[논문]표면 거칠기가 나노 응착력에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

양승호

doi:10.9725/kstle.2005.21.1.001

[국내논문] 표면 거칠기가 나노 응착력에 미치는 영향에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Effect of Surface Roughness on Nanoscale Adhesion 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.21 no.1, 2005년, pp.1 - 7

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Effect of Surface roughness on nanoscale adhesion was studied experimentally by using colloidal probe technique. Glass micro balls having the radius of $3.3\~17.4{\mu}m$ were glued at the end of AFM cantilevers to prepare colloidal probes. Adhesion force between the colloidal probe and Si-wafer was measured using pull-off force measuring method. Results showed that the measured adhesion forces are not the function of the radius of the glued balls because the ball surfaces are rough. It is also found that roughness parameters such as $R_a,\;R_q\;and\;R_{max}$ do not have important role on nanoscale adhesion. In order to find the effect of surface roughness on nanoscale adhesion, the bearing areas were extracted from the measured topography of glued balls. After normalizing the measured adhesion force with the bearing area, it was found that the normalized adhesion force kept constant as function of the radius of glued ball.

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문제 정의

본 연구에서는 나노스케일의 표면 거칠기가 나노 응착력에 미치는 영향을 정량적으로 실험하였다. 이를 위하여 서로 다른 반경을 가진 마이크로로 볼을 부착한 colloidal probe를 제작한 후 이를 사용하여 AFM으로 응착력을 측정하였다.
본 연구에서는 Glass 마이크로 볼을 사용하여 제작한 colloidal probe와 실리콘웨이퍼간의 응착력에 관한 연구를 통하여 다음과 같은 결론들을 도출할 수 있었다.

가설 설정

따라서 응착력 측정 결과를 비교하려면 단위 면적당의 응착력을 비교해야하며 따라서 실제 접촉면적으로 측정된 응착력을 normalization해야 하는 것이다. 즉, 이를 정확히 계산하려면 정확한 실 접촉면적을 알아야 하지만 이는 불가능하기 때문에 본 연구에서는 rough ball-on-smooth plate 접촉으로 가정 후 ball의 3차원 표면형상으로부터 추출한 bearing area[14]를 사용하였다.

제안 방법

응착력에 미치는 정전기력의 영향을 배제시키기 위하여 실리콘 웨이퍼는 통전성 페이스트(Three Bond, CNX-005X 사용하여 접지시켰고, Capillary력의 영향을 배제시키기 위하여 Fig. 2와 같이 챔버로 AFM을 덮은 후 dry air(RH를 불어넣은 후 챔버 안의 상대 습도가 3%에서 안정적으로 유지될 때 측정을 실시하였다.
본 연구에서는 나노스케일의 표면 거칠기가 나노 응착력에 미치는 영향을 정량적으로 실험하였다. 이를 위하여 서로 다른 반경을 가진 마이크로로 볼을 부착한 colloidal probe를 제작한 후 이를 사용하여 AFM으로 응착력을 측정하였다. 또한 표면 거칠기가 응착력에 미치는 영향을 알아보기 위하여 마이크로 볼을 AFM cantilever에 붙인 후 그 실제 접촉면의 표면형상을 AFM으로 측정하였으며 이로부터 접촉면적에 관한 정보를 추출하여 이를 측정된 응착력 데이터의 분석에 사용하였다.
이를 위하여 서로 다른 반경을 가진 마이크로로 볼을 부착한 colloidal probe를 제작한 후 이를 사용하여 AFM으로 응착력을 측정하였다. 또한 표면 거칠기가 응착력에 미치는 영향을 알아보기 위하여 마이크로 볼을 AFM cantilever에 붙인 후 그 실제 접촉면의 표면형상을 AFM으로 측정하였으며 이로부터 접촉면적에 관한 정보를 추출하여 이를 측정된 응착력 데이터의 분석에 사용하였다.
본 연구에서는 colloidal probe와 실리콘 웨이퍼간의 응착력을 AFM을 사용하여 측정하였다.
또한 각각의 응착력 실험 후 실리콘 웨이퍼의 표면 형상을 siHcon nitride AFM 팁(Veeco, NPS)으로 측정하였으며 colloidal probe의 실제 접촉부의 형상을 Fig. 3에 나타낸 바와 같은 방법으로 측정하였다. 이때 하부 cantilever를 붙인 시편 흘더의 기울기는 실제 AFM cantilever를 AFM cantilever holder에 장착한 후에 그 cantilever가 holder의 수평위치에서 아래로 기울어진 각을 광학 현미경으로 촬영하여 그 값을 사용하였으며 본 연구에서는 10.
AFM cantilever들의 z방향 stiffness는 Cleveland의 method[10]를 사용하여 calibration하였다. 먼저 부가질량을 가하기 전에 AFM cantilever의 공진주파수를 측정한 후 그 크기가 다른 glass 마이크로 볼(NIST, standard reference material, 1003b)을 AFM cantilever의 끝에 붙인 후 변화된 공진 주파수를 측정하였다. 각각의 경우 부가된 질량은 각각의 glass 마이크로 볼의 직경을 광학 현미경으로 측정하여 그 부피를 구하고 이를 밀도와 곱하여 계산하였다.
먼저 부가질량을 가하기 전에 AFM cantilever의 공진주파수를 측정한 후 그 크기가 다른 glass 마이크로 볼(NIST, standard reference material, 1003b)을 AFM cantilever의 끝에 붙인 후 변화된 공진 주파수를 측정하였다. 각각의 경우 부가된 질량은 각각의 glass 마이크로 볼의 직경을 광학 현미경으로 측정하여 그 부피를 구하고 이를 밀도와 곱하여 계산하였다.
Z방향의 bending stiffness calibration을 완료한 후 여러가지 크기의 glass 마이크로 볼을 그 cantilever들에 붙여 colloidal probe들을 제작하였으며 이를 Table 1에 정리하였다.
이러한 나노표면 거칠기가 응착력에 미치는 영향을 알아보기 위하여 각각의 colloidal probe별로 측정된 응착력을 각 colloidal probe 접촉부의 R(평균거칠기), Rq(제곱근평균 거칠기) 및 R, , Rmax(peak to valleya칠기)에 대하여 나타낸 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 이로 부터 알 수 있는바와 같이 이러한 거칠기 parameter 들도 실제 응착력과 큰 연관성이 없다는 결과를 알 수 있었다.

대상 데이터

시편인 실리콘 웨이퍼(Si, (100))와 coUoidal probe는 순도 99.9%의 에탄올에서 각각 1분간 초음파 세척한 후 각각 1분간 플라즈마 클리너 (Harrick Plasma Cleaner, PDC-001)를 사용하여 최종 클리닝한 후 응착력 실험에 사용하였다. Colloidal probe를 제작하기 위하여 사용된 AFM cantilever의 z방향 bending stiffness는 glass 마이크로 볼을 AFM cantilever 붙이기 전에 Cleveland method] 1이를 사용하여 calibration하였다.

이론/모형

9%의 에탄올에서 각각 1분간 초음파 세척한 후 각각 1분간 플라즈마 클리너 (Harrick Plasma Cleaner, PDC-001)를 사용하여 최종 클리닝한 후 응착력 실험에 사용하였다. Colloidal probe를 제작하기 위하여 사용된 AFM cantilever의 z방향 bending stiffness는 glass 마이크로 볼을 AFM cantilever 붙이기 전에 Cleveland method] 1이를 사용하여 calibration하였다.
각각의 colloidal probe별 응착력 즉정에는 Veeco사의 AFM(multimode IUa)을 사용하였으며 응착력은 힘거리 즉정 (force-distance measurement)법을 사용하여 20 nN의 수직하중 하에서 20nm/sec의 속도에서 최대 pull-off force> 측정한 후 이를 응착력으로 사용하였다.
AFM cantilever들의 z방향 stiffness는 Cleveland의 method[10]를 사용하여 calibration하였다. 먼저 부가질량을 가하기 전에 AFM cantilever의 공진주파수를 측정한 후 그 크기가 다른 glass 마이크로 볼(NIST, standard reference material, 1003b)을 AFM cantilever의 끝에 붙인 후 변화된 공진 주파수를 측정하였다.

성능/효과

4에 나타내었다. 이로부터 알 수 있듯이 colloidal probeS- 제작하는데 사용된 glass 마이크로 볼의 반경은 본 논문의 경우 측정된 응착력과 큰 연관성을 보이지 않았다.
5(a)에 나타내었다. 또한 응착력 측정이 끝난 colloidal probe의 표면을 Fig. 3과 같은 방법으로 측정해본 결과 각각의 glass 마이크로 볼마다 그 표면 거칠기가 실리콘웨이퍼보다 수십 배 이상 크다는 것을 알 수 있었으며 또 각 마이크로 볼 별로 그 거칠기가 다르다는 것을 알 수 있었다. Colloidal probe의 대표적 표면 형상을 Fig.
이상의 결과들로부터 다음의 두 가지 사실을 실험적으로 확인할 수 있었다. 첫째, 접촉표면이 거친 경우 고전적인 JKR 및 DMT모델로는 실제 응착력을 예측 할 수 없다는 것이다. 또한 Rq 및 Rg도 실제 측정된 응착력과 큰 연관성이 없다는 결론을 얻을 수 있었다.
첫째, 접촉표면이 거친 경우 고전적인 JKR 및 DMT모델로는 실제 응착력을 예측 할 수 없다는 것이다. 또한 Rq 및 Rg도 실제 측정된 응착력과 큰 연관성이 없다는 결론을 얻을 수 있었다. 서론에서 제시한 바와 같이 응착력은 van der Waals력과 같이 표면간의 상호작용에 의하여 나타난다.
7에 도시하였다. 이로 부터 알 수 있듯이 측정된 응착력은, 본 연구의 경우, 가해준 하중에 관계없이 일정한 값을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
이로부터 본 연구의 실험조건에서는 하중을 가해준 상태에서의 실 접촉면적은 측정된 응착력의 값과 큰 연관성이 없다는 결과가 도출되었다. 따라서 가해준 하중이 완전히 제거된 상태에서 접촉표면에 탄성변형을 일으키는 힘은 바로 응착력이며 측정된 응착력만이 수직하중으로 가해진 경우 탄성변형이론을 사용하여 Fig.
따라서 이를 토대로 각각의 측정된 응착력을, 상술한 방법으로 계산한 bearing area로 normalization한 결과 Fig. 10과 같은 결과를 얻을 수 있었으며 이로부터 접촉면적으로 normalize된 응착력은 colloidal probe제작에 사용된 마이크로 볼의 반경에 관계없이 일정한 값을 가짐을 알 수 있었다.
1. 응착력 실험결과에서 colloidal probe의 반경은 그 표면이 거친 경우 응착력과 큰 관계가 없음을 알 수 있었다.
2. Ra, & 및 Rgx와 같은 거칠기 parameter들은 측정된 응착력 값과 큰 연관성을 발견할 수 없었다.
3. 탄성 변형 조건을 가정하여 계산한 bearing area 를 colloidal probe의 팁 반경에 대하여 도시한 결과 응착력 측정값의 경우와 유사한 결과를 얻을 수 있었으며 이를 사용하여 측정된 응착력 값을 normalization 한 결과 colloidal probe의 반경에 관계없이 일정한 값을 가짐을 알 수 있었다.

후속연구

JKR[12]과 DMT[13]에서는 탄성 변형과 표면력을 모두 고려하여 두 atomically smooth 고체 표면간의 접촉 시 나타나는 응착력을 예측하는 모델을 발표하였다. 따라서 colloidal probe를 제작하는데 사용된 glass 마이크로 볼의 표면이 충분히 smooth하다면 JKR 또는 DMT모델을 사용하여 측정된 응착력 데이터를 설명할 수 있게 될 것이다.

참고문헌 (14)

Israelachvili, J.N. and Tabor, D., 'The measurement of van der Waals dispersion forces in the range 1.5 to 130 nm,' Proceedings of the Royal Society of London, Series A, Vol. 331, Issue 1584, pp. 19-38, 1972
Derjaguin, B.V., Aleinikova, I.N. and Toporov, Yu. P., 'On the role of electrostatic forces in the adhesion of polymer particles to solid surfaces,' Progress in Surface Science, Vol. 45, Issues 1-4, pp. 119-123, 1994

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Fisher, L.R. and Israelachvili, J.N., 'Direct measurement of the effect of meniscus forces on adhesion: A study of the applicability of macroscopic thermodynamics to microscopic liquid interfaces,' Colloids and Surfaces, Vol. 3, Issue 4, pp. 303-319, 1981

상세보기
Podczeck F., Newton, J.M. and James, M.B, 'Adhesion and friction between powders and polymer or aluminium surfaces determined by a centrifuge technique,' Powder Technology, Vol. 83, pp. 201-209, 1995

상세보기
Drummond, C. and Israelachvili, J., 'Surface forces and wettability,' Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol. 33, Issues 1-3, pp. 123-133, 2002

상세보기
Mugele, F., Becker, T., Klingner, A. and Salmeron, M., 'Two-dimensional observation of drainage and layering transitions in confined liquids,' Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 206, Issues 1-3, pp. 105-113, 2002

상세보기
Atkins, D., Kekicheff, P. and Spalla, O., 'Adhesion between Colloidal Silica as Seen with Direct Force Measurement,' Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 188, Issue 1, pp. 234-237, 1997

상세보기
Bhushan, B., 'Nanoscale tribophysics and tribomechanics,' Wear, Vol. 225-229, Part 1, pp. 465-492, 1999

상세보기
Giesbers, M., Kleijn, J.M. Fleer, G. J. and Cohen Stuart, M. A., 'Forces between polymer-covered surfaces: a colloidal probe study,' Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 142, Issues 2-3, pp. 343-353, 1998

상세보기
Cleveland, J. and Manne, S., 'A nondestructive method for determining the spring constant of cantilevers for scanning force microscopy,' Rev. Sci. Instrum., Vol. 64, No. 2, pp. 403-405, 1993

상세보기
Bradley, R.S., 'The cohesive force between solid furfaces and the surface energy of solids,' Phil. Mag., Vol. 13, pp. 853-862, 1932

상세보기
Johnson, K.L., Kendall, K. and Roberts, A.D., 'Surface energy and the contact of elastic solids,' Proc. R. Soc., London, Ser. A, Vol. 324, pp. 301-313, 1971
Derjaguin, B.V., Muller, V.M. and Toporov, Y.P., 'Effect of contact deformations on the adhesion of particles,' J. Coll. Interface Sci., Vol. 67, pp. 314-326, 1975
Abbot, E.J and Firestone, F.A., 'Specifying surface quality,' Mech. Eng., Vol. 55, pp. 569-572, 1993

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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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