[논문]마이크로 표면돌기의 응착력과 마찰력

조성산; 임제성; 박승호; 이승섭

doi:10.3795/ksme-a.2004.28.8.1087

[국내논문] 마이크로 표면돌기의 응착력과 마찰력
Adhesion and Friction Forces of Micro Surface Bumps 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.28 no.8 = no.227, 2004년, pp.1087 - 1092

조성산 (홍익대학교 기계 시스템디자인공학과) , 임제성 (홍익대학교 대학원) , 박승호 (홍익대학교 기계 시스템디자인공학과) , 이승섭 (한국과학기술원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Adhesion and friction forces influence adversely on performance and durability of MEMS. It has been reported that the adhesion and friction forces can be reduced with the introduction of micro surface bumps into the contacting interfaces. In this study experiments were conducted to investigate comparatively the effect of hemispherical and torus micro bumps on the adhesion and friction forces. It is confirmed that micro bumps reduce the adhesion and friction forces, and their effect is more pronounced with the bumps of smaller outer boundary radius. Moreover, the results shows that the torus bumps exhibit more rapid decrease of the adhesion and friction forces with the decrease in the outer boundary radius of bump than the hemispherical bumps. When the magnitude of adhesion force is same, the torus bumps generate smaller friction force than the hemispherical bumps. The usage of hemispherical and torus bumps to reduce the adhesion and friction forces in MEMS is discussed.

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문제 정의

그러나 두 종류 돌기의 응착 및 마찰 특성의 차이에 대한 비교 연구는 거의 발표되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 반구 및 환상 고리형 마이크로 돌기를 대상으로 돌기의 높이가 동일할 때 돌기의 최외곽 반경 및 환상고리형 돌기의 폭 변화에 따른 응착력 및 마찰력의 변화를 측정하고, 두 돌기의 응착력 및 마찰력 저감특성을 비교 분석하였다.

제안 방법

1은 실험에서 사용된 웨이퍼 상에 성형된 반구(좌측) 및 환상고리형(우측) 돌기의 모습과 돌기의 크기를 정의하는데 사용된 기호를 보여준다. 반구형 돌기는 웨이퍼 상에서 돌기가 차지하는 원형 영역의 반경 R이 다른 4종류(R=20, 40, 80, 120/zm), 그리고 환상고리형 돌기 는 고리 반경 日이 10(mm로 동일하면서 돌기의 폭 w가 다른 4종류(w=20, 40, 60, 80;zm)를 제작하였다. 돌기의 높이 h는 모두 18-2%m 범위로 유지하였다.
그러나 돌기의 높이 h가 일정할 때, 반구형 돌기의 日이 증가하거나 환상고리형 돌기의 w가 증가하면 p도 전반적으로 증가한다. 응착 및 마찰실험에서 접촉의 안정성을 확보하고 동시에 실험결과의 신뢰성을 향상시키기 위해 하나의 시편에 100개의 돌기를 정사각형(4mmx4mm) 영역에 등간격으로 배치하였다.
따라서, 분리과정에서 외팔보 끝단의 변위를 레이저로 측정하면 응착력을 산출할 수 있다. 실험은 상대습도를 50% 내외로 유지한 상태에서 돌기 하나에 작용하는 접촉력이 80nN이 되도록 두 웨이퍼를 밀착시킨 후, 아래쪽 웨이퍼를 50“m/s의 속도로 이동하여 두 웨이퍼를 분리시키면서 외팔보 끝단의 수직 변위를 레이져 변위측정기로 측정하여 응착력을 산출하는 방법으로 수행하였다. 각 돌기별로 동일한 실험을 6회 이상 반복하였다.
아래쪽 웨이퍼를 외팔보에 수직한 방향으로 수평이동시 킬 때 위쪽 웨이퍼의 볼이 외팔보의 끝단과 접촉해 있으므로두 웨이퍼 사이에 작용하는 마찰력이 외팔보의 끝단에 전달되어 외팔보의 굽힘변형 이 발생한다. 외팔보 끝단의 굽힘변위를 레이져로 측정하여 두 웨이퍼 사이에 작용하는 마찰력을 산출한다. 실험은 수직접촉하중 2%N, 미끄럼 속도 77/im/s, 그리고 상대습도 50% 내외로 유지한 상태에서 수행하였다.
외팔보 끝단의 굽힘변위를 레이져로 측정하여 두 웨이퍼 사이에 작용하는 마찰력을 산출한다. 실험은 수직접촉하중 2%N, 미끄럼 속도 77/im/s, 그리고 상대습도 50% 내외로 유지한 상태에서 수행하였다. 각 돌기별로 동일한 실험을 6회 이상 반복하였다.
돌기의 높이가 동일한 상태에서 최외곽 반경이 다른 반구 및 환상고리형 마이크로 돌기의 응착력 및 마찰력을 실험적으로 측정하여 다음의 사실을 확인하였다. 접촉면에 존재하는 돌기는 응착력 및 마찰력을 현저하게 감소시킨다.

이론/모형

돌기 는 마이 크로 렌즈 제 작기법 으로 제 작하였다.(9) 실리콘 웨이퍼 위에 PMMA를 코팅한 후 돌기를 제작할 부위에 deep X-ray를 투사하고 열처리를 하면 X-ray가 투사된 부분이 부풀어 오른다.

성능/효과

반구 및 환상고리형 돌기의 실험결과를 비교하면 두 종류의 돌기 모두 돌기의 최외곽 반경이 증가하면 응착력이 증가한다. 반구형 돌기의 경우 돌기의 높이 h가 일정할 때 최외곽 반경 R이 증가하면 돌기의 곡률반경 °가 증가하며, 환상 고리형 돌기의 경우 고리반경 日과 돌기 높이 h가 일정할 때 돌기의 폭 w가 증가하면 돌기의 곡률반경 p가 증가한다.
이론적으로 추정된 환상 고리형 돌기와 반구형 돌기의 응착력을 비교하면 돌기의 최외곽 반경이 동일할 때 반구형 돌기보다 환상고리형 돌기의 응착력이 현저하게 작다. 따라서, 돌기의 최외곽 반경이 작을 때는 환상 고리형 돌기가 응착력을 감소시키는데 효과적이고, 반대로 돌기의 최외곽 반경이 클 경우에는 반구형 돌기가 효과적이다. 이 결과는 환상 고리형 돌기의 고리반경이 작은 경우에 대한 검증 실험이 필요할 것으로 판단된다.
상기의 결과를 종합하면 최외곽 반경이 작은 환상 고리형 돌기 가 MEMS에서 응착력 을 감소시키는데 효과적인 것으로 판단된다. 한편 환상 고리형 돌기는 최외곽 반경을 줄이는데 한계가 있으므로, 공간적 제 약에 의해 환상고리형 돌기 를사용할 수 없을 때 반구형 돌기를 차선책으로 선택하는 것이 바람직하다.
접촉면에 존재하는 돌기는 응착력 및 마찰력을 현저하게 감소시킨다. 반구 및 환상 고리형 돌기 모두 돌기의 최외곽 반경이 작아질수록 응착력 및 마찰력이 감소하지만, 감소율은 반구형 돌기보다 환상고리형 돌기에서 더 크다. 응착력이 동일할 때 반구형 돌기보다 환상 고리형 돌기가 더 작은 마찰력을 발생시킨다.

후속연구

따라서, 돌기의 최외곽 반경이 작을 때는 환상 고리형 돌기가 응착력을 감소시키는데 효과적이고, 반대로 돌기의 최외곽 반경이 클 경우에는 반구형 돌기가 효과적이다. 이 결과는 환상 고리형 돌기의 고리반경이 작은 경우에 대한 검증 실험이 필요할 것으로 판단된다.
이 결과는 응착력 외에도 돌기의 형상에서 기인하는 다른 요인에 의해 마찰력의 차이가 발생함을 암시한다. 그러나 본 연구의 결과만으로 다른 요인을 파악하는 것은 불가능하므로, 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

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Cho, S.-S., and Park, S., 2002, 'Finite Element Modeling of a Hemispherical Asperity Adhesively Contacting the Plane Surface of Semi-Infinite Rigid Body,' Trans. of KSME(A), Vol. 26, No. 11, pp. 2436-2441

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