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가설 설정
- 또한 콜로이드 입자 부착에 따른 캔틸레버의 유효 길이와 수직 스프링 상수의 상관관계도 확인하였다. 이번 연구에서는 캔틸레버의 스프링 상수를 측정할 때 고려해야할 레이저 반사점 위치와 콜로이드 탐침의 미끄러짐 등의 영향은 고려하지 않았다. 그러나 본 연구를 통해 기존의 thermal method를 응용하여 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수 결정하는 방법이 매우 간단하면서도 유효함을 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 나노 마찰 시험 및 응착 시험을 위하여 제작한 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수를 상용 원자 현미경과 thermal method를 응용한 방법으로 측정하였으며 신뢰성을 확인하기 위하여 표준기급 나노힘 교정기를 이용하여 반복 측정하고, 그 결과를 비교하였다. 두 방법으로 측정한 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수 차이의 평균은 9.
- 13%이었다. 또한 콜로이드 입자 부착에 따른 캔틸레버의 유효 길이와 수직 스프링 상수의 상관관계도 확인하였다. 이번 연구에서는 캔틸레버의 스프링 상수를 측정할 때 고려해야할 레이저 반사점 위치와 콜로이드 탐침의 미끄러짐 등의 영향은 고려하지 않았다.
- 먼저 팁이 없는 캔틸레버의 InvOLS와 스프링 상수 ktl를 측정하고 캔틸레버 끝단 부위에 직경 20 μm의 보로실리게이트 구를 부착시킨 후, 그 InvOLScp를 다시 측정하였다.
- 본 연구에서는 범용으로 활용되고 있는 기존의 thermal noise 방법을 응용하여 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수를 간단하게 결정하는 과정을 소개하고 그 측정 결과를 나노힘 교정기(측정 불확도 1.00%)[11]로 측정한 결과와 비교하였다.
- 00 nN이며 캔틸레버와 접촉하여 저울로 하중을 전달하는 하중 버튼(load button)으로는 직경 1mm의 광학유리(BK7)로 만들어진 구형태의 렌즈를 사용했다. 캔틸레버를 하중 버튼에 접촉시킨 후, 하중 버튼에 가해지는 힘과 캔틸레버 변위를 기록하였다. 변 위에 따른 힘 자료의 기울기가 캔틸레버의 스프링 상 수이며 linear fitting 방법으로 계산하였다.
- 캔틸레버의 유효 길이와 스프링 상수의 관계를 확인하기 위해 콜로이드 탐침의 유효 길이를 화상분석기를 사용하여 측정하였다. 콜로이드 탐침의 유효 길이는 캔틸레버 지지대쪽 시작점에서 반대쪽 끝에 부착된 콜로이드 구의 중심 지점까지의 길이로 정하였다.
- 캔틸레버의 유효 길이와 스프링 상수의 관계를 확인하기 위해 콜로이드 탐침의 유효 길이를 화상분석기를 사용하여 측정하였다. 콜로이드 탐침의 유효 길이는 캔틸레버 지지대쪽 시작점에서 반대쪽 끝에 부착된 콜로이드 구의 중심 지점까지의 길이로 정하였다.
대상 데이터
- 3은 나노힘 교정기를 이용한 캔틸레버의 교정 원리를 간단하게 묘사한 그림이다. 나노힘 교정기의 힘 분해능은 1.00 nN이며 캔틸레버와 접촉하여 저울로 하중을 전달하는 하중 버튼(load button)으로는 직경 1mm의 광학유리(BK7)로 만들어진 구형태의 렌즈를 사용했다. 캔틸레버를 하중 버튼에 접촉시킨 후, 하중 버튼에 가해지는 힘과 캔틸레버 변위를 기록하였다.
- 시험에 사용할 콜로이드 탐침을 제작하기 위해 Budget Sensors사의 팁이 없는 캔틸레버( AIOAL-TL, length 150±10 μm, width 30±5 μm, thickness 2.7±1.0 μm, Nominal spring constant 7.4 N/m)와 직경 20 μm인 보로실리게이트 구(Duke, 9020)를 활용하였다.
데이터처리
- 제작된 콜로이드 탐침 10개에 대하여 식(5)를 이용하여 수직 스프링 상수를 측정하였으며 그 결과의 신뢰성을 확인하기 위하여 표준기급 나노힘 교정기로 측정한 값과 비교 하였다.
이론/모형
- 캔틸레버를 하중 버튼에 접촉시킨 후, 하중 버튼에 가해지는 힘과 캔틸레버 변위를 기록하였다. 변 위에 따른 힘 자료의 기울기가 캔틸레버의 스프링 상 수이며 linear fitting 방법으로 계산하였다. 나노 힘 교정기를 이용한 스프링 상수 측정 결과의 불확도는 1.
- 본 연구에서는 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수를 측정하기 위해 상용 원자 현미경(Asylum Co. MFP-3D)을 사용하였다. 먼저 팁이 없는 캔틸레버의 InvOLS와 스프링 상수 ktl를 측정하고 캔틸레버 끝단 부위에 직경 20 μm의 보로실리게이트 구를 부착시킨 후, 그 InvOLScp를 다시 측정하였다.
성능/효과
- Fig. 5에서 볼 수 있듯이 팁이 없는 캔틸레버 10개에 대해 열잡음 측정 방법(이하 thermal method)로 수직 스프링 상수를 측정한 결과, 수직 스프링 상수의 범위는 5.84 N/m(캔틸레버 1번)에서 8.82 N/m(캔틸레버 9번)이었으며 팁이 없는 캔틸레버에 직경 20 μm인보로실리게이트 구를 부착한 후 측정한 수직 스프링 상수는 예외 없이 증가하였다.
- Thermal method를 응용한 방법을 사용하여 측정한 콜로이드 탐침들의 수직 스프링 상수를 나노힘 교정기를 사용하여 측정한 값과 비교한 결과 그 차이의 평균은 9.13% 이었다. 이러한 결과는 이번 연구에서 제안한 thermal method를 응용한 방법이 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수 결정에 매우 간단하면서도 효율적인 방법임을 의미한다.
- 이번 연구에서는 캔틸레버의 스프링 상수를 측정할 때 고려해야할 레이저 반사점 위치와 콜로이드 탐침의 미끄러짐 등의 영향은 고려하지 않았다. 그러나 본 연구를 통해 기존의 thermal method를 응용하여 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수 결정하는 방법이 매우 간단하면서도 유효함을 확인할 수 있었다.
- 변 위에 따른 힘 자료의 기울기가 캔틸레버의 스프링 상 수이며 linear fitting 방법으로 계산하였다. 나노 힘 교정기를 이용한 스프링 상수 측정 결과의 불확도는 1.00% 이었다. Fig.
- 나노 마찰 시험 및 응착 시험을 위하여 제작한 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수를 상용 원자 현미경과 thermal method를 응용한 방법으로 측정하였으며 신뢰성을 확인하기 위하여 표준기급 나노힘 교정기를 이용하여 반복 측정하고, 그 결과를 비교하였다. 두 방법으로 측정한 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수 차이의 평균은 9.13%이었다. 또한 콜로이드 입자 부착에 따른 캔틸레버의 유효 길이와 수직 스프링 상수의 상관관계도 확인하였다.
- 이처럼 콜로이드 탐침을 제작할 때 콜로이드 입자를 붙이는 위치 즉, 캔틸레버의 유효 길이는 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수에 결정적인 영향을 주게 된다. 이 시험 결과는 특정한 수직 스프링 상수의 콜로이드 탐침이 필요할 때, 유효 길이를 조절하여 제작할 수 있음을 의미한다.
- 13% 이었다. 이러한 결과는 이번 연구에서 제안한 thermal method를 응용한 방법이 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수 결정에 매우 간단하면서도 효율적인 방법임을 의미한다.
- 캔틸레버 9번의 경우, 폭이 33.88 μm로 다른 캔틸레버들의 평균 폭 30.31±0.43 μm보다 큰 형상 차이 때문에 콜로이드 구를 부착하기 전의 스프링 상수가 가장 크게 측정되었으며(Fig. 5) 콜로이드 구를 부착하고 난 후에도 수직 스프링 상수가 크게 측정되었다.
- 캔틸레버의 유효 길이가 증가할수록 수직 스프링 상수는 감소하는 경향을 보였으며 회귀 분석한 결과, 회귀 방정식은 Y = –0.0016x2+0.038x+32.87이었고 p-value는 0.03으로 캔틸레버의 유효 길이와 수직 스프링 상수는 통계적으로 신뢰수준 95%에서 매우 유의한 상관관계가 있음을 확인할 수 있었다.
- 화상 분석기 측정한 결과, 캔틸레버 10번의 유효 길이는 106.65 μm으로 다른 캔틸레버의 평균 유효 길이 131±2.78 μm과 많은 차이를 보였다.
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