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초음파원자현미경을 이용한 나노스케일 박막 코팅층에 대한 탄성특성 평가
곽동열(Dong Ryul Kwak),조승범(Seung Bum Cho),박익근(Ik Keun Park) 한국생산제조학회 2015 한국생산제조학회지 Vol.24 No.5
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 characteristics of the cantilever. We coat 200 nm thick Aluminum and Titanium thin films on the substrate using the DC Magnetron sputtering method. The amplitude and phase of the contact resonance frequency of a vibrating cantilever varies in response to the local stiffness constant. Ultrasonic-AFM images were obtained using the variations in the elastic property of the materials. The morphology of the surface was clearly observed in the Ultrasonic-AFM images, but was barely visible in the topography. This research demonstrates that Ultrasonic-AFM is a promising technique for visualizing the distribution of local stiffness in the nano-scale thin coatings.
고감쇠 재료에서 위상배열초음파의 FMC-TFM 기법 적용에 관한 연구
곽동열(Dong Ryul Kwak),이태훈(Tae Hun Lee),김왕배(Wang Bae Kim) 한국비파괴검사학회 2021 한국비파괴검사학회지 Vol.41 No.5
고감쇠 재료에서는 초음파 빔의 왜곡과 감쇠 특성 때문에 하나의 압전소자로 송·수신하는 위상배열초음파의 Full Matrix Capture (FMC) 기법을 적용할 경우 충분한 음압으로 반사 신호를 취득하기 어려울 수 있다. 따라서 고감쇠 재질에 대해서 FMC에 기반한 Total Focusing Method (TFM) 기법의 적용 가능성을 확인할 필요가 있다. 본 연구에서는 2.25 MHz, 32개 소자의 선형 위상배열탐촉자를 사용하였고, 304 스테인리스강 시험편과 주조 오스테나이트 스테인리스강 시험편에 있는 동일한 위치의 측면공에 대하여 일반적인 위상배열초음파검사 신호와 FMC 데이터를 각각 수집하였다. 수집된 FMC 데이터는 후처리 기법을 통해 Sectorial 스캔 및 TFM 이미지로 합성되었고 각 결과의 측면공 수신 신호의 진폭을 비교하였다. 304 스테인리스 강 대비 고감쇠 재료인 주조 오스테나이트 스테인리스 강 시험편에서 FMC 데이터로 합성된 원거리 측면공 신호의 진폭 비율이 일반적인 위상배열초음파검사 결과보다 더 낮게 나타났다. 이를 통해 고감쇠 재료에서 FMC-TFM 기법을 적용하기 위해서는 수신 신호의 진폭 감소율을 고려하여 최종 합성 신호 품질을 확인해야 한다. Obtaining received response signals with sufficient sound pressure can be difficult because of the distortion and attenuation of ultrasonic waves in high-attenuation materials when full matrix capture (FMC) technique is applied for transmitting and receiving the signal by each element in phase arrayed ultrasonic testing (PAUT). Therefore, it is necessary to verify the application of a total focusing method (TFM) based on the FMC for the materials. In this study, a linear phased array probe with 32 elements and a center frequency of 2.25 MHz was used and both commercial phased array response signals and FMC data were collected for side drill holes (SDHs) at the same position in 304 stainless steel and cast austenitic stainless steel. The corrected FMC data were then synthesized to sectorial scans and TFM images via post-processing, and the received response amplitudes for the SDHs were compared. In case of the cast austenitic stainless steel of high attenuation versus 304 stainless steel, the rates of response signal amplitude for the far-distance SDH obtained by using the FMC dataset collection was lower than those obtained by using the commercial sectorial scan of PAUT. Consequently, the quality of the final synthesized signals should be investigated by considering the reduction rate of received response amplitudes for application of the FMC-TFM technique to high-attenuating materials.
직류 마그네트론 스퍼터링으로 증착된 은 박막에서의 산소 검출에 관한 연구
곽동열(Dong Ryul Kwak),조승범(Seung Bum Cho),강동찬(Dong Chan Kang),김용성(Yong Sung Kim),박태성(Tae Sung Park),박익근(Ik Keun Park) 한국비파괴검사학회 2018 한국비파괴검사학회지 Vol.38 No.5
박막 증착 공정에서는 기판 온도, 압력, 전압뿐만 아니라 스퍼터링 공정에서 발생된 산소의 검출량과 같은 미소량의 변수가 박막의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 고진공의 직류 마그네트론 스퍼터링 공정으로 제작된 박막에서 산소의 존재 여부를 확인하기 위해 유리 기판 위에 110 nm의 두께로 은박막을 증착하였다. 스퍼터링 공정에서 DC 출력 제어 및 아르곤 분압 조절 조건과 DC 출력 조절 및 아르곤분압 제어 조건을 다르게 하여 박막을 제작하였고 X선 회절분석법과 레이저 유도 플라즈마 분광분석법을 적용하여 산소의 검출 여부를 확인하였다. 스퍼터링 공정에서 발생된 산소 음이온의 영향으로 은 박막의 표면과 깊이 방향으로 산소가 분포되었고 스퍼터링 조건에 따라 산소의 양이 다르게 검출됨을 확인하였다. The properties of thin films can be effected by small variations such as in the amount of oxygen present during thin film deposition and in sputtering parameters, including the substrate temperature, working pressure, and sputtering voltage. In this study, silver thin films with 110 nm thickness were deposited on a glass substrate by DC magnetron sputtering with high vacuum levels for oxygen detection. The silver thin films were fabricated by keeping the DC output voltage constant and varying the Ar pressure and then varying the DC output voltage and keeping the Ar pressure constant in the sputtering process. Then, X-ray diffraction and laser-induced breakdown spectroscopy analyses were conducted to detect the induced oxygen in the films. The results showed that induced oxygen was present on the surface and along the direction of depth due to the oxygen ions in the sputtering process and that the amount of oxygen differed according to the sputtering parameters.
초음파원자현미경을 이용한 나노구조 박막의 접착 계면 특성 평가
곽동열(Dong-Ryul Kwak),박태성(Tae-Sung Park),박익근(Ik-Keun Park) 한국생산제조학회 2011 한국생산제조시스템학회 학술발표대회 논문집 Vol.2011 No.4
In this study, Ultrasonic-AFM(Ultrasonic Atomic Force Microscopy) measurements was used to access the interfacial adhesive properties of a photo resist. For these experiments, SPR 3012 and NFR 105G deposited on a (100) silicon wafer by spin coating was used. Because of the optional surface coating process, fabricated specimens are different from adhesive conditions. In the experimental result, as the adhesice strength is increased, the resonance frequency and amplitude are decreased. The reason is that it is due to contact stiffness variation indicating delamination.
곽동열(Dong-Ryul Kwak),박태성(Tae-Sung Park),박익근(Ik-Keun Park),Chiaki Miyasaka 한국비파괴검사학회 2012 한국비파괴검사학회지 Vol.32 No.2
본 연구에서는 초음파원자현미경 캔틸레버의 접촉 공진주파수를 이용하여 실리콘 웨이퍼와 나노스케일의 폴리머 박막 패턴의 접합면 사이에서 나타나는 접합 특성을 UAFM 이미지를 통해 평가하였다. 이를 위해 실리콘 웨이퍼의 표면 처리 공정을 다르게 하였고 리소그래피 공정을 통해 300 nm의 폴리머 박막 패턴을 제작하였다. 제작된 시험편의 접합 상태를 광학현미경 이미지를 통해 서로 비교하였고 나노 스크래치 시험의 임계하중 값을 통하여 나노 패턴의 접합 상태를 검증하였다. 각각의 시험편에 대해 UAFM을 이용하여 1 ㎛ × 1 ㎛ 크기의 표면 이미지와 표층부의 접합상태 이미지를 각각 얻었고 접촉 공진주파수의 진폭과 위상의 변화로 인한 접합부의 이미지 콘트라스트 차이로 접합 상태를 평가하였다. This study presents the assessment results of adhesive properties on the interface between a silicon wafer and nano-scale polymer thin film pattern through UAFM images by using the contact resonance frequency of the cantilever. For the experiment, we varied surface treatment processes for the silicon wafer and fabricated a 300nm polymer thin film pattern through lithography. Images from the optical microscope were used to compare the produced test specimens for adhesive condition and the critical load value from the nano scratch test was used to verify the adhesive condition of the nano pattern. Each test specimen resulted in a 1 ㎛ ×1 ㎛ surface image and subsurface adhesive image. Adhesive condition was evaluated by image contrast differences on the interface according to the changing amplitudes and phases of contact resonance frequency.