열응력의 뜻
열팽창의 차이로 생기는 응력. 기판 위의 박막에서는 σ = EΔαΔT/(1 − ν)로 어림하며, 막의 팽창 계수가 크면 냉각 후에는 인장이 된다.
일본어 명칭: 熱応力
‘열응력’ 관련 연습 문제는 3개 분야에 5문제가 있습니다(박막·표면·나노 재료, 재료의 열적 성질, 고온 재료와 크리프 등).
이 용어의 분야: 박막·표면·나노 재료
열응력 연습 문제에 도전
실리콘 기판(선팽창 계수 2.6×10⁻⁶ K⁻¹) 위의 알루미늄막(영률 70 GPa, 푸아송비 0.35, 선팽창 계수 23×10⁻⁶ K⁻¹)을 응력이 없는 125℃에서 25℃까지 냉각했다. 기판은 충분히 두껍다고 할 때, 막에 생기는 열응력 σ = EΔαΔT/(1 − ν)의 방향과 크기는 무엇인가?
- A압축, 약 220 MPa
- B인장, 약 143 MPa
- C인장, 약 220 MPa
정답과 해설 보기
정답: C. 인장, 약 220 MPa
Δα = 23×10⁻⁶ − 2.6×10⁻⁶ = 20.4×10⁻⁶ K⁻¹, ΔT = 100 K이므로 σ = 70×10⁹ × 20.4×10⁻⁶ × 100/(1 − 0.35) ≈ 2.2×10⁸ Pa, 약 220 MPa입니다. 냉각하면 알루미늄은 실리콘보다 크게 수축하려 하지만, 기판에 구속되어 수축할 수 없으므로 막은 당겨져 인장 응력이 됩니다. 압축이라고 하는 것은 방향을 혼동한 것입니다. 약 143 MPa는 (1 − ν)로 나누는 것을 잊은 값입니다. 막은 면내의 두 방향으로 동시에 구속되는 이축 응력 상태이므로, 이축 탄성 계수 E/(1 − ν)를 써야 합니다. 이러한 열응력은 배선의 스트레스 마이그레이션이나 보이드의 원인이 됩니다.
해설 속의 ‘열응력’
이러한 열응력은 배선의 스트레스 마이그레이션이나 보이드의 원인이 됩니다.
실리콘 기판(선팽창 계수 2.6×10⁻⁶ K⁻¹) 위의 알루미늄막(영률 70 GPa, 푸아송비 0.35, …열응력의 방향은 막의 선팽창 계수가 기판보다 크면 냉각 후 인장, 작으면 압축으로 판단할 수 있습니다.
실리콘 기판 위에 고온에서 열산화막(SiO₂, 선팽창 계수 약 0.5×10⁻⁶ K⁻¹)을 만들고 실온까지 …그래서 금속과 고분자나 세라믹스를 조합한 부품에서는 온도가 바뀌면 팽창의 차이에 의한 열응력이나 휨이 생깁니다.
실온 부근의 선팽창 계수를 큰 순서대로 나열한 것으로 옳은 것은 무엇인가?급랭하면 표면만 먼저 수축하려다가 내부에 구속되므로, 표면에 인장 열응력 σ ≈ EαΔT/(1 − ν)가 생깁니다.
붉게 달군 석영 유리(용융 실리카)를 물에 넣어도 잘 깨지지 않지만, 소다석회 유리는 깨지기 쉽다. 석영 …열전도율이 낮을수록, 또 막이 두꺼울수록 온도차는 커지지만, 막을 두껍게 하면 열응력으로 박리되기 쉬워지므로 두께에는 한계가 있습니다.
열차폐 코팅의 톱 코트(두께 250 µm, 열전도율 1.2 W/(m·K))를 1.0 MW/m²의 열유속이 …
‘열응력’ 관련 문제(5문제)
- 실리콘 기판(선팽창 계수 2.6×10⁻⁶ K⁻¹) 위의 알루미늄막(영률 70 GPa, 푸아송비 0.35, 선팽창 계수 23×10⁻⁶ K⁻¹)을 응력이 없는 125℃에서 25℃까지 냉각했다. 기판은 충분히 두껍다고 할 때, 막에 생기는 열응력 σ = EΔαΔT/(1 − ν)의 방향과 크기는 무엇인가?
- 실리콘 기판 위에 고온에서 열산화막(SiO₂, 선팽창 계수 약 0.5×10⁻⁶ K⁻¹)을 만들고 실온까지 냉각했다. 실리콘의 선팽창 계수를 약 2.6×10⁻⁶ K⁻¹라고 하면, 열팽창의 차이에 의해 산화막에 생기는 응력은 무엇인가?
- 실온 부근의 선팽창 계수를 큰 순서대로 나열한 것으로 옳은 것은 무엇인가?
- 붉게 달군 석영 유리(용융 실리카)를 물에 넣어도 잘 깨지지 않지만, 소다석회 유리는 깨지기 쉽다. 석영 유리의 열충격 저항이 높은 주된 이유는 무엇인가?
- 열차폐 코팅의 톱 코트(두께 250 µm, 열전도율 1.2 W/(m·K))를 1.0 MW/m²의 열유속이 두께 방향으로 균일하게 통과하고 있다. 정상 상태의 1차원 열전도로 볼 때, 톱 코트의 앞면과 뒷면의 온도차에 가장 가까운 것은 무엇인가?
재료과학 계산 도구
관련 용어
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