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      • SERS 분자 센싱 응용을 위한 탄소나노튜브 스캐폴드 제작

        김성재(S. J. Kim),정지훈(J.-H. Jeong),김산하(S. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

        화학기상증착기법을 활용한 수직정렬된 탄소나노튜브의 합성 기술은 나노미터 스케일의 다공도를 가진 구조물들을 마이크로미터 스케일에서 기하학적 특성을 자유롭게 제어하여 제작할 수 있기 때문에 다양한 스캐폴드 물질로 활용이 가능하다. 그중 펨토몰 수준의 분자 검출로 응용될 수 있는 나노광학적 센싱 기법인 표면증강라만분광법(Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) 센싱에 효과적으로 응용될 수 있음이 보고된 바 있다. 하지만 표면이 소수성 특성을 갖도록 표면 특성을 조작하면 분자의 응축을 유도할 수 있는 장점이 있지만 나노 공동 내로 충분히 피분석체 용액이 침투할 수 없기 때문에 분자 센싱이 이루어지지 않는 문제가 있다. 본 연구에서는 소수성 특성을 갖더라도 SERS 센싱이 가능한 탄소나노튜브 스캐폴드 구조를 구현하기 위하여 O₂ 플라즈마 환경에 탄소나노튜브 표면을 노출시켜 나노튜브간의 응집을 형성시킴과 동시에 마이크로 구조물을 식각함으로써 탄소나노튜브 스캐폴드의 표면 다공성을 통제한다. 제작 시 플라즈마 노출 시간에 따라 표면 다공도가 단조적으로 감소함을 확인한다. 또한, 소수성 박막 코팅 및 Ag 나노 입자의 코팅이 습윤 공정(Wet Process)에서 진행되는데 모세관력에 대한 탄소나노튜브 구조의 강건성을 향상시키기 위해 ZnO 원자층증착 기술을 사용한다. 증착 두께에 따라 나노구조의 고밀화(Densification) 경향이 감소하고 표면 다공성의 열화가 사라짐을 확인한다. 마지막으로 본 공정에 따른 스캐폴드에 용액이 효과적으로 침투함을 Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDX)로 분석하였으며, 1 nM 수준의 Rhodamine 6G 피분석체가 성공적으로 검출됨을 확인한다.

      • 수직 정렬된 탄소나노튜브에 의한 긁힘마멸과 표면연마

        강석경(S. Kang),김성재(S. J. Kim),정지훈(J.-H. Jeong),김산하(S. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

        기계의 하우징부터 작은 전자기기의 부품까지 다양한 산업분야에서 표면의 정밀한 연마공정은 필수적이다. 또한, 디스플레이 등 전자부품들의 경우 점점 더 미세화되고 있는 가운데 이를 구현하기 위한 초정밀 연마공정 기술의 필요성이 지속적으로 요구되고 있다. 더욱이 최근 메모리 칩의 패키징 기술이 발전됨에 따라 특수한 종류의 금속기판을 필요로 하는 부분이 점점 더 많아지고 있기 때문에, 더욱더 단단하고 동시에 정밀한 연마가 가능한 연마기술의 개발이 요구되고 있다. 현재 정밀한 표면연마를 위해 널리 사용되고 있는 방식은 분리-연마재(Loose-abrasive) 방식으로, 이 방법은 슬러리용액에 포함된 수십 나노미터 크기의 연마입자들을 물체의 표면에 분산시키고, 기계적으로 연한 패드 혹은 천을 통해 입자들에 압력을 가하며 상대운동을 시킴으로써 연마를 진행한다. 하지만 연마공정 후 분산된 연마입자를 제거하는 세정공정이 추가적으로 필요하며, 이때 다량의 폐수가 발생되어 결과적으로 공정비용이 높아지는 문제가 있다. 반면 연마입자가 패드에 고정되어있는 고정-연마재(Fixed-abrasive) 패드의 경우, 간단한 공정으로 손쉽게 사용이 가능하다는 장점이 있지만 고정 연마입자의 크기가 수 마이크로 이상으로 크며, 입자사이즈의 편차 또한 크기 때문에 정밀한 연마수행에 한계가 있다. 본 연구에서는 직경 10-20 nm 와 높이 5-7 μm의 수직으로 정렬된 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT) 박막을 연마패드 표면에 함침하여, CNT 의 끝이 긁힘마멸 현상을 통해 정밀한 표면연마를 수행하였다. CNT는 기계적 강도가 뛰어나며, 초 미세한 직경 크기를 기반으로 기존 분리-연마 방식보다도 정밀한 연마를 가능하게 한다. 본 논문에서는 표면에 고정된 CNT 에 의현 긁힘마멸 현상을 실험적으로 분석하고 표면연마 성능을 확인한다.

      • 볼트 자리면 표면 성질에 따른 체결 마찰 특성 변화

        강석경(S. Kang),신소민(S. Shin),황혜나(H. Hwang),김산하(S. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

        볼트 체결 공정은 전자기기부터 항공, 국방 등 다양한 산업군에서 필수적으로 필요한 공정이다. 볼트가 임의로 풀리는 현상이 발생하거나, 볼트가 부서지게 되면 큰 사고의 원인이 될 수도 있기 때문에 볼트는 강건하게 체결 되어 있어야 하며 고품질의 제품을 생산하기 위해서는 체결 과정을 정밀하게 제어해주는 기술이 필요하다. 최근 생산량을 극대화하기 위해 공정의 자동화에 대한 지속적인 개발과 투자가 진행되고 있는 가운데, 볼트 체결 또한 자동화를 위한 노력이 이어지고 있다. 안정적인 볼트 체결에 필요한 축력을 발생시키기 위해서는 적정 토크로 체결시키는 것이 중요하지만 부품에 따라 동일한 토크로 체결함에도 볼트 축력의 편차가 크게 발생하는 문제가 있으며, 이는 자동화 기술을 적용하는 데에 어려움으로 작용하고 있다. 본 연구에서는 체결 토크의 주요 영향 인자인 표면 형상과 표면 거칠기, 표면 경도가 체결 토크에 어떤 작용을 하는지 확인한다. 먼저, 볼트와 강판의 자리면에서 발생하는 체결 토크를 높은 정밀도로 측정 가능한 마찰 실험 시스템을 구축한다. 볼트와 강판 간 마찰 실험 결과들과 각 부품들의 표면 형상 측정 데이터들을 비교 분석함으로써 표면 형상에 따른 체결 토크 변화 양상을 확인한다. 또한 동일한 볼트에 대하여 다른 소재의 강판을 체결하였을 때 자리면 마찰 계수가 달라지는 것을 실험적으로 확인하고, 그 원인이 강판의 표면 거칠기와 표면 경도가 달라지기 때문임을 실험적으로 검증한다. 마지막으로 본 연구에서는 표면 형상 변수, 표면 거칠기, 경도 등 자리면 표면 성질에 따른 체결 마찰 변화의 경향성을 설명하기 위한 접촉역학 기반의 마찰 이론 모델을 제시한다.

      • 기하학적 설계 변수에 따른 의료용 지방흡입 기기의 성능 분석

        김동근(D. G. Kim),김성재(S. J. Kim),장창환(C. Jang),김대겸(D. Kim),김산하(S. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

        의료용 흡입 기기는 기초 수술 분야 및 지방흡입 분야에서 널리 사용되고 있다. 조직과 직접 접촉하는 캐뉼라는 다양한 형상으로 그 특성에 따라 다목적으로 사용되고 있다. 하지만 캐뉼라의 정량적인 연구가 존재하지 않아 현재 사용되고 있는 캐뉼라 디자인이 흡입 성능에 어떤 영향을 미치는지에 대한 이해가 부족하며, 성능 개선을 위한 디자인 최적화에 어려움이 있다. 본 연구에서는 의료현장에서 실제 사용되는 캐뉼라 기기의 기하학적 특성을 분석하였고, 그에 따른 흡입 성능에 대한 정량적인 데이터를 획득하였다. 먼저, 캐뉼라의 제작 방법에 따른 외경과 내경, 팁끝 반경, 거칠기 등 기하학적 특성 데이터를 분석하였다. 지방 흡입 성능의 정량적 획득을 위해서 지방흡입 수술을 모사한 자동화 흡입 실험 시스템을 구축함으로써 캐뉼라의 기하학적 특성에 따른 흡입 성능을 평가하였다. 또한 전산 유체 역학에 따른 시뮬레이션을 통해 실험 결과와 흡입 성능을 비교 검증하였으며, 추가적인 주요 디자인 변수의 영향을 시뮬레이션을 통해 예측하였다. 캐뉼라의 지름이 커짐에 따라 단조적으로 흡입량이 증가하는 것을 확인하였고, 같은 지름에서 펌프와 근접한 상부에 흡입 구멍이 위치하는 것이 효율적임을 확인하였다. 캐뉼라의 단면 형상이 원일 때 가장 우수한 성능을 보였으며, 둘레 방향의 홀 가공은 흡입 성능과 큰 영향이 없어 목적에 맞게 유연한 디자인을 제공할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 흡입 기기의 성능을 향상시키고 세척 과정의 수월성을 높이기 위해 캐뉼라 내부에 나노다공성 윤활 코팅 방법을 제안하였다. 해당 코팅 방식은 액적에 의한 표면 오염을 줄이며 적절한 음압 조건 하에서 흡입 성능을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

      • 전기증착 기술을 활용한 구리 나노다공성 필터 제작 및 성능 평가

        류승훈(S. H. Yoo),양인영(I. Yang),정지훈(J.-H. Jung),김산하(S. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

        미세먼지의 효과적인 여과는 대기 오염과 건강 문제뿐만 아니라 높은 수준의 클린룸을 요구하는 산업에 있어 중요도가 계속 증가하고 있다. 또한 코로나와 같이 바이러스로 인한 전염이 유행하는 현 상황에서 미세먼지뿐만 아니라 바이러스를 포함한 비말을 차단하거나 세균에 대한 살균 기능이 포함된 여과 시스템에 대한 관심이 매우 높은 상황이다. 고분자 재료의 전기방사를 통한 나노 섬유 시트는 고효율 공기 필터에 가장 널리 사용되는 방법이지만 입자 포집이 물리적 여과에 크게 의존하기 때문에 높은 필터 효율을 위해서는 통기성이 낮아진다는 문제가 있다. 금속 등 전기전도성이 높은 소재를 필터에 활용하면 인가전압을 통해 정전기력을 극대화하여 고효율의 높은 통기성을 갖는 필터를 구현할 수 있는 장점이 있다. 또한 인가 전압 조절을 통해 여과 효율의 능동적 조절이 가능하고, 세척 후 사용으로 반영구적인 활용이 가능하다. 본 연구에서는 전기 증착 기술을 사용해 구리 나노 가지를 성장시킴으로써 구리 나노 다공성 시트를 제작하고 정전식 공기 필터로 활용이 가능함을 소개한다. 전기 증착 기술은은 대면적에 나노 구조물을 빠르게 제작할 수 있는 경제적인 방법이며, 이를 통해 직경이 수백 나노미터에서 수 마이크로 미터 사이의 고세 장비 구조를 표면으로부터 성장시킬 수 있다. 상용 구리 메쉬 시트에 전기 증착을 통해 구리 나노구조들을 성장시킴으로써 제작된 필터는 기존 필터와 같이 물리적인 입자 여과가 가능할 뿐만 아니라 20 V 이하의 낮은 인가 전압을 사용하여 여과 효율을 획기적으로 높일 수 있음을 실험적으로 검증한다.

      • 탄소나노튜브 기반 나노다공성의 3 차원 미세 구조물 제작 및 이를 이용한 표면 연마 특성 분석

        제형민(H. Je),김성재(S. J. Kim),김산하(S. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

        오늘날 고집적 3D 반도체 소자 제조에 있어 화학적기계연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP)는 필수적인 생산공정 기술이지만, 패드의 높은 마모율과 다량의 연마제, 화학제, 컨디셔너와 같은 소모재 사용으로 인해 높은 공정 비용이 발생하고, 많은 후처리 공정을 야기하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 기존 화학적기계연마 공정의 문제점을 개선하기 위해, 표면에 연마제가 증착된 3 차원 형태의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT) 미세 구조물들을 제작하고, 이를 이용한 표면 연마 특성을 분석한다. CNT 기반의 나노다공성 미세구조물들을 활용하면 기계적으로 유연하면서도 연마제에 충분한 힘을 전달할 수 있기 때문에 정밀한 연마가 가능하며, CNT 의 높은 내마모 특성을 통해 높은 수명시간을 기대할 수 있다. 또한 나노연마제를 CNT 에 증착시킴으로써 연마제의 소비량을 획기적으로 줄일 수 있으며, 컨디셔너의 사용이 필요 없고 세척 등 후처리 공정도 최소화할 것으로 예상된다. 미세 구조물 제작에는 화학기상증착, 기계적 전사, 원자층증착 기술들을 순차적으로 활용하며, 이를 통해 CeO₂ 나노연마제가 증착된 CNT 미세구조물들을 다양한 형태로 제작할 수 있음을 보인다. 연속적인 연마 입자의 공급 없이도 표면연마를 수행함을 실험적으로 검증하고, 구조물의 형상과 길이에 따른 기계적인 특성을 분석하여 이를 연마 성능과 비교한다. 마지막으로 표면의 연마 흔적을 확인하여 새로운 연마 방법의 재료 제거율(Material Removal Rate, MRR)을 정량적으로 평가한다.

      • 접착력의 능동 제어와 촉각 센싱이 가능한 스마트 그리핑 표면의 적층 제조

        김동근(D. G. Kim),제형민(H. Je),김산하(S. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

        제조업의 생산기술 패러다임이 변화함에 따라 스마트 팩토리 구축을 위한 첨단화 및 지능화 기술들의 필요성이 증대되고 있으며, 특히 고도의 자동화 생산을 구현하기 위해서는 지능형 로봇 기술 도약이 필수적이다. 로봇 그리핑 시스템은 제조 산업의 다양화로 인하여 적용 범위가 넓어졌으며, 수동적이고 전통적인 그리핑 방법으로는 한계점이 존재한다. 본 연구에서는 기계적으로 유연하면서도 접촉을 감지할 수 있는 촉각 센싱 기능과 접착력을 가역적으로 제어 가능한 3 차원 2-in-1 스마트 그리핑 표면 구조를 제안한다. 광경화성 수지 조형 방식(SLA)의 적층 제조방식을 이용하여 마이크로 미터 크기의 3 차원 접착 표면을 제작하고, 은 나노 와이어로 구성된 전극 패턴 형성과 탄성중합체(Elastomer)를 코팅함으로써 전자접착(Electroadhesion)을 유도하여 그리핑이 가능하다. 이때 형성된 전극은 콘덴서 구조를 가지며, 표면 구조와 접촉될 때 발생하는 전기용량(Capacitance)의 변화율을 측정함으로써 접촉 면적, 접촉력, 접촉 깊이, 재질에 따라 촉각 감지를 구현할 수 있다. 0-3 kV 의 인가되는 외부 전압에 따라 전기접착력의 크기가 변화하며, 이때 인가 전압을 조절하여 접착력 조작한다. 또한, 적층 제조 기술을 활용하면 다양한 형상을 가지는 마이크로 표면 구조를 제작하여 성능을 개선할 수 있다. 본 연구에서는 각도, 접착 표면의 모양, 스케일의 변화에 따른 기계적 물성을 측정하여, 다양한 조건에서의 측면 접착력(Lateral Adhesion)과 전기용량 변화를 분석한다. 또한 3 차원 접착 표면을 로봇 그리퍼에 적용하여 가용 파지력(Gripping Force)를 정량적으로 평가한다.

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