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상대 재료간에 발생하는 마찰력은 재료의 성질이나 운동 및 환경 조건 등에 따라 다르게 나타나는데, 최근에 기계 부품의 소형화, 정밀화 경향에 따라서 저하중의 상태에서는 접촉 면적, 표면 거칠기, 접촉 각도, 표면 처리 등 표면 상태가 마찰력에 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 특히, 표면의 기하학적 형상에 의해 결정되는 요철들 간의 상호 작용 및 변형은 마찰을 일으키는 주요 원인 중 하나이다. 따라서, 표면의 기하학적 형상과 접촉 상태에 따른 마찰 특성에 관한 연구는 마찰 현상의 원인을 밝혀내고, 마찰 제어를 위한 표면 설계에 있어서 필수적이다. 그러므로, 본 연구는 표면에 존재하는 요철로 가정할 수 있는 미세 구조 형상과 접촉 상태에 따른 마찰 특성의 변화를 살펴보고, 이를 바탕으로 기능성 표면 설계에 응용하는 것을 목적으로 하고 있다. 본 연구에서는 주사 전자 현미경(SEM) 내부에 마찰 시험기를 제작하여 두 재료가 상대운동을 하는 접촉 상태를 실시간으로 확대 관찰하며, 진공이라는 일정한 환경에서의 실험을 통해서 요철의 기하학적 형상 이외에 마찰력에 변화를 일으킬 수 있는 요소를 최대한 배제하였다. 실험 시편으로 사용된 마이크로/나노 스케일의 미세 구조물은 실리콘 계열의 표면 위에 반도체 공정과 여러 가지 다양한 제작 방법을 응용하여 제작하였다. 저속(㎛/s)과 저 하중(20mN)에서의 마찰 실험을 통하여 요철간의 기하학적 형상이 마찰에 미치는 영향이 매우 크며 두 요철간에 정의되는 접촉 각도에 따라서 마찰 특성이 다르게 나타남을 알 수 있었다. 그러므로, 접촉 각도가 크게 변하지 않는 구간에서는 접촉 각도에 따른 마찰 계수의 예측이 가능하며 그 외의 구간에서는 접촉 각도의 변화율에 의한 stick-slip 현상을 예측할 수 있었다. 접촉 각도에 따라 다르게 나타나는 마찰 특성은 여러 요철이 동시에 접촉하는 복합 요철 실험 결과에서도 반영된다. 복합 요철에서의 ...

상대 재료간에 발생하는 마찰력은 재료의 성질이나 운동 및 환경 조건 등에 따라 다르게 나타나는데, 최근에 기계 부품의 소형화, 정밀화 경향에 따라서 저하중의 상태에서는 접촉 면적, 표면 거칠기, 접촉 각도, 표면 처리 등 표면 상태가 마찰력에 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 특히, 표면의 기하학적 형상에 의해 결정되는 요철들 간의 상호 작용 및 변형은 마찰을 일으키는 주요 원인 중 하나이다. 따라서, 표면의 기하학적 형상과 접촉 상태에 따른 마찰 특성에 관한 연구는 마찰 현상의 원인을 밝혀내고, 마찰 제어를 위한 표면 설계에 있어서 필수적이다. 그러므로, 본 연구는 표면에 존재하는 요철로 가정할 수 있는 미세 구조 형상과 접촉 상태에 따른 마찰 특성의 변화를 살펴보고, 이를 바탕으로 기능성 표면 설계에 응용하는 것을 목적으로 하고 있다. 본 연구에서는 주사 전자 현미경(SEM) 내부에 마찰 시험기를 제작하여 두 재료가 상대운동을 하는 접촉 상태를 실시간으로 확대 관찰하며, 진공이라는 일정한 환경에서의 실험을 통해서 요철의 기하학적 형상 이외에 마찰력에 변화를 일으킬 수 있는 요소를 최대한 배제하였다. 실험 시편으로 사용된 마이크로/나노 스케일의 미세 구조물은 실리콘 계열의 표면 위에 반도체 공정과 여러 가지 다양한 제작 방법을 응용하여 제작하였다. 저속(㎛/s)과 저 하중(20mN)에서의 마찰 실험을 통하여 요철간의 기하학적 형상이 마찰에 미치는 영향이 매우 크며 두 요철간에 정의되는 접촉 각도에 따라서 마찰 특성이 다르게 나타남을 알 수 있었다. 그러므로, 접촉 각도가 크게 변하지 않는 구간에서는 접촉 각도에 따른 마찰 계수의 예측이 가능하며 그 외의 구간에서는 접촉 각도의 변화율에 의한 stick-slip 현상을 예측할 수 있었다. 접촉 각도에 따라 다르게 나타나는 마찰 특성은 여러 요철이 동시에 접촉하는 복합 요철 실험 결과에서도 반영된다. 복합 요철에서의 마찰 계수는 단일 요철들이 경험하는 마찰계수의 중첩에 의해 나타나는데 요철이 분포하는 상호 위치에 따른 마찰 계수의 보강과 간섭 현상을 실험적으로 증명하였으며, 이러한 결과를 고속 주파수 변환과 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 고속 주파수 변환은 요철간의 접촉 상황을 해석하기 위한 새로운 방법으로 파워 스펙트럼과 주파수 분석을 통하여 요철의 크기와 분포를 예상할 수 있으며 표면의 접촉 상태를 예측할 수 있었다. 고속 주파수 변환에 의한 분석 방법을 일반적인 거칠기를 가진 표면에서의 마찰 실험에 적용하여 요철간의 접촉에 의한 마찰력 분석의 타당성과 유용성을 입증하였다. 결과적으로, 표면의 기하학적 형상에 따라 다르게 나타나는 마찰 특성에 근거하여 마찰을 일으키는 두 표면을 최적화하기 위한 방법으로 마찰 계수의 고속 주파수 변환 방법을 제시하였다. 기계 부품의 대부분은 두 표면간에 상대 운동을 하기 때문에 마찰 현상을 피할 수 없으며 이 때의 마찰력은 운동 및 환경 조건의 변화에 의해서 변화하게 되는데, 본 실험에서의 실험 결과 및 해석 방법은 두 표면 사이에 발생하는 마찰 제어를 위한 형상에 근거한 표면 설계에 응용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Friction can be affected by several factors which are characteristics of materials, environmental conditions and sliding conditions. In microsystems, the surface and contact conditions such as roughness, contact area, contact angle have significant influences on the frictional behavior. In particula...

Friction can be affected by several factors which are characteristics of materials, environmental conditions and sliding conditions. In microsystems, the surface and contact conditions such as roughness, contact area, contact angle have significant influences on the frictional behavior. In particular, the asperity interaction which is determined by the surface geometry is one of the primary causes of friction at microscale as well as macroscale friction. Therefore, investigation of frictional behavior with respect to surface geometry and contact condition is essential to identify the causes of friction and optimize the surface structure for friction reduction. The objective of this research is to investigate the frictional behavior with respect to the surface geometry and contact condition and ultimately apply the knowledge to optimize the surface from the tribological point of view. The experiments were performed inside an Scanning Electron Microscope(SEM) in order to observe the contact condition and maintain stable experimental condition. Various microstructures were fabricated on silicon surface to investigate the friction variation as a function of surface geometry. It was found that the instantaneous friction coefficient was strongly influenced by the contact angle. The friction coefficient could be predicted in the region in which contact angle changes slightly. However, when there is a sudden change in the contact angle, the friction coefficient increase sharply due to mechanical interlocking between the asperities. The frictional behavior respect to the contact angle for each asperity contact was extended to multiasperity contact. It was shown that the friction coefficient could be increased or decreased due to the effect of reinforcement or interference between the asperities. The spacing ratio of the asperities of the two surfaces was shown to be an important factor. In this work, Fast Fourier Transform(FFT) analysis was also conducted as a method to interpret the asperity contact condition. The contact conditions including relative dimensions and distribution of asperities could be predicted by power spectrum and frequency in FFT analysis. The experiment for a typical surface with micro/nanometer roughness proved the validity of this analysis. Finally, the FFT analysis for friction coefficient was used to optimize the surface with respect to asperity distribution. In conclusions, the results of this research showed that the frictional behavior is strongly dependent on the surface geometry and contact condition, and furthermore, the surface can be optimized to attain better frictional behavior.

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