KR101694634B1 - 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법 - Google Patents

표면파 분산선도 시뮬레이션 방법 Download PDF

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KR101694634B1
KR101694634B1 KR1020150130483A KR20150130483A KR101694634B1 KR 101694634 B1 KR101694634 B1 KR 101694634B1 KR 1020150130483 A KR1020150130483 A KR 1020150130483A KR 20150130483 A KR20150130483 A KR 20150130483A KR 101694634 B1 KR101694634 B1 KR 101694634B1
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박익근
박태성
조병석
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법을 공개한다. 이 방법은 (a) 입력부를 통해 다층구조를 이루는 각 재료에 대한 입력 파라미터가 입력되는 단계; (b) 상기 입력부를 통해 관심이 있는 주파수가 입력되는 단계; (c) 제어부가 상기 주파수가 기 설정된 최고 주파수 미만인지 판단하는 단계; (d) 상기 주파수가 상기 기 설정된 최고 주파수 미만인 경우 연산부가 상기 입력 파라미터를 인가받아 상기 각 재료에 대한 변위-응력 상태를 구하기 위한 특성 방정식의 전달 행렬을 계산하는 단계; (e) 상기 연산부가 상기 특성 방정식이 0이 되도록 만드는 해를 산출하는 단계; 및 (f) 상기 제어부가 상기 주파수를 소정의 크기만큼 증가시켜 상기 (c) 단계로 회귀하는 단계;를 포함하고, 상기 (c) 단계에서 상기 주파수가 상기 기 설정된 최고 주파수에 도달한 경우, 해당 주파수와 그에 상응하는 위상속도 간의 분산 곡선을 디스플레이부에 플로팅하여 분산선도를 생성하는 것을 특징으로 한다.

Description

표면파 분산선도 시뮬레이션 방법{A simulation method of dispersion curve for surface wave}
본 발명은 시뮬레이션 방법에 관한 것으로서, 특히 마이크로/나노 구조물에 대하여 다층 재료에서 주파수에 따른 표면파 속도의 분산특성 분석 및 해석을 도출하여, 박막 구조의 기계적 특성 및 물성 평가에 활용 가능하고 다층 재료의 손상 진단과 재료 품질 평가에 적용할 수 있는 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.
나노 기술은 원자나 분자 정도의 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고, 조립, 제어하며 혹은 그 성질을 측정, 규명하는 기술을 말한다.
나노 기술은 21세기의 새로운 산업을 주도할 핵심기술로 경제 성장을 이끌며 기존 기술의 한계를 극복할 돌파기술로서 필요성이 증대되고 있다.
이러한 이유로 전세계적으로 나노 기술은 바이오, 화학, 에너지, 반도체, 자동차, 태양전지, 정보통신, 디스플레이(유연 기판) 등 다양한 산업분야에 걸쳐 적용되고 있으며 나노 기술과 새로운 산업에 대한 기대는 날로 확산 증가되고 있는 실정이다.
국내에서도 나노 기술 개발에 의해 미래 성장 동력을 선점하고, 기술 주도권을 확보하기 위해 2001년부터 나노 기술 종합 계획을 수립하여 현재 2기에 접어들고 있다.
나노 기술 종합 계획에서는 6대 나노 기술분야(나노 소재, 나노 소자, 나노 바이오, 공정 및 장비 측정, 에너지 환경 분야, 나노 안정성)로 분류하고 있다.
특히, 공정 및 장비 측정 분야에 대해서 나노 기술의 발전이 분석 및 측정 장비의 분해능/측정 및 검출 한계를 추월함에 따라 나노 기술 및 제품의 분석에 대응하기 위해서 나노 기술은 기존 산업에 비해 측정기술의 역할이 더욱 중요시되고 있다.
그러나, 나노 스케일 영역의 측정 기술은 소재를 구성하는 단위가 나노 스케일로 작아지면서 재료의 표면 특성뿐만 아니라 물성 측정까지도 나노 소재 특성에 지대한 역할을 하게 되므로 보다 정밀한 측정 기술이 요구된다.
일반적으로 나노 기술은 여러 가지 유전체 박막, 반도체 박막, 금속박막을 선택적으로 반도체 기판 또는 유리 위에 형성시키는 과정을 거치게 된다.
즉, 박막 고유의 전기적, 화학적, 특성을 이용하거나, 반도체의 전기적인 특성을 바꾸기 위해 확산이나 이온 주입 공정으로 원하는 특성의 소자를 제조하는 일련의 과정이다.
이들 박막을 특정한 용도로 응용하기 위해서는 박막의 두께, 조성, 조도, 그리고 다른 물리적 및 광학적인 특성을 정밀하게 측정할 필요가 있다.
또한, 최근에는 이러한 박막들이 점점 더 고집적화되어 감에 따라 박막의 특성에 큰 영향을 미치는 인자인 박막의 두께를 포함한 막의 물성을 좀 더 정확하게 제어하고 측정해야 할 필요성이 증가하고 있다.
이에 따라, 기존의 나노 소재 산업의 경우 분석을 위한 수많은 현미경 분석 기술이 개발되어 왔고, 현재 이들 또한 지속적인 발전을 위해 부단한 노력을 기울이고 있는 실정이다.
대표적인 소재의 표면을 분석할 수 있는 현미경 분석으로는 잘 알려진 것이 전자 현미경 분석법(즉, SEM, TEM, AES, SIMS 등)이다.
하지만, 이러한 전자 현미경 분석법은 시료를 준비하고 관찰하는 데 많은 시간과 경비가 소요됨은 물론이고, 공간과 환경적인 제약이 크다는 문제점이 있었다.
또한, 시료가 단차를 형성하기 어려운 경우나 기판 표면이 평평하지 않은 경우에는 측정이 어렵다는 한계가 있고, 박막의 두께를 측정하는 경우 오차는 작지만, 연성이 좋은 박막 시료 절단시 기지와 막 사이의 경계가 명확하지 않거나 박막의 두께가 매우 얇거나 박막이 형성되어 있는 기판의 표면이 매끄럽지 않을 경우에는 두께를 정밀하게 측정하기는 매우 어렵다는 한계가 있었다.
특히, 이러한 전자 현미경 분석법은 10-6 내지 10-9 Torr의 초 고진공 상태에서만 조작이 가능하므로, 실제적으로 그 응용범위를 넓히기 위해선 제품수준의 광범위한 영역과 공기 혹은 수중에서의 분석 기술이 절실하다고 할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 1930년대에 재료의 표층부 및 내부 그리고 계면을 포함하는 미소 영역에서의 재료 특성을 평가할 수 있는 초음파 현미경 기술이 제안되었으며 1980년대에는 실제로 이에 대한 연구가 널리 활용되었다.
그리고, 재료의 특성과 밀접한 관련이 있는 레일리파 등의 표면파의 속도를 정밀 측정할 수 있는 출력 전압 V(z) 곡선법이 개발되면서 미소 영역에 대한 재료의 특성을 정밀하게 측정 가능하게 되었다.
하지만, 출력 전압 V(z) 곡선법 사용시 표면파의 속도를 정밀하게 측정하고 계산하기 위해서는 계측된 신호에서 잡음 신호를 제거하거나 또는 표면파와 동시에 발생되는 종파의 성분을 분리해 내는 등의 신호처리가 필수적이다.
또한, 실제 시험대상인 시료에 대한 속도를 측정하고 이를 검증하기 위해 사전에 속도의 변화를 시뮬레이션하는 것이 필수적이다.
특히, 유도 초음파 중 표면파는 재료의 표면에 대부분의 에너지가 집중되어 전파해 나아가며, 특히 다층구조에서 전파 속도의 분산성을 가진다.
이러한 다층구조에서 표면파의 전파 거동을 해석하기 위해서는 분산곡선의 계산과 분석이 수반된다.
여기에서, 분산선도라 함은 유도 초음파를 이용한 재료의 평가에 있어서 중요한 역할을 하며, 주파수 및 재료의 두께에 따른 위상속도의 분산성을 나타내는 곡선을 의미한다.
분산곡선은 단일 모드 또는 다중모드가 발생하며, 계측의 조건 및 목적에 따라 모드 식별을 통하여 특정 모드를 선택한 후 계측에 이용하게 된다.
이러한 분산특성 분석 및 실험적 검증을 통해 재료의 물성 및 두께, 접합강도 등 재료의 물리적, 기계적 특성을 평가하는 것이 가능하며, 이론적 분산선도를 얻기 위해서는 수많은 연산과정을 거쳐야 한다.
이와 같이 산업 구조의 변화에 따라 마이크로/나노 구조물의 손상을 진단할 수 있는 새로운 검사기법이 요구되어 왔고, 새로운 검사 기법에 대한 신뢰성 있는 데이터 분석 및 예측을 위한 시뮬레이션 기법의 필요성이 대두되었다.
따라서, 본 발명자는 이와 같은 필요성에 따라 대부분이 다층구조로 이루어진 마이크로/나노 구조물에 대하여 각 재료의 밀도, 음파속도, 두께 등의 입력 변수를 받아 전달 행렬법을 이용하여 분산선도를 계산하는 알고리즘을 통하여 다층구조에 대한 표면파의 분산선도를 손쉽게 도출함으로써 표면파의 거동을 예측할 수 있는 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법을 착안하기에 이르렀다.
(특허문헌 1) KR 10-1052800 B1
본 발명의 목적은 마이크로/나노 구조물에 대하여 다층 재료에서 주파수에 따른 표면파 속도의 분산특성 분석 및 해석을 간단한 변수만을 입력 받아 도출하여, 박막 구조의 기계적 특성 및 물성 평가에 활용할 수 있는 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법은 (a) 입력부를 통해 다층구조를 이루는 각 재료에 대한 입력 파라미터가 입력되는 단계; (b) 상기 입력부를 통해 관심이 있는 주파수가 입력되는 단계; (c) 제어부가 상기 주파수가 기 설정된 최고 주파수 미만인지 판단하는 단계; (d) 상기 주파수가 상기 기 설정된 최고 주파수 미만인 경우 연산부가 상기 입력 파라미터를 인가받아 상기 각 재료에 대한 변위-응력 상태를 구하기 위한 특성 방정식의 전달 행렬을 계산하는 단계; (e) 상기 연산부가 상기 특성 방정식이 0이 되도록 만드는 해를 산출하는 단계; 및 (f) 상기 제어부가 상기 주파수를 소정의 크기만큼 증가시켜 상기 (c) 단계로 회귀하는 단계;를 포함하고, 상기 (c) 단계에서 상기 주파수가 상기 기 설정된 최고 주파수에 도달한 경우, 해당 주파수와 그에 상응하는 위상속도 간의 분산 곡선을 디스플레이부에 플로팅하여 분산선도를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법은 상기 (d) 단계에서 상기 특성 방정식의 해는 상기 주파수에 대해 상기 위상속도 값을 하나씩 대입하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법은 상기 (e) 단계와 상기 (f) 단계 사이에 저장부가 상기 해의 부호가 바뀌는 부분의 위상속도 값을 해당 주파수와 함께 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법의 상기 입력 파라미터는 상기 각 재료에 대한 밀도, 두께, 종파 속도 및 표면파 속도를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법의 상기 분산선도는 상기 다층구조 중 기판 상 박막의 밀도, 종파 속도 및 표면파 속도의 변화에 따른 상기 기판 대비 비율을 통해 상기 다층구조의 분산특성의 거동이 분석되는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 의할 경우, 마이크로/나노 구조물에 대하여 계측된 재료 물성 및 이론적 값을 이용하여 특정 주파수 범위에 대한 정밀도 높은 표면파의 속도 분산성 예측이 가능하여 박막 구조의 기계적 특성 및 물성 평가에 활용 가능하고, 다층 재료의 손상 진단과 잔류 응력, 접합 강도, 두께 평가 등 재료 품질 평가에 적용 가능하게 된다.
또한, 음향 현미경 개발시 표면파의 속도 측정과 동시에 이론적 속도 및 분산 특성의 경향성을 예측하기 위한 용도로 사용이 가능하여 측정 비용 및 소요 시간을 절감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법에 이용되는 전달 행렬 및 특성 방정식을 설명하기 위한 변위-응력 상태가 표시된 다층구조의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법을 구현하기 위한 시뮬레이션 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법을 적용한 기판 및 박막의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 기판 및 박막의 종류에 따라 특정 재료에 대한 표면파 속도의 분산특성을 시뮬레이션한 분산곡선과 실제 측정된 실측 결과를 비교한 특성 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법에 따라 박막/기판이 Ti/Glass인 경우 분산특성의 거동을 분석한 특성 그래프 및 분석 표이다.
도 7은 도 6에 도시된 박막/기판이 Ti/Glass인 경우 분산특성의 거동 분석에서 종파 제어(a), 밀도 제어(b), 표면파 제어(c) 결과를 나타낸 특성 그래프 및 분석 표이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "구비" 또는 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "기", "모듈", "장치", "단계" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법에 이용되는 전달 행렬 및 특성 방정식을 설명하기 위한 변위-응력 상태가 표시된 다층구조의 구성도이다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법에 이용되는 전달 행렬 및 특성 방정식을 설명하면 다음과 같다.
전달 행렬은 다층구조에서 특정 층에 대한 변위와 응력의 상태를 나타낼 때, 이웃한 다른 층의 변위-응력 상태와 연관을 시켜서 계산하기 위해 고안된 행렬이며, 이를 이용하여 유한한 개수의 층을 가지는 다층구조에서의 변위-응력 상태를 간단한 행렬의 연산으로 구할 수 있다.
도 1에서 보는 바와 같이,
Figure 112015089728116-pat00001
는 i-레이어(layer)의 상부의 변위-응력 상태를 나타내는 벡터이며,
Figure 112015089728116-pat00002
는 i-레이어 하부의 변위응력 상태를 나타내는 벡터이다.
도 1과 같은 다층구조에서 파장이 충분히 긴 표면파가 전파한다고 가정했을 경우, 자유 표면에서의 변위-응력 상태는 레이어1뿐만 아니라 레이어2와 레이어3에 대한 영향도 고려해야 한다.
이 계산과정은 수식적으로 복잡할 뿐만 아니라 층의 개수가 많아질수록 연산을 해야 하는 양이 많아지게 되는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 다음과 같은 원리로 전달 행렬을 이용함으로써 복잡한 계산과정을 간단하게 단순화하였다.
즉,
Figure 112015089728116-pat00003
은 레이어1에 대한 전달 행렬 T1을 이용하여
Figure 112015089728116-pat00004
와 같이 나타낼 수 있으며, 각 층의 경계면에서 변위-응력 상태는 연속조건이라 가정하여
Figure 112015089728116-pat00005
로 나타낼 수 있다.
이러한 식으로 유한한 개수의 층에 대하여 적용시키면
Figure 112015089728116-pat00006
와 같이 간단히 연산을 할 수 있게 된다.
한편, 분산선도를 구하기 위해서는 주어진 주파수 값과 그에 상응하는 위상속도의 값이 필요하다.
주파수 또는 위상속도 중 한 가지는 임의의 범위 값을 정해주고 나머지 하나의 값은 특성방정식의 해로서 구할 수 있으며, 이 특성방정식은 전달 행렬로 이루어진 변위-응력 관계식에 경계조건을 대입함으로써 얻을 수 있다.
기본적으로 다층구조의 최상층과 최하층은 반 무한체로 가정이 되고 각 층이 고체, 액체, 공기층인지에 따라 경계조건이 달라지게 된다.
이 특성방정식에 대한 반복계산을 통해 각 주파수 별 위상속도를 구할 수 있으며, 그 결과를 플로트(plot)함으로써 분산선도를 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법을 구현하기 위한 시뮬레이션 장치의 블록도로서, 입력부(110), 연산부(120), 디스플레이부(130), 저장부(140) 및 제어부(150)를 구비한다.
도 3은 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법의 동작을 설명하면 다음과 같다.
분산선도 시뮬레이션은 기본적으로 주어진 재료에 대한 물성 및 특성 정보를 가지고 반복적인 계산과정을 통해 해를 구해낸다.
즉, 먼저 주어진 재료의 물성 및 특성 정보에 대한 입력 파라미터가 입력부(110)를 통해 입력된다(S110).
이때, 입력 파라미터는 분산선도 시뮬레이션을 하고자 하는 다층구조 재료에서 각 재료에 대한 밀도, 두께, 종파 속도, 표면파 속도 등이 될 수 있다.
또한, 유한한 개수의 레이어에 대한 각각의 값을 입력해야 하며 실제 재료에서 측정한 실험값들을 입력하는 것이 정확한 해를 구하는데 도움이 된다.
그 다음, 입력부(110)를 통해 관심이 있는 주파수 영역이 입력되고(S120), 제어부(150)가 최고 주파수 미만인지 판단한다(S130).
이때, 관심이 있는 주파수 영역은 구하고자 하는 관심 영역대의 주파수를 의미하며, 주파수의 범위 또는 주파수 사이의 간격에 따라 연산시간에 영향을 미친다.
즉, 주파수의 간격이 좁을수록 분산곡선의 분해능(resolution)이 높아지고 더 정확한 값을 가지지만 연산 시간이 길어지는 단점이 있다.
만일 관심이 있는 주파수 영역이 최고 주파수인 경우, 해당 주파수와 그에 상응하는 위상속도 간의 분산 곡선을 디스플레이부에 플로팅하여(S140) 분산선도를 생성한다(S150).
만일 관심이 있는 주파수 영역이 기 설정된 최고 주파수 미만인 경우, 연산부(120)가 각 재료에 대한 변위-응력 상태를 구하기 위한 특성 방정식의 전달 행렬을 계산한다(S210).
여기에서, 전달 행렬은 다층구조에서 특정 층에 대한 변위와 응력의 상태를 나타낼 때, 복잡한 계산과정을 간단하게 단순화할 용도로 이웃한 다른 층의 변위-응력 상태와 연관을 시켜서 계산하기 위해 간단한 행렬의 연산을 하는데 이용된다.
이때, 특성 방정식의 해는 전달 행렬로 이루어진 변위-응력 관계식에 다층구조를 이루는 각 재료의 경계조건을 대입함으로써 얻을 수 있다.
관심 영역의 각 주파수에 대해 구한 특성 방정식의 해 중에서 연산부(120)가 특성 방정식이 0이 되도록 만드는 해를 산출한다(S220).
이 특성 방정식의 해가 곧 해당 주파수에서의 위상속도 값이 되며, 저장부(140)가 특성 방정식의 해의 부호가 바뀌는 부분의 위상속도 값을 해당 주파수와 함께 저장한다(S230).
그 다음, 제어부(150)가 소정의 주파수를 증가시켜(S240) 단계(S130)로 회귀하여 제어부(150)가 최고 주파수 미만인지 판단하여 이하 단계를 반복 수행한다.
즉, 주어진 주파수 또는 위상속도 범위에 대한 해를 구하는 과정으로 전달 행렬을 이용한 변위-응력 상태방정식에 경계조건을 대입한 후 그에 대한 해를 연산한다.
경계조건에 따라 특성방정식의 형태가 달라지나 해를 구하는 방식은 같으므로, 본 발명에서는 연산부(120)가 고정 주파수에 대해 위상속도 값을 하나씩 대입하여 특성방정식의 해를 구하고, 같은 과정을 일정한 주파수 간격을 가지는 관심 영역대의 주파수에 대해 적용한다.
이 계산에 대해 가장 중요한 부분은 해를 구하는 속도와 그 정확성에 있다.
기본적으로 반복계산이 많기 때문에 계산시간을 줄이는 것이 알고리즘에 있어서 중요한 부분 중에 하나이며, 계산의 정확성은 발생하는 각 모드에 대한 해를 구분하기 위해 필수적이다.
빠른 계산을 할 수 있는 알고리즘의 사용 시 정확성이 떨어지는 문제를 겪을 수 있으며, 반대로 정확한 계산을 추구하다 보면 계산시간이 오래 걸리는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 수많은 수치 해석적 기법들이 연구되고 있으며, 본 연구에서는 연산 시간보다는 정확성을 추구하기 위해 단순 반복법을 이용하여 해를 구하고, 이진(binary) 방식을 이용하여 특성방정식을 만족시키는 해를 산출한다.
이진(binary) 방식을 이용하여 특성방정식의 해를 산출하는 방법은 공지된 기술이므로 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.
이와 같은 특성방정식의 연산은 관심 주파수 영역에 대한 계산이 모두 끝날 때 마치게 되며, 연산에 이용된 각 주파수 값과 그에 해당하는 해로써 구해진 위상속도 값을 이용하여 분산선도를 얻을 수 있다.
이때, 분산선도는 재료에 따라 단일 모드 또는 다중 모드가 발생하며, 주파수와 모드에 따른 분산 및 비분산 특성을 이용하여 재료 평가에 사용될 수 있다.
이와 같이 생성된 분산선도를 이용하여 마이크로/나노 구조물에 대하여 표면파의 거동이 예측(S160)됨으로써 박막 구조의 기계적 특성 및 물성 평가를 할 수 있고, 다층 재료의 손상 진단 및 재료 품질 평가에 활용하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법을 적용한 기판 및 박막의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 기판 및 박막의 종류에 따라 특정 재료에 대한 표면파 속도의 분산특성을 시뮬레이션한 분산곡선과 실제 측정된 실측 결과를 비교한 특성 그래프이다.
박막/기판의 종류는 Ni/Si(a), Al/Si(b), Si3N4/GaAs(c), Ti/Glass(d) 로서, 실선은 시뮬레이션 결과이고, 스캐터(scatter) 표시는 실측 결과이며, 그래프의 x축은 fd(주파수 x 박막 두께), y축은 위상속도를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법에 따라 박막/기판이 Ti/Glass인 경우 분산특성의 거동을 분석한 특성 그래프 및 분석 표이다.
특성 그래프의 x축은 fd(주파수 x 박막 두께), y축은 위상속도를 나타내고, 분석 표는 Ti 및 Glass 각각의 밀도, 종파 속도 및 표면파 속도를 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시된 박막/기판이 Ti/Glass인 경우 분산특성의 거동 분석에서 종파 제어(a), 밀도 제어(b), 표면파 제어(c) 결과를 나타낸 특성 그래프 및 분석 표이다.
특성 그래프의 x축은 fd(주파수 x 박막 두께), y축은 위상속도를 나타내고, 분석 표는 Ti의 밀도, 종파 속도 및 표면파 속도의 변화에 따른 기판 대비 비율을 나타낸다.
도 4에서, 2개의 층으로 이루어진 구조에서 음파가 더 빠른 속도로 진행하는 재료가 하층에 위치하는 경우를 슬로우-온-패스트(slow-on-fast)라 하며, 상층에 위치하는 경우를 패스트-온-슬로우(fast-on-slow) 구조라고 지칭한다.
도 5에서 보는 바와 같이, 시뮬레이션을 한 분산곡선과 실제 표면파 속도를 측정한 결과의 그래프가 거의 일치함을 볼 수 있다.
이와같이 분산 특성의 이론값과 실험값을 비교하여 여러 가지 재료특성, 예를 들어 박막의 탄성계수 등의 물성 평가나 박막의 접합강도, 잔류응력 평가 등을 파악할 수 있다.
분산곡선의 형태는 도 5와 같이 단순히 선형적으로 점점 증가하거나 감소하는 형태뿐 아니라 도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이, 파동(fluctuation)으로 도출되기도 하는 것을 볼 수 있다.
이러한 거동의 원인을 분석하기 위해 시뮬레이션시 입력변수로 들어가는 재료 물성 및 특성 값들, 예를 들어 밀도, 종파 속도 및 표면파 속도를 변화시키면서 결과를 확인하였다.
이와 같이, 본 발명의 표면파 분산선도 시뮬레이션 방법은 대부분이 다층구조로 이루어진 마이크로/나노 구조물에 대하여 다층 재료에서 주파수에 따른 표면파 속도의 분산특성 분석 및 해석을 간단한 변수만을 입력 받아 도출하는 알고리즘을 통하여 분산곡선을 생성함으로써 표면파의 거동을 간편하게 예측할 수 있다.
이를 통하여, 바이오, 화학, 반도체, 자동차 산업, 태양전지 산업, 정보통신, 디스플레이(유연기판, 유연디스플레이) 산업 등에서 마이크로/나노 구조물에 대하여 계측된 재료 물성 및 이론적 값을 이용하여 특정 주파수 범위에 대한 정밀도 높은 표면파의 속도 분산성 예측이 가능하여 박막 구조의 기계적 특성 및 물성 평가에 활용 가능하고, 다층 재료의 손상 진단과 잔류 응력, 접합 강도, 두께 평가 등 재료 품질 평가에 적용 가능하게 된다.
또한, 음향 현미경 개발시 표면파의 속도 측정과 동시에 이론적 속도 및 분산 특성의 경향성을 예측하기 위한 용도로 사용이 가능하여 측정 비용 및 소요 시간을 절감할 수 있게 된다.
이상, 일부 실시예를 들어서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 이와 같은 설명은 예시적인 것에 불과한 것으로서, 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수 없다 할 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형 또는 수정하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

Claims (5)

  1. (a) 입력부를 통해 다층구조를 이루는 각 재료에 대한 입력 파라미터가 입력되는 단계;
    (b) 상기 입력부를 통해 관심이 있는 주파수가 입력되는 단계;
    (c) 제어부가 상기 주파수가 기 설정된 최고 주파수 미만인지 판단하는 단계;
    (d) 상기 주파수가 상기 기 설정된 최고 주파수 미만인 경우 연산부가 상기 입력 파라미터를 인가받아 상기 각 재료에 대한 변위-응력 상태를 구하기 위한 특성 방정식의 전달 행렬을 계산하는 단계;
    (e) 상기 연산부가 상기 특성 방정식이 0이 되도록 만드는 해를 산출하는 단계; 및
    (f) 상기 제어부가 상기 주파수를 소정의 크기만큼 증가시켜 상기 (c) 단계로 회귀하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c) 단계에서 상기 주파수가 상기 기 설정된 최고 주파수에 도달한 경우, 해당 주파수와 그에 상응하는 위상속도 간의 분산 곡선을 디스플레이부에 플로팅하여 분산선도를 생성하며,
    상기 분산선도의 생성 후에 상기 분산선도를 통해 상기 다층구조 중 기판 상 박막의 밀도, 종파 속도 및 표면파 속도의 변화에 따른 상기 기판 대비 비율에 대한 상기 다층구조의 분산특성의 거동이 분석되는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는,
    표면파 분산선도 시뮬레이션 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서
    상기 특성 방정식의 해는 상기 주파수에 대해 상기 위상속도 값을 하나씩 대입하여 산출되는 것을 특징으로 하는,
    표면파 분산선도 시뮬레이션 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (e) 단계와 상기 (f) 단계 사이에
    저장부가 상기 해의 부호가 바뀌는 부분의 위상속도 값을 해당 주파수와 함께 저장하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    표면파 분산선도 시뮬레이션 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 파라미터는
    상기 각 재료에 대한 밀도, 두께, 종파 속도 및 표면파 속도를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    표면파 분산선도 시뮬레이션 방법.
  5. 삭제
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