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(a) 기판 상에 실온에서 AD 시스템의 에어로졸 증착 프로세스의 분말 분사 공정에 의해 서로 다른 입자 크기를 갖는 Cu 파우더들을 증착하여 수 ㎛ 두께의 에어로졸-증착 Cu 필름을 갖는 코팅층을 형성하는 단계; 및(b) 상기 기판에 증착된 에어로졸-증착 Cu 필름에 대하여 상기 서로 다른 입자 크기를 갖는 Cu 입자들과 상기 기판과의 충돌에 대한 수치 결과들로부터, 상이한 크기의 Cu 입자들의 충격에 대하여 상기 Cu 필름의 거동(deposition behavior)이 분석되는 단계; 를 포함하는 분말 분사 공정을 통한 실온 Cu 금속 코팅에 관한 실험적 수치적 분석 방법
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제1항에 있어서, 상기 기판은 Al2O3 기판을 사용하는, 분말 분사 공정을 통한 실온 Cu 금속 코팅에 관한 실험적 수치적 분석 방법
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제1항에 있어서, 상기 AD 시스템은 에어로졸-생성 챔버, 증착 챔버, 노즐들, 진공 펌프, 및 유량 제어기로 구성되며, 미세 Cu 입자들이 상기 에어로졸 챔버 내에서 형성되어 캐리어 가스와 혼합되며, 에어로졸 챔버에서 생성된 에어로졸은 튜브를 통해 노즐로 전달되고 가속되어 분사되는, 분말 분사 공정을 통한 실온 Cu 금속 코팅에 관한 실험적 수치적 분석 방법
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제1항에 있어서, 상기 에어로졸 증착 프로세스는 서로 다른 크기의 Cu 파우더를 사용하며, 9 L/min 캐리어 가스 소모량, He 캐리어 가스, 1~2 mm/s, 3~7 Torr 압력, 10 ×0
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제1항에 있어서, 상기 Cu 파우더는 서로 다른 크기의 2 ㎛, 5㎛, 10㎛ Cu 입자들을 사용하는, 분말 분사 공정을 통한 실온 Cu 금속 코팅에 관한 실험적 수치적 분석 방법
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제1항에 있어서, 상기 기판 상에 Cu 입자 충격에 관한 수치 분석 조건은 볼 물질 Cu, Cu 파우더의 볼 크기 2㎛, 5㎛, 10㎛, 충격 속도 300m/s, 기판 물질 Al2O3, 기판 크기 10x10x2
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제1항에 있어서,상기 기판 상에서 입자 충돌의 수치 모델링(modeling of particle impact)은 상태 방정식(equation of state, EOS)과 강도 모델(strength model)을 사용하여 수행되었으며, EOS는 다음과 같이 Mie-Gruneisen 형태로 표현되며, (1) (2)여기서, P는 Mie-Gruneisen 압력(Mie-Gruneisen pressure)이고, Γ는 Gruneisen 계수(Gruneisen coefficient)이고, e는 특정 내부 에너지이고, ν는 특정 체적이고, Pr(ν) 및 er(ν)는 충격 유고니오(shock Hugoniot) 또는 포화 곡선(saturation curve)과 같은 어떠한 참조 커브 상에서 ν의 함수들인 것으로 알려져 있다고 가정하며,Shock EOS 및 polynomial EOS(다항 EOS)가 참조 곡선으로서 충격 유고니오(shock Hugoniot)를 이용하여 EOS의 Mie-Gruneisen 형태(Mie-Gruneisen form of the EOS)에 기초하여 사용되었으며, 충격 EOS 선형은 식(3)에 의해 표현되고, (3)여기서, Us는 충격 속도(shock velocity)이고, C1 및 S1은 물질 특성들에 의존하는 상수들이며, up는 입자 속도(particle velocity)이며, 다항 EOS(polynomial EOS)는 압력을 압축과 신장의 다항 함수로서 표현하는 EOS의 Mie-Gruneisen 형태를 가지며:(4)여기서, P는 특정 내부 에너지(specific internal energy)이고, μ는 용적 변형(volumetric strain)이고, ρref는 영 압력 밀도(zero pressure density)이며, A1, A2, A3, B0, B1, T1, 및 T2는 물질 특성에 따르는 상수들이며, 두 종류의 강도 모델(strength models)이 입자들과 기판에 대한 물질 변형(material deformation for particles and substrate)을 해결하는데 사용되고, 구리(Cu)의 소성 거동(plastic behavior of copper)은 통상적으로 변형 경화(strain hardening), 변형율 경화(strain rate hardening), 및 열 연화 효과들(thermal softening effects)을 설명하는 Jonson-Cook 가소성 모델(Jonson-Cook plasticity model)에 부합하는 것으로 전제되어 왔으며, 항복 응력(yield stress, σy)은 다음과 같이 표현되며: (5)여기서, εp는 실효 소성 변형(effective plastic strain)이고 는 실효 소성 변형율(effective plastic strain rate)이며, A, B, C, n, 및 m은 물질에 따르는 상수들이고, T*는 식(6)으로 표현될 수 있는 상응 온도(homologous temperature)는 (6)여기서, Tm은 용융온도(melting temperature)이고 Troom은 기준 온도(reference temperature)이다
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제1항에 있어서, 상기 기판은 Al2O3 기판을 사용하며, 2㎛, 5㎛, 10㎛ 다른 크기를 갖는 세 종류의 Cu 파우더들을 사용하여 Al2O3 기판 상에 23℃ 실온에서 AD 프로세스에 의해 상기 Al2O3 기판 상에 Cu 필름들이 증착되었으며, AD 프로세스 동안, 캐리어 가스의 소모(consumption of carrier gas)는 9L/min으로 유지되었으며, 2㎛ Cu 파우더(2 μm Cu powder)를 사용한 Cu 필름들은 실온에서 성공적으로 Al2O3 기판 상에 15㎛ 두께를 갖는 Cu 코팅층이 형성되었으며, 5㎛ Cu 파우더(5 μm Cu powder)에서는, 2㎛ Cu 코팅층 보다 수㎛ 작은 매우 얇은 두께(very low thickness)를 나타냈으며, 10㎛ Cu 파우더(5 μm Cu powder)를 사용하면, Cu 필름을 형성하는 것이 불가능한, 분말 분사 공정을 통한 실온 Cu 금속 코팅에 관한 실험적 수치적 분석 방법
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제1항에 있어서, 2㎛ Cu 파우더들(D50=2
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제1항에 있어서, 2㎛와 5㎛ Cu 파우더들을 사용하여 증착된 Cu 필름들의 표면 모폴로지들이 AFM에 의해 관찰되며, 표면 모폴로지(surface morphology)와 Cu 입자 크기(Cu particle size) 사이의 관계는2㎛ Cu 파우더를 사용하는 경우에 1
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제10항에 있어서, 상기 증착된 Cu 필름들의 피크 폭증가(peak broadening of Cu films)는 금속 물질이 연성(ductility)을 갖기 때문에 주로 내부 미세-변형(internal micro-strain)에 인정되며, 이러한 추정을 지지하기 위해, 2㎛ Cu 파우더를 사용하는 Cu 필름의 내부 미세-변형(internal micro-strain of Cu film)이 WH method를 사용하여 추정되었으며, 수정된 WH 식은 다음과 같이 표현되고: (8)여기서, β는 XRD 피크의 FWHM, λ는 입사 X-선 파장 길이(incident X-ray wave length), θ는 회절각(diffraction angle), t는 결정 크기(crystal size), Δd는 대표 피크에 대응하는 d 스페이싱의 회절(diffraction of the d spacing corresponding to a typical peak)이다
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제1항에 있어서, 상기 기판에 증착된 Cu 필름들에 대한 구체적인 XRD 분석으로부터, 산화 구리 상들(CuO 및 Cu2O)이 확인되었으며, 이러한 결과들은 Cu 입자들의 인터페이스가 Cu 입자들 간의 충돌 동안 생성되는 열 때문에 CuO 또는 Cu2O로 산화될 수 있으며, Cu 필름 증착 프로세스가 저진공(기저압력 5-7 ×10-2 Torr)에서 진행되기 때문에, 미량의 산소가 존재하며, 충돌에 의해 생성되는 열 때문에, 산화물들(oxides)이 Cu 입자들의 표면 상에서 형성될 수 있으며, 상기 기판에 충돌로부터 야기되는 Cu 입자들의 인터페이스들에서의 산화에 대한 온도 범위를 추정하기 위해, AD 프로세스에서 사용되는 Cu 파우더의 TGA 분석이 수행되었으며, 도 6(a)의 TGA 그래프는 Cu 파우더의 중량 변화(weight change of Cu powder)를 온도의 함수로서 나타나며, 결과는 200-500℃ 정도에서 신속한 중량 변화들이 주로 Cu 파우더의 산화 반응(oxidation reaction of Cu powder)에 기인하며, 도 6(b)의 TG 분석(TG analysis) 후 잔여량의 XRD 패턴들을 참조하면 300℃의 온도에서 Cu 파우더의 결정상들은 CuO, Cu2O, 및 금속 Cu로서 식별될 수 있고, 600℃에서, 모든 Cu 상들이 CuO 상들로 변했으며, 이러한 열분석 및 XRD 분석 결과들로부터, Cu 입자들은 Cu 입자들 간의 충돌 동안 300℃ 이상으로 생성된 고온에서 CuO 또는 Cu2O로 산화될 수 있는, 분말 분사 공정을 통한 실온 Cu 금속 코팅에 관한 실험적 수치적 분석 방법
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제8항에 있어서, 상기 Cu 파우더의 서로 다른 입자 크기를 갖는 Cu 입자 크기에 따라 내부 에너지(internal energy) 및 최대 충격압(shock pressure)에 대한 시뮬레이션 결과에서, 내부 에너지는 2, 5, 및 10 ㎛ Cu 입자들에 대해 약 6, 15, 및 25 ns에서 안정화되었으며, 최대 충격압(maximum shock pressure)은 입자 크기(particle size)를 증가시킴에 따라 증가되고, 기판과 Cu 입자들의 충돌 초기에, 2, 5, 및 10㎛ Cu 입자들에 대한 최대 충격압 값은, 각각, ~6
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제5항에 있어서, 실험 결과, 2 ㎛, 5㎛, 10㎛ Cu 파우더 사용시에, 2㎛ Cu 파우더를 사용하여 가공된 Cu 필름이 상대적으로 높은 증착률(1
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제5항에 있어서, Cu 입자들의 최대 충격 압력은 Cu 입자 크기를 증가시킴에 따라 증대되었으며, 이 결과들은 2㎛ 입자 크기를 갖는 금속 Cu 입자가 고품질의 코팅층을 형성하는데 적합하며, 이들 bonding이 높은 압축 변형(high compressive strain) 및 열 에너지(thermal energy)에 관련되는, 분말 분사 공정을 통한 실온 Cu 금속 코팅에 관한 실험적 수치적 분석 방법
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