed in the surface region, while the rolling texture components {011}<211> and {112}<111> developed in the other regions. The difference of the texture between AA1050 and AA6061 was most obvious in the surface region; {001}<110> component mainly developed in AA1050 and {111}<110> component in AA6061.
A new Layered Manufacturing(LM) system, named PaperMill, is developed applying micro milling technology. A micro endmill(127 11m in diameter) is introduced as the cutter of build material. The selected build material for this system is an adhesive-coated paper roll which provides advantages such as good bonding between layers, machinability, and low material cost. A 3-axis CNC controller and three step-motors are used for the movement of X-Y-Z table of the system. For simplicity of the control of mechanism, the control system for feeding the paper roll is uncoupled from CNC controller. Two code converters are developed for the toolpath generation of the new LM system. The NC converter generates a set of NC codes for PaperMill using commercial CAM software while the SML converter generates an NC code from Quickslice's SML format. The NC codes generated from the converters consist of a series of profile data and trigger code for paper feeding. Two sample gears were fabricated to prove the concept of the system, which shown that the dimensional errors of the fabricated gears is under 3.4 percent.
Metallic sandwich plates with various inner cores have important new features with not only ultra-light material characteristics and load bearing function but also multifunctional characteristics. Because of production possibility on the large scale and a good geometric precision, sandwich plates with inner dimpled shell structure from a single material have advantages as compared with other solid sandwich plates. Inner dimpled shell structures can be fabricated with press or roll forming process, and then bonded with two face sheets by multi-point resistance welding or adhesive bonding. Elasto-plastic bending behavior of sandwich plates have been predicted analytically and measured. The measurements have shown that elastic perfectly plastic approximation can be conveniently employed with less than 10% error in elastic stiffness, collapse load, and energy absorption. The dominant collapse modes are face buckling and bonding failure after yielding. Sandwich plates with inner dimpled shell structure can absorb more energy than other types of sandwich plates during the bending behavior.
The Mg-Zn-RE alloy cladded with the thin Al1050 sheet was fabricated by means of a roll bonding process at $280^{\circ}C$.Microstructures and mechanical properties of the clad sheets were investigated. After heat treatment at $230^{\circ}C$ for 30 min, an Mg-rich diffusion layer with about $2{\mu}m$ in thickness was developed at the Mg and Al interface. Tensile tests were carried out in a temperature range up to $300^{\circ}C$. The clad sheet exhibits superior elongation to failure not only at room temperature but also at elevated temperatures compared with those of the Mg alloy sheet. For the deformed specimens, interface debonding does not occur and the diffusion layer shows only a few cracks.
Compo-casting method is one of the popular technique to produce metal based matrix composites. But, one of the main challenges in this process is un-uniform spreading of reinforced subdivisions (particles) inside the metallic matrix and the lack of desirable mechanical properties of the final produced composites due to the low bonding strength among the metal matrix and reinforcement particles. To remove these difficulties and to promote the mechanical properties of these kind of composites, the WARM ARB technique was utilized as supplementary technique to heighten the mechanical and microstructural evolution of the casted Al/Al2O3 composite strips. The microstructure evolution and mechanical properties of these composites have been considered versus different WARM ARB cycles by tensile test, average Vickers micro hardness test, wear test and scanning electron microscopy (SEM). The SEM results revealed that during the higher warm- ARB cycles, big alumina clusters are broken and make a uniform distribution of alumina particles. It was shown that cumulating the forming cycles improved the mechanical properties of composites. In general, combined compo-casting and ARB process would consent making Al/Al2O3 composites with high consistency, good microstructural and mechanical properties.
전자소자의 방열모듈에서 두께 방향의 열방출 특성에 대한 중요성이 증가하고 있다. 금속과 금속의 본딩 및 유전체와 금속의 본딩 구조를 갖는 2가지 종류의 2층 층상재료를 제조한 후 두께 방향으로 열확산계수를 측정하였다. 금속(STS439)과 금속(Al6061)으로 이루어진 2층 층상재료에서는 섬광법(LFA)으로 열확산계수를 측정했을 때, 열흐름의 방향을 반대로 변화시켜도 열확산계수의 변화가 없었다. 그런데, 유전체(AlN-Polymer)와 금속(Al6061)의 2층 층상재료에서는 열흐름의 방향을 반대로 인가하였을 때 열확산계수는 17.5% 정도 다르게 나타났다. 유전체와 금속의 단면구조를 갖는 2층 층상재료에서, 금속에서 유전체 방향으로 측정한 열확산계수가 유전체에서 금속 방향으로 측정한 열확산계수에 비해 17.5% 작게 나타난 이유는, 금속내의 전자가 갖고 있던 에너지가 유전체 쪽으로 전달되기 위해서는 계면 주변에서 포논의 에너지 형태로 변환될 때 저항이 생기기 때문이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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