KR101411328B1 - 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조 및 그 제조 방법 - Google Patents

마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서로 접촉한 상태에서 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 서로 접촉하며 상대운동하는 두 구조물 사이의 마찰 마모 저감을 위해 구조물 표면에 형성되는 탄성 표면 구조에 있어서, 기둥 모양을 가지며 상기 구조물의 표면에 일정 간격으로 배열 형성되고, 상대 구조물로부터의 하중 인가시 고유 탄성 범위 내에서 변형되는 한편, 하중 제거시 다시 초기 형상으로 복원되는 복수의 기둥부와; 판 모양을 가지며 상기 기둥부의 상단에 고정되고, 상대 구조물로부터의 하중 인가에 따른 상기 기둥부의 탄성 변형시 상대 구조물의 표면과 접촉된 상태에서 상기 기둥부와 연동하여 거동하는 복수의 판부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조 및 그 제조 방법{Elastic surface structure for wear and friction reduction and method thereof}
본 발명은 서로 접촉한 상태에서 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 서로 접촉한 상태에서 상대운동을 하는 두 구조물 사이의 마찰 마모 특성을 향상시키기 위하여 구조물 표면에 박막 코팅(thin coating)을 형성하는 방법이 많이 사용되고 있다. 이러한 박막 코팅의 재료로 경질 재료(hard material)를 사용하는 경우, 코팅층의 강도 증가로 인해 마모 현상이 적게 발생될 것으로 생각하기 쉽지만, 이러한 경질 재료는 전단 응력(shear stress)이 높기 때문에 마찰력이 높게 생성되어 표면 마모를 가속시킬 수 있다. 이와 반대로, 박막 코팅 재료로 연질 재료(soft material)를 사용하는 경우에는 전단 응력(shear stress)이 낮기 때문에 경질 재료를 사용하는 경우보다 마찰력이 낮게 생성될 수 있지만 코팅층의 강도가 낮기 때문에 하중이 집중될 경우 코팅층이 파손되어 마모 현상이 증가 될 수 있다. 이처럼 구조물 표면의 박막 코팅시 경질 재료나 연질 재료를 사용하는 경우 마찰 및 마모 측면에서 각각의 장단점을 갖게 되는 것이 일반적이다.
이와 같이 구조물 표면에 코팅되는 재료의 특성에 따라 마찰 마모 저감 측면에서 서로 다른 장단점을 보이기 때문에, 종래에는 이러한 구조물 표면에 서로 다른 특성의 재료를 함께 사용하여 마찰과 마모 특성을 향상시키는 연구가 많이 진행되어 왔다. 이와 관련된 기존의 논문으로는, "A novel approach to wear reduction of micro-components by synthesis of carbon nanotube-silver composite coating, Dae-Eun Kim, Chang Lae Kim, Hyun-Joon Kim, CIRP Annals-Manufacturing Technology 60 (2011) 599-602"가 있다. 이 논문에서 소개된 내용을 보면, 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 위에 높은 강도를 가지는 경질 재료인 CNT(Carbon Nano Tube) 코팅과 연질 재료인 은(silver) 코팅을 결합시켜 실험한 결과, 은 코팅이나 CNT 코팅 한 가지만 사용하였을 경우보다 두 가지의 서로 다른 물질을 결합시킨 경우에 낮은 마찰계수와 낮은 마모율을 보인다는 것을 실험을 통해 확인하였다.
도 1은 위의 논문에 소개된 은(Ag) 단독 코팅과 CNT-Ag 이중 코팅(dual coating) 효과를 비교 도시한 것이다. 도 1의 (a)에서 보인 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 표면에 연질 재료인 은(Ag)이 단독 코팅된 경우에는 상부 구조물과의 접촉시 마찰로 인해 무른 재질의 코팅 표면이 쉽게 뜯겨져 나가는 현상이 발생되는 반면, 도 1의 (b)와 같은 경질 재료와 연질 재료가 결합된 CNT-Ag 이중 코팅 구조의 경우에는 경질 재료인 CNT에 의한 앵커링(anchoring) 효과에 의해 마찰 마모가 저감되는 것을 볼 수 있다.
한편, 또 다른 논문(Friction and wear characteristics of C/Si bi-layer coatings deposited on silicone substrate by DC magnetron sputtering, Oleksiy V. Penkov, Yegor A. Bugayev, Igor Zhuravel, Valeriy V. Kondratenko, Auezhan Amanov, Dae-Eun Kim, Tribol Lett (2012) 48 : 123-131)에서는 실리콘 웨이퍼 위에 연질 재료인 비정질 카본(amorphous carbon)을 코팅하고 그 위에 경질 재료인 비정질 실리콘(amorphous silicon)을 코팅한 이중 코팅 구조의 경우, 마찰 마모 저감 특성이 비정질 카본 또는 비정질 실리콘만을 단독 코팅한 경우에 비하여 낮은 마찰 계수와 낮은 마모율을 가진다는 사실이 실험적으로 확인되었다.
도 2는 위와 같은 내용을 도식적으로 설명하는 개념도로서, 기판(substrate) 표면에 상부 구조물을 통해 수직 하중을 주면서 마찰을 발생시킨 후 수직 하중을 제거하였을 때에, (a)연질 재료인 비정질 카본을 코팅한 경우와, (b)경질 재료인 비정질 실리콘을 코팅한 경우, 그리고 (c)상기 2개의 서로 다른 물질을 함께 코팅한 경우에 대한 각각의 코팅 표면의 형상을 보여주고 있다. 도 2의 비교 결과와 같이, 기판 위에 연질 재료인 비정질 카본과 경질 재료인 비정질 실리콘이 순차적으로 적층된 이중 코팅 구조(c)가, 연질 재료인 비정질 카본만으로 코팅되거나(a) 또는 경질 재료인 비정질 실리콘만으로 단독 코팅된 구조(b)보다 낮은 마찰 계수와 낮은 마모율을 나타내는 것을 볼 수 있다.
그러나, 상기와 같이 연질 재료 및 경질 재료가 구조물 표면에 함께 코팅된 이중 코팅 구조가 연질 또는 경질의 단일 재료로 단독 코팅된 구조보다 우수한 마찰 마모 특성을 보이지만, 이러한 이중 코팅 구조의 경우에도 도 3에 보인 것처럼, 서로 상대운동하는 상부 구조물(20)로부터 인가되는 수직하중에 의해 코팅 표면에 변형이 발생될 경우, 경질 재료로 구성된 상부 코팅층(14)이 연질 재료로 구성된 하부 코팅층(12)의 변형을 온전하게 따라가지 못하게 되어 상부 구조물(20)과 접촉되는 상부 코팅층(14) 부분에 크랙(crack)이 발생되어 코팅층의 파손을 유발하는 문제가 있고, 특히, 상부 코팅층(14)의 변형과정에서 수평방향으로의 응력 집중으로 인해 코팅층 파손 현상이 더 쉽게 일어나서 마모 입자가 많이 발생하게 되고, 이렇게 발생되는 마모 입자로 인해 마찰 마모에 심각한 영향을 끼치게 되는 문제가 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 서로 접촉하며 상대운동하는 두 구조물 중 하부 구조물 표면의 상부층이 수평방향으로 분리된 다수의 판 형태의 구조물로 형성되고, 하부층이 상기 판 구조물을 받쳐주며 탄성 변형되는 기둥 형태의 구조물로 형성된 기능성 표면 형상을 갖도록 형성함으로써, 기둥 구조를 갖는 하부층이 탄성 영역 내에서 변형된 후 복원이 가능하도록 강성(stiffness)을 조절하여 최적화된 탄성 거동을 구현할 수 있고, 상기 하부층의 탄성 영역에서의 에너지 흡수 및 복원에 따른 상부층의 마찰 마모 저감 효과를 극대화시킬 수 있는 마찰 및 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 서로 접촉하며 상대운동하는 두 구조물 사이의 마찰 마모 저감을 위해 구조물 표면에 형성되는 탄성 표면 구조에 있어서, 기둥 모양을 가지며 상기 구조물의 표면에 일정 간격으로 배열 형성되고, 상대 구조물로부터의 하중 인가시 고유 탄성 범위 내에서 변형되는 한편, 하중 제거시 다시 초기 형상으로 복원되는 복수의 기둥부와; 판 모양을 가지며 상기 기둥부의 상단에 고정되고, 상대 구조물로부터의 하중 인가에 따른 상기 기둥부의 탄성 변형시 상대 구조물의 표면과 접촉된 상태에서 상기 기둥부와 연동하여 거동하는 복수의 판부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 판부들은 일정 간극을 두고 어레이(array) 형태로 배열될 수 있다.
또한 서로 이웃하는 판부들은 연결부를 통해 서로 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 기둥부는 탄성 변형이 이루어지기 전의 초기 형상이 비스듬히 기울어진 형태를 갖도록 제작될 수 있다.
이때, 상기 기둥부와 판부는 상기 구조물과 동일 재질로 구성될 수 있다.
또는, 상기 판부를 상기 구조물과 동일 재질로 구성하고, 상기 기둥부를 상기 판부와 서로 다른 재질로 구성할 수도 있다.
또한, 상기 기둥부를 탄성 있는 연질 재료로 구성하고, 상기 판부를 상기 기둥부보다 높은 경도를 갖는 경질 재료로 구성할 수도 있다.
구체적으로, 상기 판부는 실리콘(silcon)으로 구성되고, 상기 기둥부는 이산화실리콘(SiO2)으로 구성될 수 있다.
상기 기둥부의 폭과 높이는 상기 판부에 접촉하는 상대 구조물의 표면 형상과 작용하는 수직 하중에 따라 수치해석을 통해 산출된 값에 의해 결정된다.
이와 같은 기둥부 및 판부 구조를 갖는 상기 구조물의 표면은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems ) 공정을 통해 제작될 수 있다.
상기 기둥부 및 판부는 리소그래피(Lithography)에 의한 식각(etching) 공정에 의해 형성되거나, 또는 FIB(Focused Ion Beam)에 의한 식각(etching) 공정에 의해 제작될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조는 MEMS 장치에 있어서 서로 접촉하며 상대운동하는 MEMS 구조물의 표면에 적용함으로써 MEMS w장치의 마찰 마모 특성을 개선할 수 있다.
한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 서로 접촉하며 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법에 있어서, (a) 실리콘 기판 표면에 제1산화막을 형성한 후 그 위에 포토레지스트를 도포하는 단계와; (b) 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 상기 실리콘 기판 표면에 도포된 포토레지스트 및 제1산화막의 일부분을 식각 공정을 통해 제거하는 단계와; (c) 상기 (b)단계에서 제거되지 않고 남아 있는 포토레지스트를 마스크로 사용하여 실리콘 기판의 표면을 일정 깊이로 식각하여 다수의 식각홈을 형성한 후, 제1산화막 위에 남아 있던 잔여 포토레지스트를 제거하는 단계와; (d) 상기 제1산화막의 표면과 상기 식각홈의 벽면 및 바닥면에 제2산화막을 코팅하는 단계와; (e) 상기 식각홈의 벽면 부분에 코팅된 제2산화막을 제외한 상기 제1산화막의 상부면 및 상기 식각홈의 바닥면 부분에 코팅된 제2산화막을 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 제거하는 단계와; (f) 상기 식각홈의 하단부를 등방성 식각(isotropic etching) 공정을 통해 일정 시간 동안 식각하여 기둥부를 형성한 후, 상기 실리콘 기판 표면에 남아 있던 제1산화막과 상기 식각홈의 벽면 부분에 남아 있던 제2산화막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (c) 단계의 식각홈은 DRIE(Deep reactive ion etching) 공정을 통해 형성될 수 있다.
그리고, 상기 (d) 단계의 제2산화막 코팅은 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정을 통해 이루어질 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계의 제2산화막 제거는 RIE(Reactive ion etching) 공정을 통해 이루어질 수 있다.
아울러 상기 (f) 단계에서 상기 식각홈 하단부의 등방성 식각은 플라즈마를 이용한 식각 공정을 통해 이루어질 수 있다.
한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 또 다른 형태의 탄성 표면 형성 방법은, (a) (111) 결정방향을 갖는 실리콘 기판 표면에 제1산화막을 형성한 후 그 위에 포토레지스트를 도포하는 단계와; (b) 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 상기 실리콘 기판 표면에 도포된 포토레지스트 및 제1산화막의 일부분을 식각 공정을 통해 제거하는 단계와; (c) 상기 (b)단계에서 제거되지 않고 남아 있는 포토레지스트를 마스크로 사용하여 실리콘 기판의 표면을 일정 깊이로 식각하여 다수의 식각홈을 형성한 후, 제1산화막 위에 남아 있던 잔여 포토레지스트를 제거하는 단계와; (d) 상기 제1산화막의 표면과 상기 식각홈의 벽면 및 바닥면에 제2산화막을 코팅하는 단계와; (e) 상기 식각홈의 벽면 부분에 코팅된 제2산화막을 제외한 상기 제1산화막의 상부면 및 상기 식각홈의 바닥면 부분에 코팅된 제2산화막을 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 제거하는 단계와; (f) 상기 식각홈의 하단부를 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 일정 시간 동안 식각하여 비스듬히 기울어진 형태의 기둥부를 형성한 후, 상기 실리콘 기판 표면에 남아 있던 제1산화막과 상기 식각홈의 벽면 부분에 남아 있던 제2산화막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (c) 단계의 식각홈은 DRIE(Deep reactive ion etching) 공정을 통해 형성될 수 있다.
그리고, 상기 (d) 단계의 제2산화막 코팅은 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계의 제2산화막 제거는 RIE(Reactive ion etching) 공정을 통해 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 (f) 단계에서 상기 식각홈 하단부의 비등방성 식각은 수산화칼륨(KOH) 용액을 이용한 습식 식각 공정을 통해 이루어질 수 있다.
한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 또 다른 형태의 탄성 표면 형성 방법은, (a) SOI 웨이퍼 표면 위에 포토레지스트를 도포하는 단계와; (b) 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 상기 SOI 웨이퍼 표면에 도포된 포토레지스트와 SOI 웨이퍼의 상부 실리콘층 일부분을 식각 공정을 통해 제거하여 식각홈을 형성하는 단계와; (c) 상기 포토레지스트를 제거한 후, 상기 상부 실리콘층에 형성된 식각홈을 통해 상,하부 실리콘층 사이에 위치한 산화막층의 일부분을 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 일정시간 동안 식각하여 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (b) 단계의 식각홈은 RIE(Reactive ion etching) 공정을 통해 형성될 수 있다.
또는, 상기 (b) 단계의 식각홈은 FIB(Focused Ion Beam)나 레이저 또는 기계적 절삭 공정을 통해 형성될 수도 있다.
아울러 상기 (c) 단계의 산화막층에 대한 비등방성 식각은 불산(HF) 또는 BOE(Buffered Oxide Etchant) 용액을 이용한 습식 식각 공정을 통해 이루어질 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 서로 접촉하며 상대운동하는 구조물 표면의 상부층을 수평방향으로 분리된 다수의 판 형상으로 형성하고, 하부층을 상기 판을 받쳐주며 탄성 변형하는 기둥 형상으로 형성하여, 접촉 하중 인가시 기둥 구조를 갖는 하부층이 탄성 영역 내에서 변형된 후 다시 초기 상태로 복원이 가능하도록 강성(stiffness)을 조절할 수 있는 구조로 형성함으로써, 구동되는 하중에서 최적화된 탄성 거동을 구현하여 마찰 마모 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
특히, 구조물 표면의 하부층에 형성된 얇은 기둥과 상부층에 형성된 얇은 판 형태의 구조물을 통해 접촉되는 상대 구조물의 형상에 따라 변형이 가능해지고 하중이 제거되거나 형상이 변하면 그에 따라 탄성 변형을 할 수 있기 때문에 마모 특성을 향상시킬 수 있고, 다수의 판 구조물에 따른 하중(압력) 분산 효과로 인해 기존과 같이 구조물 표면의 특정 부위에 하중이 집중되서 표면을 파고드는 현상을 줄일 수 있어 마찰 특성을 한층 높일 수 있다.
그리고, 상기 구조물 표면의 상부층을 구성하는 다수의 판 사이를 연결부를 통해 서로 연결한 기능성 표면을 갖도록 형성함으로써, 어느 특정 판 부분에 집중적으로 작용되는 하중(압력)을 상기 연결부를 통해 연결된 이웃하는 다른 판 부분으로 적절히 분산시킬 수 있기 때문에, 집중 하중 작용으로 인한 구조물 표면의 파손을 방지할 수 있고, 구조물 표면의 안정적인 탄성 거동이 가능하도록 구현할 수 있다.
또한, 접촉되는 상대 구조물의 표면 형상과 수직하중을 고려하여 탄성 영역에서 거동할 수 있는 수평방향으로 분리된 판 구조와, 기둥의 두께 및 높이를 수치해석을 통해 산출하여 상대 구조물의 크기에 적합한 SOI 웨이퍼를 선택한 후, SOI 웨이퍼의 최상층을 간단한 MEMS 공정을 통해 패터닝하여 수평방향으로 분리된 판 구조와 기둥 구조가 형성된 최적화된 탄성 거동을 하는 기능성 표면을 형성할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 연질 재료를 이용한 단독 코팅 구조와 연질 재료 및 경질 재료를 이용한 이중 코팅 구조의 효과를 비교 도시한 개념도
도 2는 기판 표면에 마찰을 발생시킨 후 제거하였을 때, 연질 재료 또는 경질 재료로 단독 코팅된 경우와 연질 및 경질 재료가 함께 코팅된 경우에 대한 마찰 마모 효과를 비교 도시한 개념도.
도 3은 종래의 연질 및 경질 재료가 함께 코팅된 복합 코팅 구조에서 연질코팅층의 탄성 변형에 따른 경질코팅층의 크랙(crack) 발생 현상을 보여주는 개념도.
도 4는 본 발명의 일실 시 예에 따른 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조를 도시한 사시도.
도 5는 도 4의 단면도.
도 6은 상부 구조물로부터의 하중 인가시 기둥부의 탄성 변형에 의해 판부가 상부 구조물의 표면 형상에 따라 거동하며 마찰 마모가 저감되는 모습을 보여주는 사용 작동 상태도.
도 7은 SOI 웨이퍼를 이용한 탄성 표면 구조의 제작 공정을 순차적으로 도시한 공정도.
도 8은 도 7의 제작 공정을 이용하여 제작된 탄성 표면 구조를 상부에서 바라본 평면도.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 구조물 표면의 상부층에 형성된 다수의 판부가 연결부를 통해 서로 연결된 모습을 보여주는 평면도.
도 10은 두 구조물 간의 상대운동시 탄성 표면의 판부와 기둥부 사이에 형성된 공간 내부로 마모 입자가 포집되는 모습을 보여주는 예시도.
도 11은 두 구조물 간의 상대운동시 탄성 표면의 판부와 기둥부 사이에 형성된 공간 내부에 윤활제가 저장된 모습을 보여주는 예시도.
도 12는 도 8의 변형 예로서, 두 구조물 간에 특정 방향으로만 슬라이딩이 이루어지는 경우 적용될 수 있는 판부 및 기둥부 형상 구조를 예시한 평면도.
도 13은 도 12의 다른 실시 예로서, 판부와 기둥부가 연결부를 통해 서로 연결된 모습을 보여주는 평면도.
도 14 및 15는 상부 구조물의 표면 형상 및 수직 하중에 따라 다양하게 변경가능한 판부 및 기둥부의 모습을 나열한 예시도.
도 16은 싱글 웨이퍼(single wafer)를 이용한 탄성 표면 구조의 제작 공정을 순차적으로 도시한 공정도.
도 17은 본 발명의 다른 실시 예로서, 경사진 기둥부 형태를 갖는 탄성 표면 구조를 보여주는 단면도.
도 18은 (111) 단결정 방향을 갖는 싱글 웨이퍼를 이용하여 경사진 형태의 기둥부를 갖는 탄성 표면 구조를 제작하는 공정을 순차적으로 도시한 공정도.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 서로 접촉한 상태에서 상대운동을 하는 두 구조물 간의 내마모 특성을 개선하기 위한 기술로서, 종래와 같이 소재 자체의 물성(예를 들어, 경도)에 근거한 구조물 표면의 강성 제어 기술에서 탈피하여 구조물 표면의 구조적 형상에 근거한 강성 제어 방법을 제시한다.
일반적으로 두 구조물이 접촉할 때 발생하는 압력(하중)이 소재 자체의 경도를 넘어서게 되면 접촉되는 구조물의 표면에서 파손이 일어나게 되는데, 이러한 파손은 기존과 같이 고경도 소재의 사용만으로는 해결할 수 없다. 모든 구조물의 표면은 일정한 거칠기를 가지고 있으며 국부적으로 미세한 돌기 구조를 형성하고 있기 때문에 구조물 간의 접촉시 해당 부위에 압력이 집중되는 것은 필연적인 현상이다. 그러나, 두 구조물 사이의 접촉 압력을 일정 수준 이하로 유지할 수 있다면 접촉 표면은 탄성 변형 영역 내에서 거동하게 되어 궁극적으로는 마모가 거의 일어나지 않는 상태로 만들 수 있다.
이와 같은 전제조건을 만족시키기 위하여 본 발명은 서로 접촉하며 상대운동하는 구조물 표면의 상부층을 수평방향으로 분리된 다수의 판 형상으로 형성하고, 하부층을 상기 판을 받쳐주며 탄성 변형하는 기둥 형상으로 형성하여, 상대 구조물로부터의 접촉 하중 인가시 기둥 구조를 갖는 하부층이 탄성 영역 내에서 변형된 후 다시 초기 상태로 복원 가능하도록 수평방향으로의 강성(stiffness)을 조절할 수 있는 구조로 형성함으로써, 구동되는 하중에서 최적화된 탄성 거동을 구현하여 마찰 마모 특성을 크게 향상시킬 수 있는 탄성 표면 구조 및 그 제작 방법을 제공한다.
도 4는 본 발명의 일실 시 예에 따른 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조를 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4의 단면도이다. 그리고, 도 6은 상부 구조물로부터의 하중 인가시 기둥부의 탄성 변형에 의해 판부가 상부 구조물의 표면 형상에 따라 거동하며 마찰 마모가 저감되는 모습을 보여주는 사용 작동 상태도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조는, MEMS(micro electro mechanical systems) 장치에 있어서 서로 접촉한 상태에서 상대운동하는 두 MEMS 구조물의 접촉 표면에서 발생되는 마찰 마모를 줄이기 위한 기능성 탄성 표면 구조로 사용된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조는, 서로 접촉한 상태에서 상대운동하는 두 MEMS 구조물에 있어서, 기둥 모양을 이루며 하부 구조물(110)의 표면에 일정 간격으로 배열 형성되는 복수의 기둥부(122)와, 판 모양을 이루며 상기 기둥부(122) 상단에 형성되는 복수의 판부(142)로 구성된다.
상기 기둥부(122)는 하부 구조물(110)의 표면에 일정 간격을 두고서 배열되며 상부 구조물(200)로부터의 하중 인가시 고유 탄성 범위 내에서 변형이 이루어지고, 하중 제거시 다시 초기 형상으로 복원이 이루어지는 탄성 변형을 수행하게 된다. 이러한 기둥부(122)는 하부 구조물(110)과 동일한 재질로 구성될 수도 있고, 서로 다른 재질로 구성될 수도 있다.
상기 판부(142)는 상부 구조물(200)의 표면과 직접적으로 접촉되며, 하부 구조물(110)과 평행하도록 상기 기둥부(122)의 상단에 수직으로 고정된다. 이러한, 판부(142)는 수평방향으로 일정 간극(G)을 두고 어레이(array) 형태로 배열되어 상기 기둥부(122)의 탄성 변형시 상부 구조물(200)의 표면과 접촉된 상태에서 상기 기둥부(122)와 연동하여 거동된다. 여기서, 상기 다수의 판부(142)들 사이에 형성된 간극(G)은 기둥부(122)가 탄성 범위 내에서 변형될 경우 이에 수반하여 판부(142)가 거동되는 과정에서 각 판부(142)들의 간의 간섭을 방지하기 위한 회피공간을 제공한다.
이때, 상기 판부(142)는 상기 기둥부(122)와 동일한 재질로 구성될 수도 있고, 서로 다른 재질로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 2개의 실리콘층 사이에 실리콘 산화막(SiO2)이 형성된 샌드위치 구조를 갖는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 이용하여 본 발명의 탄성 표면 구조를 제작하는 경우, SOI 웨이퍼의 상,하부 실리콘층을 식각하여 판부(142)와 하부 구조물(110)을 형성하고, 이산화 실리콘층(SiO2)을 식각하여 기둥부(122) 구조를 형성하여, 하부 구조물(110)과 판부(142)가 동일 재질을 갖도록 형성하고 기둥부(122)는 상기 하부 구조물(110) 및 판부(142)와 다른 재질을 갖도록 형성할 수 있다.
이와 달리, 단일 실리콘(single silicon) 웨이퍼를 이용하여 본 발명의 탄성 표면 구조를 제작하는 경우에는 실리콘의 표면의 단순 식각을 통해 판부(142)와 기둥부(122)를 하부 구조물(110)의 재질과 동일한 실리콘으로 이루어지도록 구성할 수도 있다. 이 밖에 상기 기둥부(122)를 탄성을 갖는 연질 재료(soft material)로 구성하고, 상기 판부(142)를 기둥부(122)보다 높은 경도를 갖는 경질 재료(hard material)로 구성할 수도 있다.
이때, 상기 하부 구조물(110)의 표면에 형성되는 기둥부(122)의 폭과 높이는 상기 판부(142)에 접촉하는 상부 구조물(200)의 표면 형상과 작용하는 수직 하중에 따라 달라질 수 있는데, 상기한 상부 구조물(200)의 표면 형상 및 작용하는 수직 하중을 기반으로 수치해석을 통해 산출된 값에 의해 결정될 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 탄성 표면 구조에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 구조물(200)로부터 판부(142)에 수직 하중이 인가될 경우, 상기 판부(142)는 고유 탄성 영역 내에서 탄성 변형되는 기둥부(122)와 함께 거동하며 상부 구조물(200)의 표면과 접촉하게 된다. 이때, MEMS 구조물인 상,하부 구조물(200)(110)은 무게가 매우 작기 때문에 상,하부 구조물(200)(110) 간의 접촉으로 인해 발생하는 수직하중의 크기 또한 매우 작다. 따라서, 상기 기둥부(122)는 그 소재가 가지는 고유의 탄성 범위 내에서 탄성 변형이 가능해지고, 상기 판부(142)는 상기 기둥부(122)의 탄성 변형에 수반되어 함께 변형이 가능해진다.
이와 같이, 일정한 간극(G)을 두고 행렬(matrix) 패턴 모양으로 배열된 다수의 판부(142)들로 이루어진 탄성 표면 구조를 형성하게 됨으로써, 기둥부(122)의 탄성 변형에 따라 연동하여 판부(142)가 함께 거동되는 과정에서 다수의 판부(142)들 사이에 형성된 간극(G)을 통해 판부(142)의 수평방향으로의 유효강성(effective stiffness)을 저감시킬 수 있고, 이로 인해 상부 구조물(200)의 접촉에 의해 하중이 인가될 경우 판부(142)가 파손 없이 기둥부(122)의 탄성 변형을 따라가도록 하여 상기 기둥부(122)의 탄성 영역 범위 내에서의 에너지 흡수와 복원을 통해 구조물 표면의 마찰 마모 저감 효과를 극대화시킬 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 탄성 표면 구조는 간단한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정을 이용하여 제작될 수 있다.
도 7은 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 이용한 탄성 표면 구조의 제작 공정을 순차적으로 도시한 공정도이고, 도 8은 도 7의 제작 공정을 이용하여 제작된 탄성 표면 구조를 보여주는 평면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 SOI 웨이퍼를 이용한 탄성 표면 구조 형성 방법은, 먼저, SOI 웨이퍼 표면 위에 포토레지스트(150)를 도포하여 포토레지스트층을 형성한 후(a), 일정한 패턴이 형성된 마스크(mask)를 이용하여 상기 SOI 웨이퍼 표면에 도포된 포토레지스트층(150)과 SOI 웨이퍼의 상부 실리콘층(140)의 일부분을 식각 공정을 통해 제거하여 식각홈(143)을 형성한다(b). 그런 다음, 상부 실리콘층(140) 위에 남아있는 포토레지스트층(150)을 제거한 후(c), 상기 상부 실리콘층(140)에 형성된 식각홈(143)을 통해 식각액을 주입하여 상,하부 실리콘층(140)(110) 사이에 개재된 산화막층(120)의 일부분을 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 일정시간 동안 식각하여 제거함에 따라 (d)와 같은 기둥부(122) 및 판부(142) 구조를 갖는 본 발명의 탄성 표면 구조를 완성하게 된다.
이때, 상기 (b)단계에서 상부 실리콘층(140)에 형성되는 식각홈(143)은 RIE(Reactive ion etching) 공정, FIB(Focused Ion Beam)나 레이저 또는 기계적 절삭 공정을 통해 형성될 수 있고, 상기 (c)단계에서 산화막층(120)의 비등방성 식각은 불산(HF) 또는 BOE(Buffered Oxide Etchant) 용액을 이용한 습식 식각 공정을 통해 이루어질 수 있다.
이와 같이, 상기한 본 발명의 탄성 표면 구조는 리소그래피(Lithography)에 의한 식각(etching) 공정이나, FIB(Focused Ion Beam)에 의한 식각(etching) 공정을 이용하여 구조물 표면에 간단하고 손쉽게 제작될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 탄성 표면 구조의 또 다른 실시 예를 도시한 것으로서, 도 9에 도시한 바와 같이, 어레이(array) 형태의 배열 구조를 갖는 다수의 판부(142)를 서로 연결시켜 구성할 수 있다. 즉, 서로 이웃하는 판부(142)들 사이를 연결부(144)를 통해 서로 연결시켜 구성함으로써, 상부 구조물(200)로부터 판부(142)에 인가되는 하중을 상기 연결부(144)를 통해 연결된 주변의 다른 판부(142)들로 적절히 분산시킬 수 있기 때문에 특정 판부(142)에 과도한 하중이 인가됨으로써 발생될 수 있는 파손 문제를 미연에 방지할 수 있다.
도 10 및 도 11은 전술된 본 발명의 탄성 표면 구조 형성에 의해 발휘될 수 있는 추가적인 작용 효과를 보여주는 것으로서, 도 10에서 보는 바와 같이, 상,하부 구조물(200)(110) 간의 상대운동시 발생되는 마모입자(P)가 판부(142)들 사이에 형성된 간극(G)을 통해 유입되어 기둥부(122) 사이에 형성된 공간(S) 내부에 쌓여 포집될 수 있기 때문에 마모입자 발생으로 인한 구조물 표면의 마찰력 및 마모율 증가를 억제할 수 있다. 아울러, 도 11에서 볼 수 있듯이, 기둥부(122) 및 판부(142)에 의해 둘러싸인 공간(S) 내부로 마찰력 저감을 위한 윤활제(L) 투입 및 저장이 가능하여 유활제(L)에 의한 상,하부 구조물(200)(110) 간의 마찰 마모 저감 효과를 한층 향상시킬 수 있다.
또한, 도 12는 전술된 도 8의 변형 예로서, 상대운동하는 두 구조물이 특정 방향(도면에서 좌우방향)으로만 슬라이딩 운동이 이루어지는 경우에 적용될 수 있는 판부 및 기둥부 형상 구조를 예시한 평면도이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 상,하부 구조물 간의 상대운동이 특정 방향(좌우 방향)으로 한정되어 발생되는 경우, 기둥부(122)가 특정 방향으로만 탄성 변형이 이루어질 수 있도록, 도 12와 같이, 기둥부(122)의 좌우 폭이 전후 폭보다 상대적으로 작은 직사각형 단면 구조를 갖도록 형성할 수 있다. 그리고, 도 13은 위의 도 12에 도시된 기둥부(122) 및 판부(142) 구조에 있어서, 하중 분산을 위해 판부(142) 사이를 연결부(144)를 통해 서로 연결한 모습을 예시한 것으로서, 이러한 연결부(144)를 통해 유발되는 작용 효과는 전술된 도 9에서 이미 설명하였기 때문에 이에 대한 구체적인 언급은 생략하기로 한다.
또한, 도 14 및 15는 본 발명의 탄성 표면 구조에 있어서 다양하게 적용될 수 있는 기둥부(122) 및 판부(142)의 형상 구조를 나열한 것이다. 도 14의 (a),(b),(c)는 얇은 두께(T1)를 갖는 판부(142)에 각기 다른 슬라이딩 방향 폭(W1,W2,W3)을 갖는 기둥부(122)를 적용한 모습을 각각 보여주는 것이고, 도 15의 (a),(b),(c)는 두꺼운 두께(T2)를 갖는 판부(142)에 각기 다른 슬라이딩 방향 폭(W1,W2,W3)을 갖는 기둥부(122)를 적용한 모습을 각각 보여주는 것이다. 이와 같이, 하부 구조물(110)의 표면에 형성되는 기둥부(122)의 폭과 판부(142)의 두께는 상기 판부(142)에 접촉하는 상부 구조물(200)의 표면 형상과 작용하는 수직 하중에 따라 다양하게 변경하여 적용할 수 있다.
한편, 도 16은 본 발명에 따른 탄성 표면 구조의 형성을 위한 또 하나의 방법으로서, 싱글 웨이퍼(single wafer)를 이용한 탄성 표면 구조 형성 방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 16에 도시한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 탄성 표면 형성 방법은, 먼저, 실리콘 기판(302) 표면에 제1산화막(304)을 형성한 후, 그 위에 포토레지스트(305)를 도포한다.(a)
다음으로, 일정한 패턴이 형성된 마스크(mask)를 이용하여 상기 실리콘 기판(302) 표면에 도포된 포토레지스트(305) 및 제1산화막(304)의 일부분을 식각 공정을 이용하여 제거한다.(b)
이어서, 상기 (b)단계에서 제거되지 않고 남아 있는 포토레지스트(305)를 마스크로 사용하여 실리콘 기판(302)의 표면을 일정 깊이로 식각하여 다수의 식각홈(306)을 형성한 후, 제1산화막(304) 위에 남아 있던 잔여 포토레지스트(305)를 제거한다.(c)
이때, 상기 실리콘 기판(302)에 형성되는 식각홈(306)은 DRIE(Deep reactive ion etching) 공정을 통해 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1산화막(304)의 표면과 상기 식각홈(306)의 벽면 및 바닥면에 제2산화막(307)을 코팅한다.(d)
여기서, 상기 제2산화막(307)의 코팅 작업은 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정을 통해 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 식각홈(306)의 벽면 부분에 코팅된 제2산화막(307)을 제외한 상기 제1산화막(304)의 상부면 및 상기 식각홈(306)의 바닥면 부분에 코팅된 제2산화막(307)을 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 제거한다.(e)
이때, 상기 제2산화막(307)의 제거는 RIE(Reactive ion etching) 공정을 통해 수행될 수 있다.
마지막으로, 상기 식각홈(306)의 하단부를 등방성 식각(isotropic etching) 공정을 통해 일정 시간 동안 식각하여 기둥부(312)를 형성한 후, 상기 실리콘 기판(302) 표면에 남아 있던 제1산화막(304)과 상기 식각홈(306)의 벽면 부분에 남아 있던 제2산화막(307)을 모두 제거하여 탄성 표면 구조를 완성하게 된다.
이때, 상기 식각홈(306) 하단부의 등방성 식각은 플라즈마를 이용한 식각 공정을 통해 수행될 수 있다.
한편, 도 17은 본 발명에 따른 탄성 표면 구조의 또 다른 실시 예로서, 경사진 기둥부 형상을 갖는 탄성 표면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 탄성 표면 구조는 하부 구조물(322) 표면에 형성되는 기둥부(332)의 형상을 한쪽 방향으로 비스듬히 기울어진 형태를 갖도록 형성할 수 있다. 즉, 탄성 변형이 이루어지기 전의 기둥부(332) 초기 형상을 비스듬히 기울어진 형태를 갖도록 형성함으로써, 상부 구조물로부터 인가되는 수직 하중의 크기가 작아도 기둥부(332)의 탄성 변형이 쉽게 유발되도록 함으로써 기둥부(332)를 구성하는 소재가 갖는 고유 탄성 영역에서 벗어나 구조적으로 기둥부(332)의 탄성 변형이 쉽게 유발시킬 수 있기 때문에 기둥부(332)의 재료 선택에 있어서 선택의 폭을 높일 수 있다.
도 18은 위와 같은 경사진 기둥부 구조를 갖는 탄성 표면의 제작을 위한 하나의 방법으로서, (111) 단결정 방향을 갖는 싱글 웨이퍼(single wafer)를 이용하여 경사진 형태의 기둥부를 갖는 탄성 표면 구조를 형성하는 공정을 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 탄성 표면 형성 방법은, 먼저, (111) 결정방향을 갖는 실리콘 기판(322) 표면에 제1산화막(324)을 형성한 후 그 위에 포토레지스트(325)를 도포한다.(a)
다음으로, 일정한 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 상기 실리콘 기판(322) 표면에 도포된 포토레지스트(325) 및 제1산화막(324)의 일부분을 식각 공정을 이용하여 제거한다.(b)
이어서, 상기 (b)단계에서 제거되지 않고 남아 있는 포토레지스트(325)를 마스크로 사용하여 실리콘 기판(322)의 표면을 일정 깊이로 식각하여 다수의 식각홈(326)을 형성한 후, 제1산화막(324) 위에 남아 있던 잔여 포토레지스트(325)를 모두 제거한다.(c)
여기서, 상기 실리콘 기판(322)에 형성되는 식각홈(326)은 DRIE(Deep reactive ion etching) 공정을 통해 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1산화막(324)의 표면과 상기 식각홈(326)의 벽면 및 바닥면에 제2산화막(327)을 코팅한다.(d)
이때, 상기 제2산화막(327)의 코팅은 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정을 통해 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 식각홈(326)의 벽면 부분에 코팅된 제2산화막(327)을 제외한 상기 제1산화막(324)의 상부면 및 상기 식각홈(326)의 바닥면 부분에 코팅된 제2산화막(327)을 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 제거한다.(e)
이때, 상기 제2산화막(327)의 제거는 RIE(Reactive ion etching) 공정을 통해 수행될 수 있다.
마지막으로, 상기 식각홈(326)의 하단부를 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 일정 시간 동안 식각하여 비스듬히 기울어진 형태의 기둥부(332)를 형성한 후, 상기 실리콘 기판(322) 표면에 남아 있던 제1산화막(324)과 상기 식각홈(326)의 벽면 부분에 남아 있던 제2산화막(327)을 모두 제거하여 탄성 표면 구조를 완성하게 된다.(f)
이때, 상기 식각홈(326) 하단부의 비등방성 식각은 수산화칼륨(KOH) 용액을 이용한 습식 식각 공정을 통해 수행될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 간단한 MEMS 제작공정을 통해 구조물 표면에 마찰 마모 저감 성능이 우수한 탄성 표면 구조를 제작할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 서로 접촉하며 상대운동하는 구조물 표면의 상부층을 수평방향으로 분리된 다수의 판 형상으로 형성하고, 하부층을 상기 판을 받쳐주며 탄성 변형하는 기둥 형상으로 형성하여, 상대 구조물로부터의 수직 하중 인가시 기둥 구조를 갖는 하부층이 탄성 영역 내에서 변형된 후 다시 초기 상태로 복원되는 수평방향으로의 강성(stiffness) 조절이 가능한 기능적 구조로 형성함으로써, 구동되는 하중에서 최적화된 탄성 거동을 구현하여 마찰 마모 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
특히, 구조물 표면의 하부층에 형성된 얇은 기둥과 상부층에 형성된 얇은 판 형태의 구조물을 통해 상대 구조물의 형상에 따라 변형이 가능해지고 하중이 제거되거나 형상이 변하면 그에 따라 탄성 변형을 할 수 있기 때문에 마모 특성을 향상시킬 수 있고, 다수의 판 구조물에 따른 하중(압력) 분산 효과로 인해 기존과 같이 구조물 표면의 특정 부위에 하중이 집중되서 표면을 파고드는 현상을 줄일 수 있어 마찰 특성을 한층 높일 수 있다.
또한, 접촉되는 상대 구조물의 표면 형상과 수직하중을 고려하여 탄성 영역에서 거동할 수 있는 수평방향으로 분리된 판 구조와, 기둥의 두께 및 높이를 수치해석을 통해 산출하여 상대 구조물의 크기에 적합한 SOI 웨이퍼를 선택한 후, SOI 웨이퍼의 최상층을 간단한 MEMS 공정을 통해 패터닝하여 수평방향으로 분리된 판 구조와 기둥 구조가 형성된 최적화된 탄성 거동을 하는 기능성 표면을 형성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상술한 바와 같은 마찰 마모 특성을 향상시킬 수 있는 본 발명의 기능성 코팅 구조 기술을 바이오 시스템, 잉크젯 헤드, 압력/가속도 센서, 자이로스코프 등 초정밀 미소기기인 MEMS 분야에 응용할 경우, 기존에 문제 시 되어왔던 MEMS 분야에서의 상대운동에 의한 수명단축 문제를 획기적으로 해결할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
110 : 하부 구조물 120 : 산화막층
122,312,332 : 기둥부 140 : 상부 실리콘층
142,322,334 : 판부 144 : 연결부
200 : 상부 구조물 306,326 : 식각홈

Claims (27)

  1. 서로 접촉하며 상대운동하는 두 구조물 사이의 마찰 마모 저감을 위해 구조물 표면에 형성되는 탄성 표면 구조에 있어서,
    기둥 모양을 가지며 상기 구조물의 표면에 일정 간격으로 배열 형성되고, 상대 구조물로부터의 하중 인가시 고유 탄성 범위 내에서 변형되는 한편, 하중 제거시 다시 초기 형상으로 복원되는 복수의 기둥부와;
    판 모양을 가지며 상기 기둥부의 상단에 고정되고, 상대 구조물로부터의 하중 인가에 따른 상기 기둥부의 탄성 변형시 상대 구조물의 표면과 접촉된 상태에서 상기 기둥부와 연동하여 거동하는 복수의 판부;를 포함하며,
    상기 복수의 판부는 일정 간극을 두고 어레이(array) 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 구조물의 탄성 표면 구조
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 서로 이웃하는 판부들은 연결부를 통해 서로 연결된 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 구조물의 탄성 표면 구조
  4. 제1항에 있어서, 상기 기둥부는 탄성 변형이 이루어지기 전의 초기 형상이 비스듬히 기울어진 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 구조물의 탄성 표면 구조
  5. 제1항에 있어서, 상기 기둥부와 판부는 상기 구조물과 동일 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 구조물의 탄성 표면 구조
  6. 제1항에 있어서, 상기 판부는 상기 구조물과 동일 재질로 구성되고, 상기 기둥부는 상기 판부와 서로 다른 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 구조물의 탄성 표면 구조
  7. 제1항에 있어서, 상기 기둥부는 탄성 있는 연질 재료로 구성되고, 상기 판부는 상기 기둥부보다 높은 경도를 갖는 경질 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 구조물의 탄성 표면 구조
  8. 제1항에 있어서, 상기 판부는 실리콘(silcon)으로 구성되고, 상기 기둥부는 이산화실리콘(SiO2)으로 구성된 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 구조물의 탄성 표면 구조
  9. 제1항에 있어서, 상기 기둥부의 폭과 높이는 상기 판부에 접촉하는 상대 구조물의 표면 형상과 작용하는 수직 하중에 따라 수치해석을 통해 산출된 값에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기둥부 및 판부를 갖는 상기 구조물의 표면은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems ) 공정을 통해 제작되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기둥부 및 판부는 리소그래피(Lithography)에 의한 식각(etching) 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조.
  12. 제1항에 있어서, 상기 기둥부 및 판부는 FIB(Focused Ion Beam)에 의한 식각(etching) 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 구조.
  13. 서로 접촉하며 상대운동하는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)구조물의 표면에 상기 제1항 및 제3항 내지 제12항 중 어느 한 항에 의한 탄성 표면 구조가 적용된 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 장치
  14. 서로 접촉하며 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법에 있어서,
    (a) 실리콘 기판 표면에 제1산화막을 형성한 후 그 위에 포토레지스트를 도포하는 단계와;
    (b) 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 상기 실리콘 기판 표면에 도포된 포토레지스트 및 제1산화막의 일부분을 식각 공정을 통해 제거하는 단계와;
    (c) 상기 (b)단계에서 제거되지 않고 남아 있는 포토레지스트를 마스크로 사용하여 실리콘 기판의 표면을 일정 깊이로 식각하여 다수의 식각홈을 형성한 후, 제1산화막 위에 남아 있던 잔여 포토레지스트를 제거하는 단계와;
    (d) 상기 제1산화막의 표면과 상기 식각홈의 벽면 및 바닥면에 제2산화막을 코팅하는 단계와;
    (e) 상기 식각홈의 벽면 부분에 코팅된 제2산화막을 제외한 상기 제1산화막의 상부면 및 상기 식각홈의 바닥면 부분에 코팅된 제2산화막을 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 제거하는 단계와;
    (f) 상기 식각홈의 하단부를 등방성 식각(isotropic etching) 공정을 통해 일정 시간 동안 식각하여 기둥부를 형성한 후, 상기 실리콘 기판 표면에 남아 있던 제1산화막과 상기 식각홈의 벽면 부분에 남아 있던 제2산화막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 (c) 단계의 식각홈은 DRIE(Deep reactive ion etching) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 (d) 단계의 제2산화막 코팅은 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 (e) 단계의 제2산화막 제거는 RIE(Reactive ion etching) 공정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 (f) 단계에서 상기 식각홈 하단부의 등방성 식각은 플라즈마를 이용한 식각 공정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  19. 서로 접촉하며 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법에 있어서,
    (a) (111) 결정방향을 갖는 실리콘 기판 표면에 제1산화막을 형성한 후 그 위에 포토레지스트를 도포하는 단계와;
    (b) 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 상기 실리콘 기판 표면에 도포된 포토레지스트 및 제1산화막의 일부분을 식각 공정을 통해 제거하는 단계와;
    (c) 상기 (b)단계에서 제거되지 않고 남아 있는 포토레지스트를 마스크로 사용하여 실리콘 기판의 표면을 일정 깊이로 식각하여 다수의 식각홈을 형성한 후, 제1산화막 위에 남아 있던 잔여 포토레지스트를 제거하는 단계와;
    (d) 상기 제1산화막의 표면과 상기 식각홈의 벽면 및 바닥면에 제2산화막을 코팅하는 단계와;
    (e) 상기 식각홈의 벽면 부분에 코팅된 제2산화막을 제외한 상기 제1산화막의 상부면 및 상기 식각홈의 바닥면 부분에 코팅된 제2산화막을 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 제거하는 단계와;
    (f) 상기 식각홈의 하단부를 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 일정 시간 동안 식각하여 비스듬히 기울어진 형태의 기둥부를 형성한 후, 상기 실리콘 기판 표면에 남아 있던 제1산화막과 상기 식각홈의 벽면 부분에 남아 있던 제2산화막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 (c) 단계의 식각홈은 DRIE(Deep reactive ion etching) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 (d) 단계의 제2산화막 코팅은 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 (e) 단계의 제2산화막 제거는 RIE(Reactive ion etching) 공정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  23. 제19항에 있어서, 상기 (f) 단계에서 상기 식각홈 하단부의 비등방성 식각은 수산화칼륨(KOH) 용액을 이용한 습식 식각 공정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  24. 서로 접촉하며 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법에 있어서,
    (a) SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼 표면 위에 포토레지스트를 도포하는 단계와;
    (b) 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 상기 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼 표면에 도포된 포토레지스트와 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼의 상부 실리콘층 일부분을 식각 공정을 통해 제거하여 식각홈을 형성하는 단계와;
    (c) 상기 포토레지스트를 제거한 후, 상기 상부 실리콘층에 형성된 식각홈을 통해 상,하부 실리콘층 사이에 위치한 산화막층의 일부분을 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정을 통해 일정시간 동안 식각하여 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 (b) 단계의 식각홈은 RIE(Reactive ion etching) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 (b) 단계의 식각홈은 FIB(Focused Ion Beam)나 레이저 또는 기계적 절삭 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 (c) 단계의 산화막층에 대한 비등방성 식각은 불산(HF) 또는 BOE(Buffered Oxide Etchant) 용액을 이용한 습식 식각 공정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 탄성 표면 형성 방법.
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