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문제 정의
- 본 연구에서는 설치가 복잡하고 변형 상황의 실시간 (in-situ) 관찰이 곤란한 시스템 시험기, 시험편과 시험기의 일체화 제한 조건으로 인해 다양한 재료의 물성 시험에 적용하기 어려운 LOC 시험기 및 정량적인 하중 측정이 어려운 MEMS 시험기 들의 단점들을 보완하여 박막 재료를 포함한 소형 구조물의 기계적 물성 값을 측정할 수 있는 소형 박막 재료 시험기를 개발하는데 그 목적을 두고 있다. 또한 제작된 시험기의 유용성을 검증해 보기 위해 다결정 실리콘 (polycrystalline silicon) 박막 시험편을 제작하여 대기 환경에서 인장 시험을 수행한 다음 일반적인 주사전자현미경 (scanning electron microscope) 챔버 (chamber) 내에 설치하여 동일한 시험을 반복 수행하였다.
제안 방법
- 하중계 용량을 쉽게 바꿀 수 있고, 선형성이 우수하다. 개발된 시험기를 이용하여 대기 환경과 주사전자현미경 내에서 다결정실리콘 박막 시험편에 대한 인장 시험을 수행하였다. 대기 환경에서는 두 가지 시험기 모두 사용이 가능했으며 탄성계수는 대략 154±4 GPa 로 측정 되었다.
- 고가의 압전 작동기를 대체하기 위하여 주변에서 쉽게 구할 수 있는 전자석 (electromagnet)을재료 시험기용 작동기로 활용하였다. 이를 Fig.
- 다양한 방식의 상용 하중계를 이용하여 시험해본 결과 선형성 (linearity), 안정성 (stability) 및 이력현상 (hysteresis) 즉면에서 가장 우수한 특성을 보이는 변형률 게이지 (strain gage) 방식의 초소형 하중계를 선택하였다. 이 하중계의 실제 사진과 특징을 정 리하여 Fig.
- 4,5 이외에도 정밀 저울(balance)을 개량한 시험기6와 원자 현미경(atomic force microscope)을 이용한 측정 예 7 등 상당히 많은 연구가 행해져 왔다. 둘째로, MEMS 제작 공정을 활용하여 시험기와 시험편을 일체화시켜 시험을 수행하는 LOC(Lab On a Chip) 방법으로서 Haque 와 Saif8,9는 이를 이용하여 수십 나노미터 두께의 알루미늄 시험편에 대한 물성 시험을 수행하기에 이르렀다. 마지막으로 MEMS 시험기에 박막 시험편을 집속이온빔(focused ion beam) 등을 활용하여 직접 증착하여 시험하는 Isono 등의 연구가 있다.
- 만족시키기 어렵다. 따라서 0.2 N 용량의 하중계를 선형 탄성 유한요소해석을 통해 설계하고 8 장의 120 Q 변형률 게이지를 굽힘 형식으로 부착하여 하중계를 직접 제작하였다. 이에 대한 모델과 실제 모습, 그리고 F1 급 표준분동을 이용한 정적 특성 평가 결과를 Fig.
- 시험기는 하중계 (load cell; ③), 압전 작동기 (piezoelectric actuator; ®), 하중계 및 작동기 측 그립 (grip; ®, ®) 및 작동기 측 하중 선 (load line) 정 렬 장치 (aligner; ⑦, ⑧)로구성되어 있다. 또한 그림과 같이 수직 방향뿐만 아니라 수평 방향 및 도립형 (inverted)으로도설치가 가능하도록 여러 방향으로 고정 구멍들 (fixing holes; ⑨)을 가공해 두었다.
- 있다. 또한 제작된 시험기의 유용성을 검증해 보기 위해 다결정 실리콘 (polycrystalline silicon) 박막 시험편을 제작하여 대기 환경에서 인장 시험을 수행한 다음 일반적인 주사전자현미경 (scanning electron microscope) 챔버 (chamber) 내에 설치하여 동일한 시험을 반복 수행하였다.
- 먼저 소형 시험기의 구동 장치로서 널리 사용되고 있는 상용 압전형 (piezoelectric type) 작동기를 이용하였다. 압전 작동기의 경우 분해능이 우수하지만 이동 거리 (travel)가 짧기 , 때문에 변 위증 폭식 압전 작동기 (amplified piezoelectric actuator) 를 이용하였다.
- 본 연구를 통해 두 가지 방식의 소형 재료 시험기를 개발하였다. 시험기는 폭 62 mm, 깊이 20 mm, 높이 90-120 mm 의 크기로 일반적인 전자 현미경에 설치할 수 있다.
- Norton2 은 그의 저서에서 일반적인 기계 구조물의 설계에 있어서 가장 기초적인 시험으로 인장시험 (tensile test)을 들고 있다. 설계자는 이 시험으로부터 얻어진 탄성계수, 항복강도, 인장강도 등을 이용하여 구조물을 설계할 수 있게 된다. 박막에 대한 인장 시험은 응력-변형률 곡선으로부터 기초적인 기계 물성값을 직접적으로 얻을 수 있다는 큰 장점이 있으나, 거시적 (bulk)인 시험과 달리 시험편 제작, 작동기와 시험편 연결 (gripping), 하중 및 변형률 측정에 있어서 상당한 어려움이 따르고 있다.
- 1에 나타내었다. 시험기 전체 크기는 보편적으로 널리 사용되는 상용 주사전자현미경에서도 사용할 수 있도록 폭 62 mm, 깊이 20 mm 로 하였으며, 높이는 2개의 강 봉 (steel rod) 기둥 (column; ①)에 의해 안내되는 크로스 헤드 (cross head; ②)를 이용하여 90-120 mm 까지 조절이 가능하도록 하였다. 시험기는 하중계 (load cell; ③), 압전 작동기 (piezoelectric actuator; ®), 하중계 및 작동기 측 그립 (grip; ®, ®) 및 작동기 측 하중 선 (load line) 정 렬 장치 (aligner; ⑦, ⑧)로구성되어 있다.
- 이용하였다. 압전 작동기의 경우 분해능이 우수하지만 이동 거리 (travel)가 짧기 , 때문에 변 위증 폭식 압전 작동기 (amplified piezoelectric actuator) 를 이용하였다. 이 작동기와 그 주요 특성을 Fig.
- 이를 위한 사전 단계로 앞 절에서와 같은 인장 시험을 동일한 시험편을 이용하여 주사전자현미경 내에서 수행하였다. 전자현미경 내에서는 전자기가 전자빔에 영향을 크게 주기 때문에 압전 작동기를 이용한 시험기만을 이용하였다.
- 따라서 이들 시험편에 작동기를 일렬로 정렬하기 위해서는 필요에 따라 다이를 이동시켜야 한다. 이를 위해 두 가지 방식의 하중계 측 그립 (⑤)을 고안하였다. 먼저 Fig.
- 정렬 장치의 중앙에 작동기를 끼우고 각 정렬이 필요할 경우 그림에 보이는 볼트를 조정하여 작동기의 각을 변화시키는 방식이다. 이상에서 열거된 장치들을 이용하여 세 방향의 위치(X, y, z) 정렬과 각(Q, 0y, Q) 정렬이 가능화게 하였다. 이 각 정렬 장치는 공간 제약 문제로 전자석 방식에는 적용하지 못하였다.
- 14(b)와 같이 연결한다. 이후 작동기에 가해주는 전압을 증가시켜 하중을 인가하면서 변위를 측정하여 응력-변형률 선도를 얻어 탄성계수를 구한다.
- 일차적으로 실험이 용이한 실온 대기 환경에서 인장 시험을 수행하였다.
- 5(a)에 보였다. 콜릿 그립의 하단에 강재 (steel mass)를 부착하고 이를 2 장의 판 스프링 (leaf springs)으로 고정하여 직진 운동을 하도록 유도하였다. 참고적으로 실제 사용한 전자석과 그 주요사양을 Fig.
대상 데이터
- 3.1.1 절과 동일한 공정을 통해 제작된 두께 3.5 μm, 폭 20 μm 의 시험편을 사용하였다. 이 경우 ISDG 와 같은 변위 측정 방법을 적용하기 어렵기 때문에 Fig.
- 개발된 시험기의 활용성을 검증해 보기 위해 MEMS 용 박막 재료로서 널리 사용되고 있는 다결정 실리콘 시험편을 이용하여 인장 시험을 수행하였다.
- 10(b)와같이 2개의 금선 (gold markers)을 증착하였다. 금 선은 길이 50 μm, 높이 0.5 μm, 폭 10 μm 로 하였으며 간격은 250 μm 로 하였다. 이 간격이 변형률 측정 시 표점 거리 역할을 하게 된다'
- 한다. 본 연구에서는 140 p.m 직경의 탄화규소 선 (SiC wire)을 작동기와 시험편 연결에 활용하였다. 이를 위해 Fig.
- 9 에 나타내었다. 시험기 본체의 대부분은 통전성이 우수하고 가벼운 알루미늄합금으로 제작되었다.
- 개발하였다. 시험기는 폭 62 mm, 깊이 20 mm, 높이 90-120 mm 의 크기로 일반적인 전자 현미경에 설치할 수 있다. 시험기에는 새롭게 고안된 여러가지 그립과 고정 장치들을 구비하고 있어 사용이 편리하다.
- 시험편은 두께가 3.5 pm, 폭이 50 gm, 시험 부 길이 (length of test section) 1 mm 인 다결정 실리콘으로서 미국 MEMScAP 사의 PolyMUMPs (PolySi Multi-User MEMS Processes) 공정 ”을 이용하여 제작하였다. 제작된 시험편을 Fig.
- 10(a)에 나타내었다. 일 회의 공정으로 다수의 시험편을 확보하기 위하여 5 mm X 5 mm 의 다이에 5개의 시험편을 배치하였다. 이 시험편들 중 하나를 확대하여 Fig.
이론/모형
- 따라서 하중계, 하중계즉 그립, 시험편, 작동기측 그립 및 작동기에 이르는 하중 선을 일렬로 정렬할 수 있는 정렬 장치가 필요하다. 먼저 하중계 측에는 시험편과의 면외 (out-of-plane) 정렬을 위해 본 시험기에 적합하도록 제작된 소형스테이지 (Z-stage; ⑦)를 이용하였다. 다음으로 작동기 측과 시험편의 각 정렬 (tilting alignment)을위해 Fig.
- 시험기 개발 과정에서 시행오차를 줄이기 위해 3D 모델러 (modeler)의 일종인 CATIA®11 소프트웨어를 활용하였다. 이를 이용하여 작성한 시험기 전체 모델을 Fig.
성능/효과
- 그러나 제하 (unloading) 시에는 양 즉 모두 흩어짐이 적고 선형적 (linear)인 거동을 보이고 있다. 상용 하중계와 압전 작동기를 이용한 시험기를 사용하여 9 회의 가중 및 제하 과정을 통해 제하 시 얻어진 탄성계수를 통계 처리한 결과 약 154 ± 4 GPa (평균 士 표준편차)로 평가되었다. 이 값은 많은 시험 결과에 의거한 다결정 실리콘 박막 재료에 대한 핸드북 데이터 "와 유사함을 알 수 있다.
- 대기 환경에서는 두 가지 시험기 모두 사용이 가능했으며 탄성계수는 대략 154±4 GPa 로 측정 되었다. 주사전자현미경 내에서는 압전 작동기 방식만 적용 가능하며 인장 시험 결과 정확한 탄성계수 값을 얻지는 못했으나 부하에 따른 변형량을 관찰할 수 있었다. 본 시험기는 박막뿐만 아니라 소형 구조물의 인장, 압축 및 피로 시험에도 적용 가능하다.
- 하지만 본 연구를 통해 개발된 시험기는 주사전자현미경 내에서도 별 무리 없이 실험할 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 도입이 필요하다고 생각된다. 마이크로 버니어 게이지 ‘8는 대기 환경에서 0.2 “m 의 변위 분해능을 가지고 있으므로 이를 디지털 화상 상관법 (digital image correlation)과 결합하여 본 실험에 적용하면 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 이에 대한 실험은 향후 진행할 예정이다.
- 주사전자현미경 내에서는 압전 작동기 방식만 적용 가능하며 인장 시험 결과 정확한 탄성계수 값을 얻지는 못했으나 부하에 따른 변형량을 관찰할 수 있었다. 본 시험기는 박막뿐만 아니라 소형 구조물의 인장, 압축 및 피로 시험에도 적용 가능하다.
- 2 “m 의 변위 분해능을 가지고 있으므로 이를 디지털 화상 상관법 (digital image correlation)과 결합하여 본 실험에 적용하면 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 이에 대한 실험은 향후 진행할 예정이다.
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