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문제 정의
- 즉 강성의 차이가 매우 큰 두 개의 AFM 마이크로캔틸레버를 AFM 시스템 (XE-100TM)에 장착한 다음 공진시의 신호와 시료를 탭핑시의 신호를 측정하여 주파수 영역 해석을 수행하고 POM 을 추출하였다. 동적모드 AFM 마이크로캔틸레버의 비선형성을 해석하기 위한 방법으로써의 POD 에 대한 가능성을 제시하였다.
제안 방법
- NCHR 과 OMCL 마이크로캔틸레버의 첫 번째 고유주파수로 가진하여 공기중에서 공진시켰을 때 측정한 AFM 마이크로캔틸레버 5 점에 대한 시간 신호를 이용하여 POM(Fig.7) 을 추출하였다. Fig.
- [7-8] 일반적으로 AFM 에서 팁의 변위를 측정하는 데는 1 개의 레이저 빔을 사용하는 것이 일반적이어서 동시에 다중 빔으로 5 개 측정점을 커버하도록 구현하는 것이 쉽지 않다. 따라서 본 연구에서는 개별 진동 특성이 정상상태라고 가정하고 캔틸레버의 각 측정점에서 순차적으로 측정한 신호를 가진신호를 기준으로 위상(phase)을 일치시켜 이후 처리를 진행하였다.
- NCHR 팁의 경우는 1차 고유주파수에 대해서 OCML 팁의 경우는 1,2차 고유주파수에 대해 각각 시간 신호를 얻을 수 있었다. 또한 AFM 시스템에 장착된 마이크로캔틸레버를 고유주파수로 가진하면서 딱딱한 시료인 HOPG(highly oriented pyrolytic graphite) 와 폴리머의 한 종류인 소프트한 PDMS (poly-dimethylsiloxane) 시료를 탭핑(tapping)하는 경우에도 역시 각 점에 대해 시간 신호를 측정하였다. 두 시료에 대한 상수와 물성치는 Table 2 에 나타내었다.
- 이용된 마이크로캔틸레버팁은 Nanosensors 사의 PPP-NCHR 과 Olympus 사의 OMCL-AC240TS 로 제원은 Table 1 과 같다. 마이크로캔틸레버 기저부에서 각각의 고유주파수로 가진이 이루어질 때, AFM 의 기본 레이저 측정기구를 이용하여 각 점 별로 시간 응답을 측정하였다. NCHR 팁의 경우는 1차 고유주파수에 대해서 OCML 팁의 경우는 1,2차 고유주파수에 대해 각각 시간 신호를 얻을 수 있었다.
- 비선형성을 가지는 AFM 마이크로캔틸레버 주요 모드를 추출하기 위해서 본 실험에서는 PSIA 사의 XE-100 AFM System 을 이용했으며, XE-100 System controller 에서 추출한 실시간 진동 신호 캡처를 위하여 NI 사의 2-channel 고속 데이터 획득장치(NI-5122)를 PC 에 장착하여 사용하였다. 복잡한 진동현상 측정을 위하여 우선 Fig.2, 3 과 같이 AFM 마이크로캔틸레버에 대하여 등간격으로 5 개 측정점을 설정하였다. 이용된 마이크로캔틸레버팁은 Nanosensors 사의 PPP-NCHR 과 Olympus 사의 OMCL-AC240TS 로 제원은 Table 1 과 같다.
- 본 연구에서는 POM 추출과 POV 값을 통하여 AFM 마이크로캔틸레버 팁과 같은 미소구조물의 복잡한 비선형 진동 특성을 유한 개의 유효한 선형 직교모드로 추출하였고, 그 진동특성의 차이를 정량적으로 도시하였다. 그리고 동적모드 AFM 에서 고차모드 효과는 일반적으로 예상보다 크지 않음을 알 수 있었으며, 이를 통하여 아주 특별한 경우를 제외하고는 1 차모드나 혹은 1,2 차 모드 근사를 통한 모델만으로도 충분히 해석 가능함을 예상할 수 있었다.
- 본 연구에서는 실제 이용되는 AFM 마이크로캔틸레버의 비선형 응답을 측정하여 POM 을 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 시스템 (XE-100TM)에 장착한 다음 공진시의 신호와 시료를 탭핑시의 신호를 측정하여 주파수 영역 해석을 수행하고 POM 을 추출하였다.
- 본 연구에서는 실제 이용되는 AFM 마이크로캔틸레버의 비선형 응답을 측정하여 POM 을 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 시스템 (XE-100TM)에 장착한 다음 공진시의 신호와 시료를 탭핑시의 신호를 측정하여 주파수 영역 해석을 수행하고 POM 을 추출하였다. 동적모드 AFM 마이크로캔틸레버의 비선형성을 해석하기 위한 방법으로써의 POD 에 대한 가능성을 제시하였다.
대상 데이터
- 기본적으로 캔틸레버 팁의 1 차 및 2 차 고유진동수 가진을 통하여 공진 모드의 위치별 신호를 측정용 PC 에 장착된 2 채널 고속 데이터 수집장치(NI-5122)를 통해 저장한다. 각 채널에서 수집되는 데이터는 Fig.4 와 같이 캔틸레버 기저부 가진 신호와 캔틸레버 측정점에서 들어오는 레이저 변위 신호에 해당하는 PSD(position sensitive detector) 신호이다.[7-8] 일반적으로 AFM 에서 팁의 변위를 측정하는 데는 1 개의 레이저 빔을 사용하는 것이 일반적이어서 동시에 다중 빔으로 5 개 측정점을 커버하도록 구현하는 것이 쉽지 않다.
- 비선형성을 가지는 AFM 마이크로캔틸레버 주요 모드를 추출하기 위해서 본 실험에서는 PSIA 사의 XE-100 AFM System 을 이용했으며, XE-100 System controller 에서 추출한 실시간 진동 신호 캡처를 위하여 NI 사의 2-channel 고속 데이터 획득장치(NI-5122)를 PC 에 장착하여 사용하였다. 복잡한 진동현상 측정을 위하여 우선 Fig.
성능/효과
- 본 연구에서는 POM 추출과 POV 값을 통하여 AFM 마이크로캔틸레버 팁과 같은 미소구조물의 복잡한 비선형 진동 특성을 유한 개의 유효한 선형 직교모드로 추출하였고, 그 진동특성의 차이를 정량적으로 도시하였다. 그리고 동적모드 AFM 에서 고차모드 효과는 일반적으로 예상보다 크지 않음을 알 수 있었으며, 이를 통하여 아주 특별한 경우를 제외하고는 1 차모드나 혹은 1,2 차 모드 근사를 통한 모델만으로도 충분히 해석 가능함을 예상할 수 있었다. 비접촉/간헐접촉 모드에서는 공진 모드에서보다 고차모드의 에너지 분포가 증가함을 확인할 수 있었다.
- 그리고 동적모드 AFM 에서 고차모드 효과는 일반적으로 예상보다 크지 않음을 알 수 있었으며, 이를 통하여 아주 특별한 경우를 제외하고는 1 차모드나 혹은 1,2 차 모드 근사를 통한 모델만으로도 충분히 해석 가능함을 예상할 수 있었다. 비접촉/간헐접촉 모드에서는 공진 모드에서보다 고차모드의 에너지 분포가 증가함을 확인할 수 있었다. 비접촉/간헐접촉에서 샘플의 특성에 따라서도 POV 값이 변화함을 알 수 있었다.
- 비접촉/간헐접촉 모드에서는 공진 모드에서보다 고차모드의 에너지 분포가 증가함을 확인할 수 있었다. 비접촉/간헐접촉에서 샘플의 특성에 따라서도 POV 값이 변화함을 알 수 있었다. 즉, 이러한 실험적 적합직교모드 추출을 통하여 복잡한 동적 응답을 나타내는 복잡한 구조물의 특성이라도 효과적으로 모델링할 수 있는 가능성을 확인하였다고 할 수 있다.
- 비접촉/간헐접촉에서 샘플의 특성에 따라서도 POV 값이 변화함을 알 수 있었다. 즉, 이러한 실험적 적합직교모드 추출을 통하여 복잡한 동적 응답을 나타내는 복잡한 구조물의 특성이라도 효과적으로 모델링할 수 있는 가능성을 확인하였다고 할 수 있다. 향후 개별 모드의 정량적 비교와 함께 저차원(low dimension) 모델링을 통한 현상의 기본적인 이해를 도울 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 즉, 이러한 실험적 적합직교모드 추출을 통하여 복잡한 동적 응답을 나타내는 복잡한 구조물의 특성이라도 효과적으로 모델링할 수 있는 가능성을 확인하였다고 할 수 있다. 향후 개별 모드의 정량적 비교와 함께 저차원(low dimension) 모델링을 통한 현상의 기본적인 이해를 도울 수 있을 것으로 판단된다.
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