[논문]AFM을 이용한 나노스케일 힘의 정량적 측정

정구현

doi:10.9725/kstle.2012.28.2.062

AFM을 이용한 나노스케일 힘의 정량적 측정
Quantitative Measurement of Nano-scale Force using Atomic Force Microscopy 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.28 no.2, 2012년, pp.62 - 69

Abstract ▼ AI-Helper

Atomic force microscopy (AFM) has been widely utilized as a versatile tool not only for imaging surfaces but also for understanding nano-scale interfacial phenomena. By measuring the responses of the photo detector due to bending and torsion of the cantilever, which are caused by the interactions between the probe and the sample surface, various interfacial phenomena and properties can be explored. One of the challenges faced by AFM researchers originates in the physics of measuring the small forces that act between the probe of a force sensing cantilever and the sample. To understand the interactions between the probe and the sample quantitatively, the force calibration is essential. In this work, the procedures used to calibrate AFM instrumentation for nano-scale force measurement in normal and lateral directions are reviewed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 AFM을 이용하여 수직방향, 혹은 수평 방향으로 발생하는 힘을 정량적으로 측정하기 위하여 필수적으로 요구되고 있는 교정방법들에 대하여 고찰하고자 한다. 특히, 실제 교정방법에 따라 발생할 수 있는 탐침의 파손 문제, colloidal probe의 교정, 액체환경에서 교정 등에 대하여 논함으로써, AFM 사용자들이 효과적으로 교정방법을 선택하고, 보다 정확하게 결과를 분석하는데 기여하고자 하였다.
특히, 실제 교정방법에 따라 발생할 수 있는 탐침의 파손 문제, colloidal probe의 교정, 액체환경에서 교정 등에 대하여 논함으로써, AFM 사용자들이 효과적으로 교정방법을 선택하고, 보다 정확하게 결과를 분석하는데 기여하고자 하였다. 본 논문에서는 먼저 수직방향 힘 교정 (normal force calibration), 수평방향 힘 교정 (lateral force calibration)에 관하여 각각 논하고, 액체환경에서의 교정방법에 대하여 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 AFM을 이용하여 표면이나 재료의 특성을 정량적으로 분석할 때 필수적으로 요구되는 힘 교정 방법들에 대하여 고찰하였다. 현재까지 제시되고 있는 여러 교정 방법들을 cantilever의 강성과 처짐 민감도를 각각 구하는 방법과, 직접 힘에 대한 민감도를 측정하는 방법들로 나누어 비교하였으며, 교정을 수행할 때 불확실도를 증가시킬 수 있는 요인들에 대하여 고찰해 보았다.
본 논문에서는 AFM을 이용하여 수직방향, 혹은 수평 방향으로 발생하는 힘을 정량적으로 측정하기 위하여 필수적으로 요구되고 있는 교정방법들에 대하여 고찰하고자 한다. 특히, 실제 교정방법에 따라 발생할 수 있는 탐침의 파손 문제, colloidal probe의 교정, 액체환경에서 교정 등에 대하여 논함으로써, AFM 사용자들이 효과적으로 교정방법을 선택하고, 보다 정확하게 결과를 분석하는데 기여하고자 하였다. 본 논문에서는 먼저 수직방향 힘 교정 (normal force calibration), 수평방향 힘 교정 (lateral force calibration)에 관하여 각각 논하고, 액체환경에서의 교정방법에 대하여 고찰하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 AFM을 이용하여 표면이나 재료의 특성을 정량적으로 분석할 때 필수적으로 요구되는 힘 교정 방법들에 대하여 고찰하였다. 현재까지 제시되고 있는 여러 교정 방법들을 cantilever의 강성과 처짐 민감도를 각각 구하는 방법과, 직접 힘에 대한 민감도를 측정하는 방법들로 나누어 비교하였으며, 교정을 수행할 때 불확실도를 증가시킬 수 있는 요인들에 대하여 고찰해 보았다. 수직방향 힘 교정의 경우, 현재까지 제시되고 있는 방법 중, thermal noise 방법, hydrodynamic damping function을 이용한 방법들이, 다른 교정된 cantilever나 측정 장비 없이, 비교적 쉽게 활용될 수 있음을 알 수 있다.

성능/효과

4는 가한 수직하중에 따라 friction loop로부터 얻은 수평방향 처짐 민감도의 변화를 나타낸다. 수직하중이 증가함에 따라 수평방향 처짐 민감도도 증가하며, 10 nN 이상에서 비교적 일정해짐을 알 수 있다. 한편, cantilever의 총 수평방향 강성에 미치는 면내 수평방향 굽힘 강성의 영향은 cantilever의 기하학적 형상에 의하여 결정되는 경우가 많으므로, 마찰력의 측정을 위해서는 비틀림 강성에 비하여 면내 수평방향 굽힘 강성이 큰 cantilever를 사용하는 것이 좋다[29].

후속연구

이와 같이, AFM을 이용하여 나노 스케일에서 발생하는 힘을 정량적으로 측정하기 위한 방법은 매우 다양하게 제시되고 있으며, 현재에도 더욱 신뢰성 높은 교정 방법을 얻기 위한 노력들이 이루어 지고 있다. 각 방법은 모두 장단점을 가지고 있으므로, 정확한 힘 교정을 위해서는 탐침 및 cantilever의 기하학적 형상, 끝단 반경, 실험 환경 및 조건들을 고려하여 가장 효과적인 방법을 선정한 후 수행하는 것이 요구되며, 기존의 방법들을 적절하게 조합하고, 비교함으로써 보다 정확한 정량적 실험결과를 얻을 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Atomic Force Microscopy의 탐침의 측정원리는 어떻게 되는가?	AFM 탐침(probe)은 cantilever의 한쪽 면 끝단에 위치하며, 대부분의 AFM에서는 광학시스템을 이용하여 cantilever의 거동을 측정한다. 즉, 탐침과 상대 재료와의 상호작용으로 인하여 cantilever의 굽힘 또는 비틀림이 발생하고, 이에 따라 cantilever로부터 반사되어 나오는 레이저의 위치가 변하게 되며, photo detector 등을 이용하여 레이저의 위치변화를 측정하게 된다. 또한, 절대적인 변위를 측정하기 위해서 laser interferometer 가 이용되기도 한다[4]. 이와 같이 cantilever의 거동을 이용하여 탐침과 상대재료 사이에서 발생하는 다양한 종류의 힘을 측정할 수 있는데, 예를 들어, cantilever의 수직방향 굽힘을 이용하는 force-distance curve, 혹은 force spectroscopy를 통하여, 응착력 (adhesion)과 같은 표면특성을 측정하거나, 상대재료에 수직방향으로 적절한 힘을 가함으로써, 탄성계수나 경도와 같은 다양한 기계적 물성을 나노 스케일에서 측정할 수 있다[5-9].
	Atomic Force Microscopy의 특징은 무엇인가?	Atomic Force Microscopy (AFM)[1]은 10 nm~100 nm의 끝단 반경을 가지는 탐침과 상대재료의 상호작용에 기초하여, 나노 스케일에서 표면을 관찰할 뿐만 아니라, 물리적, 화학적, 전기적, 기계적, 또는 압전 상호작용에 의해 발생하는 각종 현상들을 이해함으로써, 재료 및 표면의 특성을 분석하는데 효과적으로 활용되고 있다. 또한, 이러한 상호작용을 이용하여, 정보저장장치[2], 나노리쏘그래피[3] 등 많은 응용분야가 제시되어 왔으며, 이들을 실현하기 위한 노력이 지속적으로 이루어지고 있다.
	AFM을 이용하여 탐침과 상대재료 사이에서 발생하는 힘을 정량적으로 분석하기 위해서 요구되는 사항은 무엇인가?	AFM을 이용하여 탐침과 상대재료 사이에서 발생하는 힘을 정량적으로 분석하기 위해서는, 사용되는 cantilever의 수직(normal), 또는 수평(lateral) 방향 힘 교정 (force calibration)이 요구된다. 대부분의 경우, AFM cantilever 제조사들은 cantilever의 수직방향 강성 (normal stiffness)을 제공하고 있으나, 실제 값은 제공된 값과 큰 차이를 나타내는 경우가 많으며, 그 차이는 약 2배 이상에 이르기도 한다.

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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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