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문제 정의
- 추가적으로 마이크로캔틸레버의 가진주파수와 주위 환경에 따른 POM 및 POV값도 추출하였다. 동적모드 AFM 마이크로캔틸레버의 비선형 거동을 간략화 분석하기 위한 방법으로 POD에 대한 가능성을 제시하였다.
제안 방법
- 복잡한 진동현상 측정을 위하여 우선 Figs. 2, 3과 같이 AFM 마이크로캔틸레버에 대하여 등간격으로 5개 측정점을 설정하였다. 실험에 이용한 프로브 팁은 Nanosensors사의 PPP-NCHR과 Olympus사의 OMCL-AC240TS로 각각의 제원은 Table 1과 같다.
- NCHR과 OMCL마이크로캔틸레버의 첫 번째 고유진동수로 가진하여 공기 중에서 공진시켰을 때 측정한 AFM 마이크로캔틸레버 상 5점에 대한 시간 신호를 이용하여 POM을 추출하였다(Fig.8). Fig.
- 일반적으로 AFM에서 팁의 변위를 측정하는 데는 1개의 레이저 빔을 사용하는 것이 일반적이어서 동시에 다중 빔으로 5개 측정점을 커버하도록 구현하는 것이 쉽지 않다. 따라서 이 연구에서는 개별 진동 특성이 정상상태라고 가정하고 캔틸레버의 각 측정점에서 순차적으로 측정한 신호를 가진신호를 기준으로 위상(phase)을 일치시킨 후 처리를 진행하였다(8).
- 상대적으로 강성이 큰 NCHR 팁의 경우는 1차 고유주파수에 대해서, 강성이 작은 OCML 팁의 경우는 1차 및 2차 고유진동수에 대해 각각 시간 신호를 얻을 수 있었다. 또한 AFM 시스템에 장착된 마이크로캔틸레버를 고유진동수로 가진하면서 표면이 상대적으로 단단한 시료인 HOPG(highly oriented pyrolytic graphite)와 상대적으로 연한 폴리머의 종류의 PDMS(poly-dimethylsiloxane) 시료를 탭핑(tapping)하는 경우에 캔틸레버 상 각 5점에 대해 시간 신호를 측정하였다. 두 표면 시료에 대한 상수와 물성치는 Table 2에 나타내었다.
- 즉 강성의 차이가 매우 큰 두 개의 AFM 마이크로캔틸레버를 AFM 시스템에 장착한 다음 공진시의 신호와 시료를 탭핑시의 신호를 측정하여 주파수 영역해석을 수행하고 POM을 추출하였다. 또한 탭핑하는 시료의 성질에 따른 비선형 응답특성 차이를 구하기 위해 탄성계수 차이가 매우 큰 두 시료에 대하여 실험을 수행하였다. 추가적으로 마이크로캔틸레버의 가진주파수와 주위 환경에 따른 POM 및 POV값도 추출하였다.
- 실험에 이용한 프로브 팁은 Nanosensors사의 PPP-NCHR과 Olympus사의 OMCL-AC240TS로 각각의 제원은 Table 1과 같다. 마이크로캔틸레버 기저부에서 고유진동수로 가진할때, 공진상태의 AFM 캔틸레버의 레이저 변위 측정 기구를 이용하여 각 점 별로 시간 응답을 측정하였다. 상대적으로 강성이 큰 NCHR 팁의 경우는 1차 고유주파수에 대해서, 강성이 작은 OCML 팁의 경우는 1차 및 2차 고유진동수에 대해 각각 시간 신호를 얻을 수 있었다.
- 이 연구에서는 POM추출과 POV값을 통하여 탭핑모드 AFM 마이크로캔틸레버와 같은 미소구조물의 복잡한 진동신호로부터 유한 개의 유효한 선형직교모드로 추출하였고, 그 진동 특성의 차이를 정량적으로 나타내었다. 그리고 AFM에서 고차 모드 효과는 공기 중 혹은 물속에서 작동하는 경우라도 1차 및 2차 모드 근사를 통한 2자유도계 모델만으로도 충분히 해석 가능함을 예상할 수 있다.
- 이 연구에서는 실제 이용되는 AFM 마이크로캔틸레버의 비선형 응답을 측정하여 POM을 추출하고 그에 따른 적합직교값(POV : proper orthogonal value)을 비교하여 추출된 모드의 특성 비교를 시도하였다. 즉 강성의 차이가 매우 큰 두 개의 AFM 마이크로캔틸레버를 AFM 시스템에 장착한 다음 공진시의 신호와 시료를 탭핑시의 신호를 측정하여 주파수 영역해석을 수행하고 POM을 추출하였다.
- 이 연구에서는 실제 이용되는 AFM 마이크로캔틸레버의 비선형 응답을 측정하여 POM을 추출하고 그에 따른 적합직교값(POV : proper orthogonal value)을 비교하여 추출된 모드의 특성 비교를 시도하였다. 즉 강성의 차이가 매우 큰 두 개의 AFM 마이크로캔틸레버를 AFM 시스템에 장착한 다음 공진시의 신호와 시료를 탭핑시의 신호를 측정하여 주파수 영역해석을 수행하고 POM을 추출하였다. 또한 탭핑하는 시료의 성질에 따른 비선형 응답특성 차이를 구하기 위해 탄성계수 차이가 매우 큰 두 시료에 대하여 실험을 수행하였다.
- 또한 탭핑하는 시료의 성질에 따른 비선형 응답특성 차이를 구하기 위해 탄성계수 차이가 매우 큰 두 시료에 대하여 실험을 수행하였다. 추가적으로 마이크로캔틸레버의 가진주파수와 주위 환경에 따른 POM 및 POV값도 추출하였다. 동적모드 AFM 마이크로캔틸레버의 비선형 거동을 간략화 분석하기 위한 방법으로 POD에 대한 가능성을 제시하였다.
대상 데이터
- 기본적으로 캔틸레버의 1차 및 2차 고유진동수 가진을 통하여 공진 모드의 위치별 신호를 측정용 PC에 장착된 2채널 고속 데이터 수집장치(NI-5122)를 통해 저장한다. 각 채널에서 수집되는 데이터는 Fig. 4와 같이 캔틸레버 기저부 가진신호와 캔틸레버 측정점에서 들어오는 레이저 변위 신호에 해당하는 PSD(position sensitive detector) 신호이다(6,7). 일반적으로 AFM에서 팁의 변위를 측정하는 데는 1개의 레이저 빔을 사용하는 것이 일반적이어서 동시에 다중 빔으로 5개 측정점을 커버하도록 구현하는 것이 쉽지 않다.
- 비선형성을 가지는 AFM 마이크로캔틸레버 주요 모드를 추출하기 위해서 이 실험에서는 Park Systems사의 XE-100 AFM System을 이용했으며, XE-100 System controller에서 추출한 실시간 진동 신호 캡처를 위하여 NI사의 2-channel 고속 데이터 획득장치(NI-5122)를 PC에 장착하여 사용하였다. 복잡한 진동현상 측정을 위하여 우선 Figs.
- 2, 3과 같이 AFM 마이크로캔틸레버에 대하여 등간격으로 5개 측정점을 설정하였다. 실험에 이용한 프로브 팁은 Nanosensors사의 PPP-NCHR과 Olympus사의 OMCL-AC240TS로 각각의 제원은 Table 1과 같다. 마이크로캔틸레버 기저부에서 고유진동수로 가진할때, 공진상태의 AFM 캔틸레버의 레이저 변위 측정 기구를 이용하여 각 점 별로 시간 응답을 측정하였다.
성능/효과
- Table 4는 POD를 통해 추출한 POV값을 퍼센트(%)로 나타내었다. AFM 마이크로캔틸레버 특성에 따른 POV값을 살펴보면, 두 개의 마이크로캔틸레버 모두 1차 POM이 지배적이지만 작은 강성을 갖는 OMCL이 NCHR에 비해 고차모드에서의 POV값이 작음을 볼 수 있다. OMCL 캔틸레버의 1차 및 2차 고유진동수로 가진한 경우의 POV를 비교하면, 2차 가진의 경우가 고차 모드에서의 에너지 분포가 더 크게 나타난다.
- 또한 시료의 특성에 따른 POV값을 비교해 보면(Table 4), 시료의 강성과 접착 일을 포함하는 파라미터 λ값이 커질수록, 고차 POM에서 모드 에너지 분포가 증가함을 확인할 수 있다.
- 11은 물속에서와 공기 중에서의 공진 모드에 대한 POM을 나타낸 것이다. 주위 환경과 무관하게 첫 번째 POM은 가진 주파수 해당 모드와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다.
- 그리고 AFM에서 고차 모드 효과는 공기 중 혹은 물속에서 작동하는 경우라도 1차 및 2차 모드 근사를 통한 2자유도계 모델만으로도 충분히 해석 가능함을 예상할 수 있다. 특히 POV 계산을 통하여 탭핑 모드에서는 해당 주파수의 비접촉일 때 보다 고차 모드의 모드 에너지 분포가 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 같은 탭핑 조건에서도 시료의 특성에 따라서도 POV값이 변화함을 알 수 있었다.
후속연구
- 이러한 실험적 적합직교모드 추출을 통하여 복잡한 동적 응답을 나타내는 미소 구조물이라도 효과적으로 모델링 할 수 있는 가능성을 확인하였으며 향후 개별 진동 모드의 정량적 비교와 함께 축소차수모델(reduced order model)의 해석을 가능하게 할 것으로 예상된다.
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