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원자력 현미경을 이용한 재료의 마찰과 응착 및 나노압입에 관한 연구

전문가 제언: ○ 마찰력은 접촉하고 있는 두 표면의 상대적 운동에 대한 저항력이고, 응착력은 접촉하고 있는 두 표면을 떼어내는 데 필요한 힘이므로 두 힘은 동전의 앞뒤와 같은 관계에 있다. 거시적 관점에서의 마찰/응착의 기구에 대한 이해는 어느 정도 확립되어 있지만, 미시적 관점에서의 마찰과 응착에 대한 이해는 아직도 많이 부족하다.

○ 미시적 관점에서의 마찰/응착은 접촉하는 두 표면과 그 사이에 끼인 계면의 물리적 형상 및 화학적/전기적 성질 등에 큰 영향을 받으며, 마모, 마찰전화(triboelectrification), 마이크로일렉트로닉스에서의 표면오염 제어, 입자 간 응착, 생체 응착 등에 중요한 역할을 한다.

○ MEMS/NEMS와 같은 나노스케일의 전자·기계장치들은 비표면적이 매우 크기 때문에 이 장치들의 작동부품들 간의 마찰/응착은 표면상태의 영향을 일반 기계보다 훨씬 크게 받는다. AFM은 원자단위 이미지를 제공하므로 이 나노스케일의 마찰/응착 현상을 연구하는 데 아주 적합하고, 더 나아가 나노스케일에서 시편의 기계적 성질을 연구하는 나노압입 장치로 활용할 수도 있다.

○ AFM의 탐침 팁으로 시료 표면을 긁음으로써 나노스케일의 마찰력을 측정할 수 있고, 시료 표면에 부착된 팁을 떼어내는 과정에서 응착력을 측정할 수 있다. 또 시료 표면을 탄성범위 내에서 누르는 나노압입 방법으로 탄성계수의 측정이 가능하고, 소성변형을 일으켜 전위(dislocation)의 생성과정을 관찰할 수도 있다.

○ 국내에도 AFM을 이용한 마찰/응착 연구가 수행되고 있으며, 4~5 개의 기업체와 연구소가 AFM을 보유하고 있다. 한 재미과학자는 AFM을 이용하여 MEMS/NEMS의 기본 재료인 도핑한 실리콘 표면의 전기장을 변화시킴으로써 마찰력을 나노스케일로 통제하는 데 성공하였다. 궁극적으로 원자/분자 수준에서의 나노스케일의 마찰/응착에 대한 근본적 이해는 다양한 산업분야에 혁신적 효과를 가져 올 수 있을 것으로 기대된다.

저자: J.J. Roa, G. Oncins, J. Diaz, X.G. Capdevila, F. Sanz, M. Segarra
자료유형: 학술정보