마이크로 스케일로 시스템의 크기가 작아질수록 반 데르 발스 힘, 정전기력과 같은 힘에 의한 영향이 증가하면서 정밀 시스템에 점착 및 연삭 마모 문제가 발생한다. 이러한 마모 문제는 정밀 시스템의 수명과 신뢰성을 좌우하게 되는데, 정밀 시스템에서 발생하는 마모 문제를 해결하기 위해서 최근 15년 동안 마이크로 볼 베어링 시스템에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 마이크로 볼 ...
마이크로 스케일로 시스템의 크기가 작아질수록 반 데르 발스 힘, 정전기력과 같은 힘에 의한 영향이 증가하면서 정밀 시스템에 점착 및 연삭 마모 문제가 발생한다. 이러한 마모 문제는 정밀 시스템의 수명과 신뢰성을 좌우하게 되는데, 정밀 시스템에서 발생하는 마모 문제를 해결하기 위해서 최근 15년 동안 마이크로 볼 베어링 시스템에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 마이크로 볼 베어링 시스템이란 상대 운동하는 두 표면사이에 마이크로 미터 크기의 지름을 가진 볼을 이용하여 일정거리를 유지하게 하고 마찰력을 획기적으로 낮추는 정밀 기계 시스템이다. 주로 마이크로 볼 베어링 시스템에 사용되는 재료는 볼 가이드로 실리콘 웨이퍼에 마이크로 패터닝을 하고 마이크로 볼은 글라스나 스테인리스 스틸과 같은 표면 경도가 매우 강한 재료를 사용한다. 마이크로 볼 과 같이 지름이 매우 작고 하드한 볼과 접촉 시에 발생하는 접촉압력은 매우 높아지게 되는데 이로 인한 마이크로 볼 베어링 시스템의 내구성은 아직 실용화되기엔 이른 영역에 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 아직 많은 연구들이 진행되지 않았다. 본 연구에서는 기존에 사용하던 하드한 재료인 실리콘 웨이퍼 대신에 폴리머 재료에 마이크로 패터닝을 하고 마이크로 볼 베어링 시스템을 제작하여 마찰/마모 특성을 분석하고 최종적으로는 마이크로 볼 베어링의 실용화에 기여할 수 있는 연구를 수행하였다. 폴리머 재료를 사용하게 되면 마이크로 볼과의 접촉 시 발생하는 높은 접촉 압력을 낮추어 시스템의 내구성을 높일 수 있다. 그러나 접촉압력이 낮아지게 되면 접촉 면적이 증가하기 때문에 시스템의 마찰력은 높아질 수 있다. 가장 우수한 마찰/마모 특성을 나타내는 폴리머의 표면 조건을 찾기 위해 다양한 표면 특성에 따른 마찰 실험을 수행했다. 폴리머의 강도를 변화시키기 위해 TiO2 2 μm 파티클을 이용해서 폴리머 기지를 강화시켰다. 실험 결과, 고하중/저속 폴리머 소재 기반의 마이크로 볼 베어링 시스템의 마찰 및 마모 특성은 표면 경도뿐만 아니라 표면 거칠기와 같은 표면 특성에 따라서도 변화한다는 것을 확인하였다. 저하중/고속 실험에서는 폴리머 마이크로 베어링은 적당한 수준의 마모정도를 나타내어 실리콘 재료를 대체할 수 있는 가능성을 보였다. 실험뿐만 아니라 ABAQUS를 통해서 실험을 통해 얻은 마모 현상을 분석하였다. 본 연구는 전통적인 마이크로 볼 베어링 시스템의 내구성을 강화시켜 실용화에 기여할 것으로 판단된다.
마이크로 스케일로 시스템의 크기가 작아질수록 반 데르 발스 힘, 정전기력과 같은 힘에 의한 영향이 증가하면서 정밀 시스템에 점착 및 연삭 마모 문제가 발생한다. 이러한 마모 문제는 정밀 시스템의 수명과 신뢰성을 좌우하게 되는데, 정밀 시스템에서 발생하는 마모 문제를 해결하기 위해서 최근 15년 동안 마이크로 볼 베어링 시스템에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 마이크로 볼 베어링 시스템이란 상대 운동하는 두 표면사이에 마이크로 미터 크기의 지름을 가진 볼을 이용하여 일정거리를 유지하게 하고 마찰력을 획기적으로 낮추는 정밀 기계 시스템이다. 주로 마이크로 볼 베어링 시스템에 사용되는 재료는 볼 가이드로 실리콘 웨이퍼에 마이크로 패터닝을 하고 마이크로 볼은 글라스나 스테인리스 스틸과 같은 표면 경도가 매우 강한 재료를 사용한다. 마이크로 볼 과 같이 지름이 매우 작고 하드한 볼과 접촉 시에 발생하는 접촉압력은 매우 높아지게 되는데 이로 인한 마이크로 볼 베어링 시스템의 내구성은 아직 실용화되기엔 이른 영역에 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 아직 많은 연구들이 진행되지 않았다. 본 연구에서는 기존에 사용하던 하드한 재료인 실리콘 웨이퍼 대신에 폴리머 재료에 마이크로 패터닝을 하고 마이크로 볼 베어링 시스템을 제작하여 마찰/마모 특성을 분석하고 최종적으로는 마이크로 볼 베어링의 실용화에 기여할 수 있는 연구를 수행하였다. 폴리머 재료를 사용하게 되면 마이크로 볼과의 접촉 시 발생하는 높은 접촉 압력을 낮추어 시스템의 내구성을 높일 수 있다. 그러나 접촉압력이 낮아지게 되면 접촉 면적이 증가하기 때문에 시스템의 마찰력은 높아질 수 있다. 가장 우수한 마찰/마모 특성을 나타내는 폴리머의 표면 조건을 찾기 위해 다양한 표면 특성에 따른 마찰 실험을 수행했다. 폴리머의 강도를 변화시키기 위해 TiO2 2 μm 파티클을 이용해서 폴리머 기지를 강화시켰다. 실험 결과, 고하중/저속 폴리머 소재 기반의 마이크로 볼 베어링 시스템의 마찰 및 마모 특성은 표면 경도뿐만 아니라 표면 거칠기와 같은 표면 특성에 따라서도 변화한다는 것을 확인하였다. 저하중/고속 실험에서는 폴리머 마이크로 베어링은 적당한 수준의 마모정도를 나타내어 실리콘 재료를 대체할 수 있는 가능성을 보였다. 실험뿐만 아니라 ABAQUS를 통해서 실험을 통해 얻은 마모 현상을 분석하였다. 본 연구는 전통적인 마이크로 볼 베어링 시스템의 내구성을 강화시켜 실용화에 기여할 것으로 판단된다.
When the size of the system decreases by the micro scale, the abrasive, adhesive wear problem of the precision system arises, as the influence of force increases by force, such as ban forces and electrostatic force. Such wear issues were affected to the reliability of the precision system, thus in r...
When the size of the system decreases by the micro scale, the abrasive, adhesive wear problem of the precision system arises, as the influence of force increases by force, such as ban forces and electrostatic force. Such wear issues were affected to the reliability of the precision system, thus in recent 15 years, research on the micro bearing system is actively underway to solve the wear problems arising from the precision system. Micro ball bearing system is a precision mechanical system that maintains a constant distance between the two opposing surfaces that moving relatively using a micrometer scale balls and decreasing friction force dramatically. The material used primarily in the micro bearing system is surface patterned Si wafer with glass or stainless steel ball which has very high hardness. The contact pressure, in contact with the hard and very small size ball, occurs very high and too many wear on the surfaces. The durability of the micro bearing system is still in its early stages in order to commercialize. Many studies have yet to be conducted to solve such problems. In this study, the friction and wear property of the system was analyzed by producing polymer material based micro ball bearing systems instead of conventional hard materials in order to contribute the commercialization of polymer based micro ball bearing. The polymer as a ball guide material for micro ball bearing system reduces the contact pressure, thereby increasing the endurance of the system. However, due to the decrease in contact pressure, the system may increase the friction force because the contact area increases. The friction tests were carried out according to various surface characteristics to find the optimal tribological property. To change the hardness of the polymer, the polymer matrix was reinforced using TiO 2 μm particles. Test results revealed that the friction and wear property of the polymer based micro ball bearing system was also subject to the variation of surface characteristics like surface roughness, not just surface hardness. From the durability test, the polymer micro ball bearing showed the potential to replace the silicon material with moderate levels of wear. In addition to experiments, the wear phenomena from SEM images obtained by the friction tests was analyzed by the ABAQUS. The study is expected to contribute to the commercialization of the micro ball bearing system.
When the size of the system decreases by the micro scale, the abrasive, adhesive wear problem of the precision system arises, as the influence of force increases by force, such as ban forces and electrostatic force. Such wear issues were affected to the reliability of the precision system, thus in recent 15 years, research on the micro bearing system is actively underway to solve the wear problems arising from the precision system. Micro ball bearing system is a precision mechanical system that maintains a constant distance between the two opposing surfaces that moving relatively using a micrometer scale balls and decreasing friction force dramatically. The material used primarily in the micro bearing system is surface patterned Si wafer with glass or stainless steel ball which has very high hardness. The contact pressure, in contact with the hard and very small size ball, occurs very high and too many wear on the surfaces. The durability of the micro bearing system is still in its early stages in order to commercialize. Many studies have yet to be conducted to solve such problems. In this study, the friction and wear property of the system was analyzed by producing polymer material based micro ball bearing systems instead of conventional hard materials in order to contribute the commercialization of polymer based micro ball bearing. The polymer as a ball guide material for micro ball bearing system reduces the contact pressure, thereby increasing the endurance of the system. However, due to the decrease in contact pressure, the system may increase the friction force because the contact area increases. The friction tests were carried out according to various surface characteristics to find the optimal tribological property. To change the hardness of the polymer, the polymer matrix was reinforced using TiO 2 μm particles. Test results revealed that the friction and wear property of the polymer based micro ball bearing system was also subject to the variation of surface characteristics like surface roughness, not just surface hardness. From the durability test, the polymer micro ball bearing showed the potential to replace the silicon material with moderate levels of wear. In addition to experiments, the wear phenomena from SEM images obtained by the friction tests was analyzed by the ABAQUS. The study is expected to contribute to the commercialization of the micro ball bearing system.
주제어
#마이크로 볼 베어링 에폭시 복합재 마찰 마모 유한요소해석 micro ball bearing epoxy composite friction wear fem simulation
학위논문 정보
저자
김병국
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
기계공학과
지도교수
김대은
발행연도
2017
총페이지
vii, 73장
키워드
마이크로 볼 베어링 에폭시 복합재 마찰 마모 유한요소해석 micro ball bearing epoxy composite friction wear fem simulation
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