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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박익근
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
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본 논문은 초음파원자현미경(ultrasonic atomic force microscope; UAFM) 캔틸레버의 자유공진주파수와 접촉공진주파수 특성을 유한요소법(finite element method; FEM) 시뮬레이션을 통하여 구하였다. 캔틸레버가 자유공진으로 진동할 때 시험편과의 접촉 시 변하는 공진주파수에 의하여 발생하는 접촉공진주파수에 따른 형상변화를 응력변형률 이미지를 통한 시각화와 동시에 1차 모드부터 4차 모드까지의 자유?접촉공진주파수 값을 구하였다.
이 과정에서 캔틸레버의 접촉공진주파수의 특성에 영향을 끼치는 요소에 대한 진동특성방정식을 바탕으로 캔틸레버의 형상, 접촉시험편의 재질, 두께, 그리고 캔틸레버와 시험편 간의 접촉면적에 따라 달라짐을 이해하고 유한요소해석을 위한 변수로 적용하여 공진주파수 특성 변화를 살펴보았다. 이러한 다양한 변수를 통한 시뮬레이션은 실험 전 해석을 통하여 데이터를 예측할 수 있기 때문에 시험에 사용 할 적절한 캔틸레버 선택과 시험편의 설계조건에 따른 결과 값의 예측이 가능하다.
시뮬레이션 방법은 1차 모드부터 4차 모드까지의 고유진동수 해석(modal analysis)을 하였으며, 시험편은 10가지의 다양한 재료와 접촉했을 때 공진주파수 특성과 조건에 따른 결과를 비교 하였다. 이때 재료마다 물리적 특성(elastic modulus; E) 에 의하여 캔틸레버의 접촉공진주파수의 특성이 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 캔틸레버와 시험편 간의 접촉 면적이 작아질 경우 재질에 따른 공진주파수 차이가 증가하는 것을 통해 현재 상용되는 캔틸레버 팁의 면적이 적절한 것을 확인 할 수 있다. 마지막으로 시험편의 두께가 이하의 경우 공진주파수가 급격히 증가하는 현상을 바탕으로 나노구조물의 특성을 이해할 수 있다.
이 과정에서 캔틸레버의 접촉공진주파수의 특성에 영향을 끼치는 요소에 대한 진동특성방정식을 바탕으로 캔틸레버의 형상, 접촉시험편의 재질, 두께, 그리고 캔틸레버와 시험편 간의 접촉면적에 따라 달라짐을 이해하고 유한요소해석을 위한 변수로 적용하여 공진주파수 특성 변화를 살펴보았다. 이러한 다양한 변수를 통한 시뮬레이션은 실험 전 해석을 통하여 데이터를 예측할 수 있기 때문에 시험에 사용 할 적절한 캔틸레버 선택과 시험편의 설계조건에 따른 결과 값의 예측이 가능하다.
시뮬레이션 방법은 1차 모드부터 4차 모드까지의 고유진동수 해석(modal analysis)을 하였으며, 시험편은 10가지의 다양한 재료와 접촉했을 때 공진주파수 특성과 조건에 따른 결과를 비교 하였다. 이때 재료마다 물리적 특성(elastic modulus; E) 에 의하여 캔틸레버의 접촉공진주파수의 특성이 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 캔틸레버와 시험편 간의 접촉 면적이 작아질 경우 재질에 따른 공진주파수 차이가 증가하는 것을 통해 현재 상용되는 캔틸레버 팁의 면적이 적절한 것을 확인 할 수 있다. 마지막으로 시험편의 두께가 이하의 경우 공진주파수가 급격히 증가하는 현상을 바탕으로 나노구조물의 특성을 이해할 수 있다.
목차
I. 서 론 1II. 관련 이론 42.1 Hertzian 이론 42.2 캔틸레버의 진동특성 7III. 유한요소법을 이용한 캔틸레버의 공진 특성 평가 113.1 형상모델링 및 해석조건 123.1.1 캔틸레버의 형상모델링 123.1.2 캔틸레버의 해석조건 153.2 자유공진특성의 유한요소해석 183.3 접촉공진특성의 유한요소해석 223.3.1 접촉 면적에 따른 공진특성 243.3.2 재료 두께에 따른 공진특성 423.3.3 접촉 시험편의 재료특성에 따른 공진특성 48IV. 결론 62
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