[논문]딤플 패턴이 있는 실리콘 표면의 마찰특성

유신성; 허윤영; 김대은

doi:10.7736/kspe.2014.31.5.451

딤플 패턴이 있는 실리콘 표면의 마찰특성
Frictional Characteristics of Silicon Surface with Micro-dimple Pattern 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.5, 2014년, pp.451 - 457

유신성 (연세대학교 기계공학부) , 허윤영 (연세대학교 무한내마모연구단) , 김대은 (연세대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Surface roughness of mechanical components is an important factor which affects the tribological phenomena. Various surface patterns have been applied to surfaces to improve the tribological characteristics of mechanical components. In this work, the friction reduction effect of micropatterns on silicon was investigated. For this purpose, micro-dimple patterns were fabricated on silicon wafer by DRIE process. In the friction experiments silicone oil was used as lubricant. Also, the lubricant was cleaned to simulate a lubricant depleted condition. In depleted lubricated condition, friction coefficient of micro-pattern specimens was lower than specimens without micro-patterns. It was found that friction reduction effect of micro-pattern could be successfully maintained even after cleaning the lubricant on the surface.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 딤플이 가지는 표면의 마찰, 마모 특성 향상 기능의 신뢰성을 확인하기 위하여 윤활제가 제거되는 가혹 환경에서 낮은 마찰계수를 유지하기 위한 마이크로 패턴의 윤활제 저장 효과에 관한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 마이크로 딤플 패턴을 실리콘 표면에 가공하여 윤활 상태에 따른 마찰특성을 고찰하였다. 무윤활 조건과 윤활 조건에서 딤플 구조의 마찰 저감 효과와 윤활유가 제거되는 가혹 조건에서 딤플 구조의 마찰 저감 효과의 신뢰성을 평가를 실시하여 다음과 같은 결과를 확인할 수 있었다.

제안 방법

2(b)와 같이 윤활제를 도포한 시편, Fig. 2(c)와 같이 윤활제를 도포 후 표면의 윤활제를 닦아낸 시편, 3가지 경우에 대해서 실험을 진행하였다. 비교를 위해 마이크로 패턴이 없는 실리콘 웨이퍼 시편에 대해서도 실험을 실시하였다.
측정에 사용된 confocal microscope는 optical image와 laser image를 합성하여서 이론적으로는 광학적으로 측정되는 윤활유의 흔적과 laser focal depth를 이용한 깊이 방향 data를 모두 얻을 수 있지만 본 실험에 사용된 시편의 경우 딤플 홀의 깊이가 폭보다 커서 딤플 홀 내부의 3-D 형상은 측정되지 않았다. 또한 실리콘 웨이퍼 표면의 마모 트랙의 깊이가 500 nm 이하로 confocal microscope로 정량적으로 측정이 불가능했기 때문에 표면 2-D 이미지를 통하여 마모 특성을 평가하였다.
6 mm 지름의 stainless steel ball에 350 mN 수직 하중을 가하여 경계윤활 조건에서 실시되었다. 리니어 엑츄에이터를 이용한 왕복운동 실험장치로 5 mm 거리를 5 mm/s속도로 150 cycle씩 각각 3번 반복 실험을 진행하였다. 실험은 온도 26°, 습도 34% 환경에서 수행되었다.
마이크로 패턴은 실리콘 웨이퍼 위에 MEMS공정을 이용하여 제작되었다. 마이크로 패턴을 제작할 수 있는 마스크를 설계하고 MEMS (micro electro mechanical systems) fabrication 중 DRIE (deep reactive-ion etching) 공정을 이용하여 Fig. 1과 같이 수직 홀을 가공하였다. 딤플 패턴은 지름은 20μm이고 딤플 간의 간격은 40μm로 제작되었다.
마이크로 홀에 윤활제 저장을 원활하게 하기 위해서 상온에서 50 cSt의 동점도를 가지는 저점도 실리콘 오일을 윤활제로 선정하였다. 선정된 실리콘 오일은 linear 타입의 polydemethylsiloxane으로 300℃ 이상의 높은 발화점을 가지며 화학적으로 안정적인 물질이다.
마찰 실험 후 윤활유를 제거하지 않고 마모 현상을 측정하기 위하여 confocal microscope를 이용하여 마모를 측정하였다. SEM (scanning electron microscope)의 경우 높은 배율로 표면 측정이 가능하지만 진공 조건에서 측정을 하기 위해 시편 표면의 윤활유를 제거해야 하고, 3d surface profiler 와 같은 probe 방식의 접촉식 표면 측정 장비의 경우 딤플 패턴이 깊이가 폭에 비해 커서 probe가 딤플 홀에 걸릴 경우 센서에 손상이 발생할 수 있다.
윤활제는 약 25 ml의 실리콘 오일을 10 mm × 10 mm 크기의 실리콘 웨이퍼 위에 떨어뜨려 균일하게 도포하였고 윤활제 제거는 클린 부스용 와이퍼를 이용하여 현미경으로 표면의 윤활제 제거 상태를 관찰하면서 충분히 닦아내는 방법을 사용하였다. 마찰 실험은 Fig. 3과 같이 1.6 mm 지름의 stainless steel ball에 350 mN 수직 하중을 가하여 경계윤활 조건에서 실시되었다. 리니어 엑츄에이터를 이용한 왕복운동 실험장치로 5 mm 거리를 5 mm/s속도로 150 cycle씩 각각 3번 반복 실험을 진행하였다.
2(c)와 같이 윤활제를 도포 후 표면의 윤활제를 닦아낸 시편, 3가지 경우에 대해서 실험을 진행하였다. 비교를 위해 마이크로 패턴이 없는 실리콘 웨이퍼 시편에 대해서도 실험을 실시하였다. 윤활제는 약 25 ml의 실리콘 오일을 10 mm × 10 mm 크기의 실리콘 웨이퍼 위에 떨어뜨려 균일하게 도포하였고 윤활제 제거는 클린 부스용 와이퍼를 이용하여 현미경으로 표면의 윤활제 제거 상태를 관찰하면서 충분히 닦아내는 방법을 사용하였다.
윤활제는 약 25 ml의 실리콘 오일을 10 mm × 10 mm 크기의 실리콘 웨이퍼 위에 떨어뜨려 균일하게 도포하였고 윤활제 제거는 클린 부스용 와이퍼를 이용하여 현미경으로 표면의 윤활제 제거 상태를 관찰하면서 충분히 닦아내는 방법을 사용하였다.

대상 데이터

마이크로 패턴은 실리콘 웨이퍼 위에 MEMS공정을 이용하여 제작되었다. 마이크로 패턴을 제작할 수 있는 마스크를 설계하고 MEMS (micro electro mechanical systems) fabrication 중 DRIE (deep reactive-ion etching) 공정을 이용하여 Fig.

성능/효과

(1) 윤활유 도포 후 윤활제를 닦아내는 가혹 조건 경우 딤플 구조가 없는 시편에서는 건식 윤활 조건과 비슷한 마찰 계수가 나타났지만 딤플 구조를 가지는 시편은 딤플 구조의 윤활제 공급 효과에 의해 낮은 마찰 계수를 유지할 수 있음을 확인하였다.
(2) 윤활유 도포후 윤활제를 닦아낸 경우 마이크로 딤플 구조가 마모 입자를 포집하는 기능을 가짐을 확인하였다.
(3) 본 실험 조건에서 건식 윤활 조건과 윤활 조건에서 모두에서 딤플 구조를 가지는 시편은 딤플 구조가 없는 시편보다 높은 마찰 계수를 보였다. 이는 볼과 딤플 패턴의 모서리와 물리적 접촉에 의해서 마찰 계수가 증가한 결과로 보인다.
또한 Fig. 9(a) 2-D image에서 볼 수 있듯이 마모 트랙 안에 위치하는 딤플 패턴 내부에 마모 입자가 확인되며 3-D image 상으로도 마모 입자가 포집된 딤플 홀의 깊이가 다른 딤플 홀에 비해 작게 나타남을 알 수 있다.

후속연구

(4) 실리콘의 경계 윤활 조건에서 보다 우수한 마찰 마모특성을 도출하기 위해서는 마찰 조건에 따른 마이크로 패턴의 최적화가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 패턴 표면은 윤활제를 사용하지 않는 건식 미끄럼을 경험하는 기계부품에 적용할 경우 어떤 역할을 수행할 수 있는가?	1-3 돌기와 반대로 표면에 딤플을 제작하여 표면의 마찰, 마모 특성을 향상시키기 위한 연구도 진행되어왔다. 이와 같은 마이크로 패턴 표면은 윤할제를 사용하지 않는 건식 미끄럼을 경험하는 기계부품에 적용할 경우 마찰과 마모를 증가시키는 마모 입자를 포집하여서 마찰과 마모를 저감하는 역할을 수행할 수 있다.4 윤활제를 사용하는 경우 마이크로 패턴은 elasto-hydrodynamic 또는 hydrodynamic 윤활 조건에서 접촉면의 압력 구배에 변화를 주어서 윤활 효과를 높일 수 있으며 경계 윤활 조건에서 마찰력을 낮추는 역할을 한다.
	하드디스크가 낮은 표면 조도를 가지고 있음에 따라 하드디스크 슬라이더와 접촉하는 정지 상태에서 높은 점착력을 가지게 되고 이는 하드디스크 구동시 높은 마찰계수를 보이는 문제를 방지하기 위해서 어떤 기술이 적용되고 있는가?	예를 들면 하드디스크에 사용되는 디스크는 매우 낮은 표면 조도를 가지고 있기 때문에 하드디스크 슬라이더와 접촉하는 정지 상태에서 높은 점착력을 가지게 되고 이는 하드디스크 구동시 높은 마찰계수를 보이게 된다. 이를 방지하기 위해서 하드디스크 슬라이더가 정지하는 랜딩존에 인위적으로 돌기를 표면에 제작하여서 하드디스크 슬라이더와 디스크 간에 발생하는 점착력을 최소화시키는 기술이 적용되고있다.1-3 돌기와 반대로 표면에 딤플을 제작하여 표면의 마찰, 마모 특성을 향상시키기 위한 연구도 진행되어왔다.
	윤활제를 사용하는 경우 마이크로 패턴은 어떤 역할을 하는가?	이와 같은 마이크로 패턴 표면은 윤할제를 사용하지 않는 건식 미끄럼을 경험하는 기계부품에 적용할 경우 마찰과 마모를 증가시키는 마모 입자를 포집하여서 마찰과 마모를 저감하는 역할을 수행할 수 있다.4 윤활제를 사용하는 경우 마이크로 패턴은 elasto-hydrodynamic 또는 hydrodynamic 윤활 조건에서 접촉면의 압력 구배에 변화를 주어서 윤활 효과를 높일 수 있으며 경계 윤활 조건에서 마찰력을 낮추는 역할을 한다.5,6 이와 같이 다양한 형상의 마이크로 패턴이 표면의 마찰, 마모 특성을 향상시키기 위하여 연구되어 왔다.

참고문헌 (11)

Baumgart, P., Krajnovich, D., Nguyen, T., and Tam, A., "A New Laser Texturing Technique for High Performance Magnetic Disk Drives," Magnetics, Vol. 31, No. 6, pp. 2946-2951, 1995.

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Lee, S. C., Chung, K. H., and Kim, D. E., "A Study on the Surface Damage between Head/Disk Interfaces by using AFM," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 15, No. 9, pp. 167-174, 1998.
Kim, D. E., Chung, K. H., and Cha, K. H., "Tribological Design Methods for Minimum Surface Damage of HDD Slider," Tribology International, Vol. 36, No. 4, pp. 467-473, 2003.

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Kim, D., Cha, K., Sung, I., and Bryan, J., "Design of Surface Micro-structures for Friction Control in Micro-systems Applications," CIRP Annals- Manufacturing Technology, Vol. 51, No. 1, pp. 495- 498, 2002.

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Wakuda, M., Yamauchi, Y., Kanzaki, S., and Yasuda, Y., "Effect of Surface Texturing on Friction Reduction between Ceramic and Steel Materials under Lubricated Sliding Contact," Wear, Vol. 254, No. 3, pp. 356-363, 2003.

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Pettersson, U. and Jacobson, S., "Influence of Surface Texture on Boundary Lubricated Sliding Contacts," Tribology International, Vol. 36, No. 11, pp. 857-864, 2003.

상세보기
Pettersson, U. and Jacobson, S., "Friction and Wear Properties of Micro Textured DLC Coated Surfaces in Boundary Lubricated Siding," Proc. of the ASIATRIB International Conference, Vol. 17, No. 3, pp. 553-559, 2002.
Varenberg, M. and Gorb, S. N., "Hexagonal Surface Micropattern for Dry and Wet Friction," Advanced Materials, Vol. 21, No. 4, pp. 483-486, 2009.

상세보기
Jung, Y. C. and Bhushan, B., "Contact Angle, Adhesion and Friction Properties of Micro-and Nanopatterned Polymers for Superhydrophbicity," Nanotechnology, Vol. 17, No. 19, pp. 4970-4980, 2006.

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Yoo, S. S. and Kim, D. E., "Friction Reduction Properties of Evaporation Coated Petroleum and Silicone Oil Lubricants," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 30, No. 8, pp. 864-869, 2013.

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Yoo, S. S. and Kim, D. E., "Minimum Lubrication Technique using Silicone Oil for Friction Reduction of Stainless Steel," Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 14, No. 6, pp. 875-880, 2013.

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표제어: PCR

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