Investigation of surface damage characteristics of micro/nano-scale contact sliding

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 마이크로/나노 스케일에서 발생하는 표면파손 현상에 대한 궁극적인 이해를 목표로 수행되었다. 현재 Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS)를 포함한 마이크로시스템뿐만 아니라, 각종 나노시스템에서도 접촉으로 인한 표면파손 및 마찰에 의한 에너지 손실, 그리고 이로 인한 신뢰성 문제는 기술의 실용화에 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 특히, 주사탐침현미경 (Scanning Probe Microscope)은 나노 스케일에서의 표면 측정 및 분석을 위하여 필수적으로 요구될 뿐만 아니라, 탐침을 이용한 정보저장기술, 나노 리쏘그래피 및 가공기술, 나노 조작 기술 등과 같은 많은 나노 응용분야에서 핵심적인 위치를 차지하고 있다. 이와 같은 기술에서 탐침의 파손은 분해능을 저하시켜 측정 오차를 유발할 뿐만 아니라, 응용기술의 실용화의 가장 큰 걸림돌로 제시되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는, 주사탐침현미경으로 대변되는 나노요소와 마이크로 기계요소에서 발생하는 파손현상을 이해하기 위한 실험 및 분석을 수행하였으며, 이를 통하여 마이크로/나노 스케일에서의 근본적 마멸 및 표면파손 기구를 도출하고자 하였다. 특히, 마이크로/나노 스케일에서의 마멸 및 표면파손을 정량적으로 분석하기 위하여, 본 연구에서는 기존의 여러 방법들을 비교하여 가장 효과적인 정량화 방법을 도출하고, 하중, 환경, 각종 상대 재료에 따른 마멸 및 표면파손 정도를 마멸계수와 마멸률로써 정량화하였다. 또한, 탐침의 구조를 파악하고 마이크로/ 나노 스케일에서 발생하는 극미세한 표면파손 현상을 보다 근본적이고 명확하게 이해하기 위하여 주사 전자현미경 및 투과 전자현미경을 이용하였다.
대표적 나노 시스템인 주사탐침현미경에서 탐침과 표면의 접촉으로 인한 파손을 고찰한 결과, 실리콘, 실리콘 나이트라이드, 다이아몬드 코팅 탐침의 마멸계수는 각각, 10-2~10-4, 10-4~10-5, 10-6 으로 나타났다. 즉, 탐침의 기계적 물성치가 좋을수록 우수한 마멸특성을 가짐을 알 수 있었다. 그러나 이와 같은 마멸 정도는 매크로 스케일과 비교할 때, 가혹한 마멸에 해당한다. 또한 접촉초기에 충격에 의하여 탐침 끝단에서 파단 (fracture)이 발생하였으며, 마멸 정도는 초기에 비교적 급격하게 진행되나, 미끄럼 거리가 증가할수록 감소하는 것？막？ 나타났다. 실리콘 탐침의 마멸기구로는 상대 재료와의 상호작용에 의하여 산화마멸되는 것으로 관찰되었으며, 산화되는 정도는 주변환경과 접촉압력의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 또한 다이아몬드 코팅 탐침의 마멸특성은 코팅층의 화학적 특성에 따라 크게 다르게 나타났는데, 탐침 끝단의 그레인 (grain)이 서서히 마멸되는 현상과 함께, 그레인 경계 (grain boundary)에서의 파단이 발생하는 것을 알수 있었다. 다양한 박막에 대한 스크래치 실험 결과, 경한 재료의 경우 10-8 mm3/N·cycle, 연한 재료의 경우 10-7 mm3/(Ncycle)의 마멸률을 가지는 것을 알 수 있었으며, 표면에서의 micro-plastic deformation 현상을 관찰할 수 있었다. 또한, 수 nm의 두께를 가지는 박막의 경우에도 주사탐침현미경에 기초한 nano-indentation, ramp load scratch test 등을 통하여 기계적 및 트라이볼로지적 물성 분석 및 코팅층간의 adhesion 특성을 평가할 수 있음을 제시하였다.
본 연구에서는 또한 마이크로 시스템에서의 마멸 특성을 이해하기 위하여, 현재 stiction 저감을 위하여 사용되는 부싱 (bushing)을 제작하여 100 μN의 하중