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레이저 초음파를 이용한 표면파 측정 시스템 개발 및 박막의 탄성계수 평가 응용
김윤영(Yun Young Kim),이정명(Jeongmyung Lee),조창훈(Changhoon Jo) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.3
본 연구에서는 레이저로 여기된 표면파의 전파거동을 이용하여 박막의 탄성계수를 평가하는 측정시스템을 구축하였다. 나노초 펄스 레이저 광을 박막의 표면에 집속시킴으로써 국소적으로 가열된 지점에서 표면파를 생성하였으며, 레이저 간섭계를 사용하여 표면변위를 측정함으로써 시간영역 파형 신호를 얻었다. 실험 결과로부터 탄성계수를 도출하기 위하여 전달행렬법을 이용해 분산곡선을 계산하고 곡선맞춤 하였다. 1.0 μm 두께의 티타늄 박막에 대하여 나노압입시험과 비교검증을 한 결과 6.3% 오차범위 내에서 탄성계수 값이 일치하는 것을 확인하였다. 또한, 박막의 두께가 240 nm로 줄어들었을 때에 탄성계수는 단지 2.7% 증가하여 크기효과는 미미함을 확인하였다. A measurement system was established to evaluate Young’s modulus of thin films using the propagation behavior of the laser-induced surface acoustic wave (SAW). A nanosecond-laser beam was focused onto the surface of the thin film to generate SAW at the locally heated spot, and its time-domain waveforms were obtained using a laser interferometer by measuring the surface displacement. The transfer matrix method was used to calculate the dispersion curve such that Young"s modulus of the film can be deduced from the experimental data by curve-fitting. A 1.0 μm-thick titanium (Ti) film was tested, and the results were in good agreement with that of the nanoindentation testing with an error percentage of 6.3%. In addition, 240 nm Ti was tested, and only a 2.7% increase in the elastic property was observed, showing that the scale effect is not significant.
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