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초음파원자현미경을 이용한 나노스케일 박막 코팅층에 대한 탄성특성 평가
Evaluation of Elastic Properties for Nanoscale Coating Layers Using Ultrasonic Atomic Force Microscopy 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.24 no.5, 2015년, pp.475 - 480  

곽동열 (The Graduate School of NID Fusion Technology, Seoul Nat'l Univ. of Science & Technology) ,  조승범 (Dept. of Mechanical Engineering, The Graduate School, Seoul Nat'l Univ. of Science & Technology) ,  박익근 (Dept. of Mechanical & Automotive Engineering, Seoul Nat'l Univ. of Science & Technology)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Ultrasonic atomic force microscopy (Ultrasonic-AFM) has been used to investigate the elastic property of the ultra-thin coating layer in a thin-film system. The modified Hertzian theory was applied to predict the contact resonance frequency through accurate theoretical analysis of the dynamic charac...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 연구에서 제안하는 초음파원자현미경은 비파괴적인 기법으로써 캔틸레버의 팁을 재료 표면에 접촉시켜 발생되는 접촉공진주파수를 분석하여 재료의 탄성특성을 평가할 수 있고 탄성특성을 이미지화 함으로써 표면이미지뿐만 아니라 탄성이미지를 동시에 얻을 수가 있다. 나노스케일 박막 코팅층에 대한 캔틸레버의 동특성을 정확하게 분석하기 위해 변형된 Hertzian 이론을 적용하였고 200 nm 두께의 알루미늄과 티타늄으로 증착된 박막 코팅층에 대하여 접촉공진주파수 분석 및 탄성이미지를 통해 나노스케일 박막 코팅층의 탄성특성을 평가하였다.
  • 본 연구에서 제안하는 초음파원자현미경은 비파괴적인 기법으로써 캔틸레버의 팁을 재료 표면에 접촉시켜 발생되는 접촉공진주파수를 분석하여 재료의 탄성특성을 평가할 수 있고 탄성특성을 이미지화 함으로써 표면이미지뿐만 아니라 탄성이미지를 동시에 얻을 수가 있다. 나노스케일 박막 코팅층에 대한 캔틸레버의 동특성을 정확하게 분석하기 위해 변형된 Hertzian 이론을 적용하였고 200 nm 두께의 알루미늄과 티타늄으로 증착된 박막 코팅층에 대하여 접촉공진주파수 분석 및 탄성이미지를 통해 나노스케일 박막 코팅층의 탄성특성을 평가하였다.
  • 초음파원자현미경의 접촉공진주파수의 변화에 의한 나노스케일 박막 코팅층의 탄성특성을 평가하기 위해 서로 다른 재료로 증착된 두 가지의 코팅층을 제작하였다. 4인치 (100) 방향의 웨이퍼 기판을 2.

대상 데이터

  • 이 후 5분간 탈염수로 세척한 후 표면의 습기를 제거하기 위해 질소 가스로 건조 하였다. 고품질의 코팅층을 증착하기 위해 고진공 챔버에서 순도 99.995%의 알루미늄과 티타늄 타겟을 사용하여 알루미늄과 티타늄을 각각 200 nm의 두께로 DC 마그네트론 스퍼터링을 통해 증착하였다. 두 가지의 코팅층을 제작하기 위해 챔버 내의 압력은 4.

이론/모형

  • 본 연구에서는 나노스케일 박막 시스템에서 사용되는 박막 코팅 층에 대한 탄성 특성 평가를 위해 초음파원자현미경 기법을 적용하였다. 실리콘웨이퍼 기판 위에 알루미늄과 티타늄으로 200 nm 두께로 증착한 코팅층을 제작하여 캔틸레버의 접촉공진주파수의 변화를 관찰하였고 각각의 코팅층의 재료에 따라 접촉공진주파수가 다르게 발생되는 것을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
박막 코팅은 무엇을 위해 쓰이는가? 최근 박막 코팅은 기계부품의 기능성, 내마모성, 내식성, 내산화성 향상을 목적으로 소재를 보호하거나 표면 특성 개질을 위해 주로 사용되고 있으며 특히 정밀 기계, 산업기계 등에서도 다양한 박막 코팅 방법을 적용하여 널리 사용되고 있다. 박막 코팅층의 접합 특성을 향상시키기 위해서 모재와 코팅층 사이에 내식성이 우수한 Al, Ti, Ni, Cr 등과 같은 금속 중간층을 나노스케일의 두께로 형성시키게 되는데 내식성이 우수한 금속을 중간층으로 사용하더라도 박막 코팅층에 존재하는 핀홀이나 미세 결함들은 박막의 기계적인 특성을 저하시킬 수 있으므로 나노스케일 박막에 대한 정밀한 기계적 물성 평가가 요구되고 있다.
박막 코팅층의 접합 특성을 향상시키기 위해 사용하는 방법? 최근 박막 코팅은 기계부품의 기능성, 내마모성, 내식성, 내산화성 향상을 목적으로 소재를 보호하거나 표면 특성 개질을 위해 주로 사용되고 있으며 특히 정밀 기계, 산업기계 등에서도 다양한 박막 코팅 방법을 적용하여 널리 사용되고 있다. 박막 코팅층의 접합 특성을 향상시키기 위해서 모재와 코팅층 사이에 내식성이 우수한 Al, Ti, Ni, Cr 등과 같은 금속 중간층을 나노스케일의 두께로 형성시키게 되는데 내식성이 우수한 금속을 중간층으로 사용하더라도 박막 코팅층에 존재하는 핀홀이나 미세 결함들은 박막의 기계적인 특성을 저하시킬 수 있으므로 나노스케일 박막에 대한 정밀한 기계적 물성 평가가 요구되고 있다. 박막 구조물에서 나타나는 응력 변형 특성, 층간 박리, 잔류응력 등과 같은 물리적인 결함들은 박막의 기계적인 특성에 주된 영향을 미치는 요인들이며 이들은 모두 탄성계수와 밀접한 관계를 가지고 있기 때문에 코팅층의 탄성계수는 박막의 기계적 특성 평가에 있어서 가장 중요한 요소라 할 수 있다.
nano indentation test는 어떤 방법인가? 박막 구조물의 탄성특성을 평가하기 위한 기법으로는 나노인덴테이션 시험(nano indentation test)[4-6], 굽힘 시험(bending test)[7,8], 진동 시험(vibration)[9], 표면파법(surface wave emission)[10], 음향 방출법(acoustic emission)[11] 등이 있다. 이 가운데 나노인덴테이션 시험은 가장 일반적으로 사용되는 기법으로 다이아몬드 압입자를 이용하여 재료에 하중을 가한 뒤 얻어지는 압입 면적 및 하중-깊이 곡선을 분석하여 재료의 탄성계수 및 경도를 구할 수 있다. Chudoba 등[12]은 박막 코팅의 탄성 범위 내에서 구형압입자를 사용하여 탄성계수를 결정할 수 있는 가능성을 제시하였고 Liu 등[13]은 하중-깊이 곡선을 이용하여 탄성계수와 포아송의 비를 결정할 수 있는 방법과 절차에 관하여 연구하였다.
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참고문헌 (18)

  1. Ahn, H. S., 2007, Estimation of Nanomechanical Properties of Nanosurfaces using Phase Contrast Imaging in Atomic Force Microscopy, Transactions of the KSMTE, 16:5 115-121. 

  2. Lee, J. M., Han Y. H., Kwak D. R., Park, I. K., 2014, Analaysis of Contact Resonance Frequency Characteristics for Cantilever of Ultrasonic-AFM using Finite Element Method, Journal of the KSMTE, 23:5 478-484. 

  3. Ahn, H. S., Jang, D. Y., 2009, Analysis of Nano-contact between Nano-asperities using Atomic Force Microscopy, Journal of the KSMTE, 18:4 369-374. 

  4. King, R. B., 1987, Elastic Analysis of Some Punch Problems for a Layered Medium, Int. J. of Solids and Structures, 23:12 1657-1664. 

  5. Chen, X., Vlassak, J. J., 2001, Numerical Study on the Measurement of Thin Film Mechanical Properties by Means of Nanoindentation, J. of Mat. Res., 16:10 2974-2982. 

  6. Tayebi, N., Polycarpou, A. A., Conry, T. F., 2001, Effects of Substrate on Determination of Hardness of Thin Films by Nanoscratch and Nanoindentation Techniques, J. of Mat. Res., 19:6 1791-1802. 

  7. Ashrafi, B., Das, K., Faive, L. R., Hubert, P., Vengallatore, S., 2012, Measuring the elastic properties of freestanding thick films using a nanoindenter-based bending Test, Experimental Mechanics, 52(4), 371-378. 

  8. Kourtis, L. C., Carter, D. R., Beaupre, G. S., 2014, Improving the Estimate of the Effective Elastic Modulus Derived from Three-point Bending Tests of Long Bones, Annals of Biomedical Engineering, 42:8 1773-1780. 

  9. Alfano, M., Pagnotta, L., 2006, Measurement of the Dynamic Elastic Properties of a Thin Coating, Rev. of Sci. Instrum., 77:5 056107. 

  10. Schneider, D., Schwaz, T., Schultrich, B., 1992, Determination of Elastic Modulus and Thickness of Surface Layers by Ultrasonic Surface Waves, Thin Solid Films, 219:1-2 92-102. 

  11. Tsuchiya, T., Ito, K., Miyoshi, S., Enoki, M., Yamaguchi, S., 2014, In-situ Monitoring of Oxide Ion Induced Breakdown in Amorphous Tantalum Oxide Thin Film using Acoustic Emission Measurement, Mater. Trans., 55:10 1553-1556. 

  12. Chudoba, T., Schwarzer, N., Richter, F., 2000, Determination of Elastic Properties of Thin Films by Indentation Measurements with a Spherical Indenter, Surf. Coat. Technol., 127:1 9-17. 

  13. Liu, S., Wang, Q. J., 2007, Determination of Young's Modulus and Poisson's Ratio for Coatings, Surf. Coat. Technol., 201:14 6470-6477. 

  14. Liu, S., Peyronnel, A., Wang, Q. J., Keer, L. M., 2005, An Extension of the Herz Theory for 2D Coated Components, Tribol. Lett., 18:4 505-511. 

  15. Park, T. S., Kwak, D. R., Park, I. K., Kim, C. S., Jhang, K. Y., 2011, Evaluation of Elastic Properties and Analysis of Contact Resonance Frequency of Cantilever for Ultrasonic AFM, J. of KSNT, 31:2 174-180. 

  16. Cunfu, H., Gaimei, Z., Bin, W., Zaiqi, W., 2010, Subsurface Defect of the SiOx Film Imaged by Atomic Force Acoustic Microscopy, Optics and Laser in Engineering, 48:11 1108-1112. 

  17. Banerjee, S., Gayathri, N., Dash, S., Tyagi, A. K., Raj, B., 2005, A Comparative Study of Contact Resonance Imaging using Atomic Force Microscopy, Appl. Phys. Lett., 86:21 211913. 

  18. Rabe, U., Janser, K., Arnold, W., 1996, Vibrations of Free and Surfacecoupled aTomic Force Microscope Cantilevers: Theory and Experiment, Rev. of Sci. Instrum., 67:9 3281-3293. 

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