[논문]거친 표면간의 미세 접촉에서의 표면력 해석

김두인; 안효석; 최동훈

doi:10.3795/ksme-a.2002.26.10.2180

거친 표면간의 미세 접촉에서의 표면력 해석
Analysis of Surface Forces in Micro Contacts between Rough Surfaces 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.26 no.10 = no.205, 2002년, pp.2180 - 2186

김두인 (한양대학교 대학원 기계설계학과) , 안효석 (한국과학기술연구원 트라이볼로지연구센터) , 최동훈 (한양대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In a micro-scale contact, capillary force and van der Waals interaction significantly influence the contact between asperities of rough surfaces. Little is, however, known about the variation of these surface forces as a function of chemical property of the surface (wet angle), relative humidity and deformation of asperities in the real area of contact. A better understanding of these surface forces is of great necessity in order to find a solution for reducing friction and adhesion of micro surfaces. The objective of this study is to investigate the surface forces in micro-scale rough surface contact. We proposed an effective method to analyze capillary and van der Waals forces in micro-scale contact. In this method, Winkler spring model was employed to analyze the contact of rough surfaces that were obtained from atomic force microscopy (AFM) height images. Self-mated contact of DLC(diamond like carbon) coatings was analyzed, as an example, by the proposed model. It was shown that the capillary force was significantly influenced by relative humidity and wet angle of the DLC surface. The deformation of asperities to a critical magnitude by external loading led to a considerable increase of both capillary and van der Waals forces.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 표면의 접촉각, 상대습도, 변형량이 표면력에 미치는 영향을 관찰하기 위해 각각의 변수들을 변화시키며 해석을 실시하였다.
본 논문에서는 표면의 젖음각과 대기의 상대습도에 의해 표면에 발생하는 모세관 응축현상에 의한 모세관력과 표면 에너지에 의한 반데르발스힘을 고려한 미세 접촉 해석 방법을 제안하였다. 접촉 해석 모델은 Winkler 스프링 모델을 사용하였으며 제안된 모델을 이용하여 거친 표면의 미세접촉 해석에 사용될 수 있음을 보였다.
Maboudian 등。)에 의하면 메니스커스에 의한 모세관력이 표면에서 가장 크게 작용하며 Tian 등(”)은 이러한 모세관력으로 인해 HDD(hard disk drive) 저장 매체의 헤드와 디스크 사이에 발생하는 스틱션에 대해 관찰하였다. 본 연구에서는 표면 에너지에 의한 반데르발스힘과 상대습도에 의해 형성되는 모세관력을 고려한 거친 표면에 대한 접촉 해석 기법을 제안하였으며 마이크로 시스템의 섭동부 표면의 마찰 특성을 개선하기 위한 주요한 수단으로 주목 받고 있는 DLC(diamond like carbon) 박막 코팅의 표면을 AFM(atomic force microscopy)으로 측정한 표면 데이터를 이용하여 상대습도와 표면의 젖음각(contactangle)의 영향을 관찰하였다.
마이크로 스케일의 표면의 점착을 일으키는 주원인으로 모세관력, 정전기력(electrostatic force) 그리고 반데르발스힘 등과 같은 표면력에 의한 것으로 알려져 있다. 정전기적 하전 (electrostatic charging)의해 발생하는 정전기력은 다른 힘에 비해 상대적으로 쉽게 제거될 수 있으므로 본 연구에서는 고려하지 않고 표면 에너지에 의한 반데르발스힘과 상대습도에 의해서 발생하는 모세관응축(capillary condensation)0]] 의한 모세관력에 대해 고려하겠다.

가설 설정

JKR 이론에서 점착력은 두 물체의 접촉 영역내의 표면에서만 존재하며 이러한 점착력에 의한 표면 변형을 가정하고 해석하여 점착력을 고려하지 않은 헤르쯔(Hertz)접촉 이론의 결과와 비교하였으며 JKR 이론에 의한 해석결과와 연한 재료에 대한 실험결과가 일치하고 있음을 보였다. 이와 달리 DMT 이론。)은 점착력이 접촉영역 외부에서만 작용하며 점착력에 의한 변형은 고려하지 않고 헤르쯔 이론에서와 같은 변형을 한다고 가정하였다. Muller(8) 등과 Marguis(9) 는 상기한 두 이론이 정의된 변수에 의해 하나의 식으로 표현될 수 있음을 보였으며 JKR 이론은 연한 재료에 대한 접촉, DMT 이론은 경한 재료의 접촉에 더욱 근사함을 밝혔다.
가정 하였다. Fig. 2 에 보인 바와 같이 두 표면의 접 촉을 하나의 등가표면(equivalent surface) 와 강체인 반무한 평면(semi-infjnite plane)과의 접촉으로 가정하고 둥가표면은 두 표면의 합으로 계산하였다. 표면을 일정 스프링 상수의 Winkler 스프링으로 가정하면 접촉에 의한 변형량과 접촉 압력은 다음과 같은 관계를 가진다.
본 논문에서는 거친 표면의 미세 탄성 접촉 해석을 위해 Winkler 스프링 모델(攻围을 이용하여 미세 접촉 모델을 제안하였으며 두 표면 사이에 작용하는 표면력에 의한 표면의 변형은 무시하였으며 반데르발스힘은 접촉영역 밖에서만 작용한다고 가정 하였다. Fig.

제안 방법

Lee 등('기은돌기들의 탄성변형을 고려한 3차원 해석방법을 발표하였으며 Tian 등3)은 변분법을 이용하여 거친 표면의 접촉을 수치적으로 해석하였다. Chizhik 등㈣은 반데르발스힘을 고려하여 분자 스케일의 표면 거칠기의 영향에 대해 관찰하였다. Maboudian 등。)에 의하면 메니스커스에 의한 모세관력이 표면에서 가장 크게 작용하며 Tian 등(”)은 이러한 모세관력으로 인해 HDD(hard disk drive) 저장 매체의 헤드와 디스크 사이에 발생하는 스틱션에 대해 관찰하였다.
접촉 해석 모델은 Winkler 스프링 모델을 사용하였으며 제안된 모델을 이용하여 거친 표면의 미세접촉 해석에 사용될 수 있음을 보였다. 상대습도, 젖음각과 표면의 변형량에 따른 표면력의 변화를 관찰하기 위해, 마이크로 시스템의 섭동부 표면에 적용될 수 있는 DLC 박막 코팅의 AFM 표면 데이터를 이용하여 등가표면을 구한 후 모세관력과 반데르발스힘을 고려한 미세 접촉해석을 실시하였다. 두 미세 표면이 하중이 부가되지 않은 상태에서 접촉을 했을 경우, 젖음각이 작은 친수성의 표면은 습도가 높을 때 습도에 의한 모세관력이 반데르발스힘에 비해 월등히 지배적이다.
습도에서 40, 60 그리고 80。의 젖음각을 갖는 DLC 박막 표면에 대해 해석을 실시하였다. Fig.
된다. 이러한 두 표면 사이의 거리의 변화에 따른 표면력의 변화를 관찰하기 위해 50%의 일정한 습도 조건에서 젖음각이 40, 60 그리고 80° 인 표면에 대해 표면의 변형량을 0에서 120nm 로 변화시키며 표면력의 변화를 관찰하였다. Fig.
제안된 해석 방법을 이용하여 구와 평면의 접촉해석과 마이크로 시스템의 표면에 적용하기 위해 표면의 기계적 특성과 거칠기 톡성이 동일한 두개의 DLC 박막 코팅이 서로 접촉하였을 경우에 대하여, 상대습도, 표면의 젖음각 그리고 변형량에 따른 표면력의 변화를 관찰하였다. 본 해석예 사용된 표면은 AFM 예서 실제 측정된 것으로 DLC 코팅의 표면 형상은 Kim 등泌)에 의해 제안된 방법 으로 제 작된 30 nm 의 곡률 반경 을 가지는 텅 스텐 팁을 이용하여 탭핑모드(tapping mode)로 측정하였다.

이론/모형

표면력의 변화를 관찰하였다. 본 해석예 사용된 표면은 AFM 예서 실제 측정된 것으로 DLC 코팅의 표면 형상은 Kim 등泌)에 의해 제안된 방법 으로 제 작된 30 nm 의 곡률 반경 을 가지는 텅 스텐 팁을 이용하여 탭핑모드(tapping mode)로 측정하였다. Fig.
접촉 해석 모델은 Winkler 스프링 모델을 사용하였으며 제안된 모델을 이용하여 거친 표면의 미세접촉 해석에 사용될 수 있음을 보였다. 상대습도, 젖음각과 표면의 변형량에 따른 표면력의 변화를 관찰하기 위해, 마이크로 시스템의 섭동부 표면에 적용될 수 있는 DLC 박막 코팅의 AFM 표면 데이터를 이용하여 등가표면을 구한 후 모세관력과 반데르발스힘을 고려한 미세 접촉해석을 실시하였다.

성능/효과

(心)마이크로 시스템의 접촉부에는 재래의 기계시스템에 사용되고 있는 유체윤활제를 활용한 윤활기술을 적용하기 어려우며 매크로 시스템에서는 고려되지 않았던 두 표면 사이에 작용하는 표면력(surface force)이 작용하여 스틱션(stiction) 과 같은 현상이 일으키거나 접촉조건을 더욱 가혹하게 한다.(3) 시스템의 크기가 마이크로스케일로 줄어들면 체적에 대한 표면의 비가 1000배로 증가하게 되어 표면력의 영향을 고려하여야만 하며 표면의 기계적 물성뿐 아니라 표면의 화학적 특성인 표면에너지(surface energy)와 대기의 상대습도와 같은 환경적 요소에 의해 표면 사이에 작용하는 반데르발스힘(vander W예s force), 모세관력(capillary force)와 같은 표면력이 시스템 전체에 큰 영향을 미치게 된다.(")따라서 마이크로 시스템의 신뢰성과 수명 향상을 위해서는 반데르발스힘과 모세관력과 같은 표면력을 고려한 마이크로스케일에서의 접촉을 정확히 규명할 필요가 있다.
이론但에 의해 소개되었다. JKR 이론에서 점착력은 두 물체의 접촉 영역내의 표면에서만 존재하며 이러한 점착력에 의한 표면 변형을 가정하고 해석하여 점착력을 고려하지 않은 헤르쯔(Hertz)접촉 이론의 결과와 비교하였으며 JKR 이론에 의한 해석결과와 연한 재료에 대한 실험결과가 일치하고 있음을 보였다. 이와 달리 DMT 이론。)은 점착력이 접촉영역 외부에서만 작용하며 점착력에 의한 변형은 고려하지 않고 헤르쯔 이론에서와 같은 변형을 한다고 가정하였다.
이것은 친수성의 표면에서는 메니스커스가 넓은 범위에서 형성되고 메니스커스 내에서는 반데르발스힘이 작용하지 않기 때문으로 보이며 소수성인 표면의 경우 두 표면 사이의 거리는 가까우나 메니스커스가 넓은 영역에 형성되지 않음으로 인해 큰 반데르발스힘이 작용하는 것으로 판단된다. 따라서 일정습도에서 표면사이의 거리가 근접할 경우 친수성인 표면에서는 메니스커스의 형성으로 모세관력이 크게 작용하나 소수성의 표면에서는 반데르발스힘에 의해 점착력이 급격히 증가할 수 있음을 확인할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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