[논문]이온주입 특성 개선을 위한 분자동역학적 연구

양영준; 이치우

이온주입 특성 개선을 위한 분자동역학적 연구
A Study on Molecular Dynamics Method for Improving Characteristics of Ion Implantation 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.18 no.2 = no.58, 2009년, pp.125 - 131

양영준 (진주산업대학교 자동차공학과) , 이치우 (진주산업대학교 자동차공학과)

초록
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경도, 내마모성과 내부식성 등과 같은 금속의 물리적 특성은 이온주입에 의해 인위적으로 제어되어 질 수 있다. 이온주입의 특성을 관찰하기 위하여 분자동역학법을 이용하여 이온과 표면원자사이의 상호작용에 대해 미시적인 원자.분자 스케일로 현상을 모델화하여 수치해석을 수행하였다. 본 연구는 이온주입의 특성을 개선하기 위한 수치해석 연구로써 미시적인 관점에서 이온주입의 프로세스를 관찰하고자 하였다. 이를 위해 주입이온속도에 따른 주입메카니즘과 초기표면온도, 이온분자량 등의 영향을 조사하였다. 그 결과 초기 표면원자층의 온도가 높은 경우에 주입에너지가 어느 값 이상이 되면 오히려 주입확률이 감소하며 또한 비결정질상태인 표면원자층에 대한 이온주입은 양호한 조건의 설정에 따라 더 효과적일 수 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Physical characteristics of metals such as hardness, wear-resistance and corrosion-resistance can be artificially controlled by ion implantation. The interaction between ion and solid surface was modeled in molecular scale and simulated by the molecular dynamics method in order to understand the ion implantation mechanism. From the microscopic point of view, the molecular behaviors were observed for improving characteristics of ion implantation. For these purposes, the implantation mechanism and the influences of incident energy, surface temperature and molecular weight were discussed in this study. As the results, the penetration probability was even decreased if incident energy was exceeded any values in the case of high temperature of solid surface. Moreover, it was confirmed that ion implantation into solid surface with amorphous state could be more effective for some conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이온주입 과정에서 일어나는 이온과 고체표면과의 충돌은 매우 짧은 시간에 미소영역에서 발생하며 통상적으로 분자오더에서의 확산이 문제가 된다. 따라서 본 연구에서는 각 입자의 운동을 추적할 수 있는 분자동역학법을 이용하여 이온과 표면원자와의 충돌과정을 해석하여 이온주입 과정의 분자스케일 거동과 열적현상에 관한 규명을 목적으로 한다. 이를 위해 주입이온속도(주입에너지), 초기표면원자온도, 주입이온질량(분자량)을 변화시켜 해석을 수행하였다.
본 연구는 이온주입 시 금속표면에서 일어나는 현상에 대해 분자동역학법을 이용하여 미시적인 원자･분자 스케일로 현상을 모델화하여 해석하였다. 현재의 기술로는 이온 개개의 원자･분자 스케일의 거동에 관한 실험적 연구는 불가능하다.
본 연구에서는 이온주입과정에 대해 주입이온과 표면원자의 상호작용으로 현상을 관찰하고 이를 모델화하였다. 이온주입 과정에서 일어나는 이온과 고체표면과의 충돌은 매우 짧은 시간에 미소영역에서 발생하며 통상적으로 분자오더에서의 확산이 문제가 된다.

제안 방법

주입이온속도에 따라 이온의 주입메카니즘은 변한다. 여기서는 주입이온속도가 변함으로써 주입현상이 분자레벨에서 어떻게 일어나는가에 대해 해석하였다. 주입이온의 충돌개시위치는 x=4.
즉 초기의 이온주입에 의해 비결정질상태가 된 표면에 다시 이온이 주입 되어지는 경우이다. 여기서는 초기표면원자온도 300K, 주입이온에너지 1MeV의 이온을 충돌･주입시켜 표면원자층 최상부가 비결정질상태로 된 표면에 다시 30keV, 500keV, 1000keV의 에너지를 갖는 이온을 각각 충돌시켰다. 이온주입이 되어 있지 않는 경우의 표면원자 6층 까지의 배치를 Fig.
따라서 본 연구에서는 각 입자의 운동을 추적할 수 있는 분자동역학법을 이용하여 이온과 표면원자와의 충돌과정을 해석하여 이온주입 과정의 분자스케일 거동과 열적현상에 관한 규명을 목적으로 한다. 이를 위해 주입이온속도(주입에너지), 초기표면원자온도, 주입이온질량(분자량)을 변화시켜 해석을 수행하였다.
이온주입과정에 대해 분자동역학법을 이용하여 원자･분자 스케일로 현상을 모델화하여 해석하였다. 표면원자층에 주입이온을 충돌시켜 표면원자층과 주입이온 사이에 일어나는 현상을 관찰하였으며 이를 위해 주입이온속도, 표면원자온도, 주입이온분자량을 파라메타로 변화시켜 다음과 같은 결론을 얻었다.
8은 주입이온의 분자량과 표면원자의 온도를 변화시켰을 때 주입확률을 나타낸 것이다. 주입확률의 경우에는 각 조건마다 30회씩 수행하였다. (a)는 주입이온분자량이 30.
987 으로 하였다. 표면 최하부 5층의 표면원자에 대해 운동량보정을 함으로써 계를 정지시키고 속도벡터에 의해 온도를 산출하고 이 평균온도를 표면경계온도 T_s (K)에 근접시킴으로써 온도보정을 하였다. 표면상층에 45층의 원자를 배열하고 상부에 이온을 배치하여 충돌시키는 것으로 하였다.
표면 최하부 5층의 표면원자에 대해 운동량보정을 함으로써 계를 정지시키고 속도벡터에 의해 온도를 산출하고 이 평균온도를 표면경계온도 T_s (K)에 근접시킴으로써 온도보정을 하였다. 표면상층에 45층의 원자를 배열하고 상부에 이온을 배치하여 충돌시키는 것으로 하였다. 해석조건을 [표 2]에 나타내었으며 주입에너지와 표면온도, 분자량을 변수로 설정하였다.
이온주입과정에 대해 분자동역학법을 이용하여 원자･분자 스케일로 현상을 모델화하여 해석하였다. 표면원자층에 주입이온을 충돌시켜 표면원자층과 주입이온 사이에 일어나는 현상을 관찰하였으며 이를 위해 주입이온속도, 표면원자온도, 주입이온분자량을 파라메타로 변화시켜 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

따라서 이온주입 메카니즘은 주입하는 이온의 속도에 따라 흡착, 반사, 주입의 단계가 존재하며 각기 다른 메카니즘을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 본 해석의 경우 500keV 이상부터 이온주입 현상이 일어났으며 이온주입속도를 더욱 증가시키면 표면층이 원래의 격자구조로 되돌아오지 않는 비결정질상태가 되었다.
2에 나타내었다. 표면금속은 원자를 면심입방격자상 (face-centered cubic lattice, FCC)에 50층 (900개, 격자상수 3.325Å)으로 늘어선 금속박막이며, 그 위에 주입이온을 배치하였다. 좌표는 3차원 직교좌표계이며 표면 최상부 원자의 초기위치를 z=0로 한다.

이론/모형

975Å이며 x, y 방향의 경계면은 모두 주기경계조건 (periodic boundary condition)이다. 병진운동에 대해서는 뉴튼 운동방정식(식(1))을 이용하여 입자운동을 구하였으며, 시간적분에는 leap-frog method^(9,10)을 이용하였다. 포텐셜 함수로써 모두 원자･이온 간에 Lennard - Jones(12-6)형 포텐셜(식(2))을 적용하였다.
병진운동에 대해서는 뉴튼 운동방정식(식(1))을 이용하여 입자운동을 구하였으며, 시간적분에는 leap-frog method^(9,10)을 이용하였다. 포텐셜 함수로써 모두 원자･이온 간에 Lennard - Jones(12-6)형 포텐셜(식(2))을 적용하였다. 본 해석에서 이용한 에너지 파라메타 ε, 거리 파라메타 σ의 값을 [표 1]에 나타내었다.

성능/효과

(2) 주입에너지가 증가하면 주입확률도 증가한다. 그러나 초기 표면원자층의 온도가 높은 경우에 주입에너지가 어느 값 이상이 되면 오히려 주입확률이 감소한다.
(3) 비결정질상태의 표면원자층에 이온을 주입할 때 1번째와 2번째의 이온주입 효과가 존재하나, 2번째의 이온주입 효과는 주입이온속도를 증가시킬수록 감소한다.
(4) 분자동역학법을 이용하여 이온주입현상에 관해 미시적인 원자･분자 스케일로 현상을 모델화하여 해석하는 것이 가능하다.
이것은 비결정질상태로 된 표면원자층은 표면원자 사이의 간극이 상대적으로 크기 때문에 빠른 시간 안에 주입이온이 표면원자 내부로 침입할 수 있기 때문인 것으로 판단된다. 또한 주입이온에너지를 증가시킬수록 1번째의 이온주입과 비교한 2번째의 이온주입확률의 감소폭이 더 크다는 것을 알 수 있다. 이것은 2번째의 이온과 표면원자와의 충돌로 비결정질상태는 더욱 진행하고 증발하는 표면원자도 더 늘어나 표면원자와의 상대적인 이온주입 깊이는 감소하기 때문인 것으로 예상된다.
그림 (b)에서 알 수 있는 바와 같이 3층 째까지의 표면원자의 위치가 불규칙적이고 비결정질상태로 되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 최초에 1MeV 에너지의 이온을 표면원자에 충돌시켰을 때 표면원자층 1층째의 원자가 4개 증발하는 것을 관측할 수 있었다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이온주입기술이란 무엇인가?	이온주입기술(ion implantation technology)이란 물질을 구성하고 있는 원자와 분자를 이온화하여 진공 중에서 수 keV~MeV로 전기적으로 가속시켜 고체와 박막의 표면층(수nm~μm)에 주입시킴으로써 열처리나 화학반응에서는 불가능한 온도(수만~백만도)에 상당하는 반응을 일으키게 하는 것이다(1). 초고온에 견딜 수 있는 재료를 개발하는 방법은 여러 가지가 있으며(2,3), 그 중 하나인 기존의 재질에 합금원소를 첨가하는 방법은 주조성을 열화시키기도 하고 고중량화를 초래하는 문제가 발생하기한다.
	이온(ion)을 이용하는 수법의 장점은 무엇인가?	초고온에 견딜 수 있는 재료를 개발하는 방법은 여러 가지가 있으며(2,3), 그 중 하나인 기존의 재질에 합금원소를 첨가하는 방법은 주조성을 열화시키기도 하고 고중량화를 초래하는 문제가 발생하기한다. 그러나 이온(ion)을 이용하는 수법은 재료의 표면기능 개선을 목적으로 하며, 재료와 주입하고자 하는 원소의 조합이 자유롭고 재료의 용융한도 이상으로 주입할 수 있는 이점이 있다. 이로부터 기존의 재질에서는 얻을 수 없는 재료의 개선효과가 있다.
	표면원자층과 주입이온을 충돌시켜 표면원자층과 주입이온 사이에 일어나는 현상을 관찰하고 주입이온속도, 표면원자속도, 주입이온분자량을 파라메타로 변화시킨 결과는 어떠한가?	(1) 이온주입 메카니즘은 주입하는 이온의 속도와 이온분자량에 따라 흡착, 반사, 주입의 단계가 존재하며 각기 다른 메카니즘을 가지고 있다. 본 해석의 경우 수백 eV까지는 흡착중심으로, 수십keV까지는 반사 중심으로 일어나며 500keV 근방부터 주입이 일어나기 시작하고 1MeV에서는 비결정질상태가 된 표면에 주입되어진다. (2) 주입에너지가 증가하면 주입확률도 증가한다. 그러나 초기 표면원자층의 온도가 높은 경우에 주입에너지가 어느 값 이상이 되면 오히려 주입확률이 감소한다. (3) 비결정질상태의 표면원자층에 이온을 주입할 때 1번째와 2번째의 이온주입 효과가 존재하나, 2번째의 이온주입 효과는 주입이온속도를 증가시킬수록 감소한다. (4) 분자동역학법을 이용하여 이온주입현상에 관해 미시적인 원자･분자 스케일로 현상을 모델화하여 해석하는 것이 가능하다.

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상세보기
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上田顯. "コンピュ？タシミュレ？ション-マクロな系の中の原子運動", 2001, 朝倉書店

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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