Bulge test를 이용한 다층 박막의 기계적 물성 측정

Abstract

근래 MEMS 미소구조물의 기계적 물성 측정 연구가 많이 행해져 왔다. 잘 알려진 영계수를 구하는 시험법으로 Tensile Test, Bending Test, Bulge Test 등이 있다. 이 중 Bulge Test는 시편 제작의 용이성과 잔류 응력을 측정 할 수 있는 장점으로 박막 구조물에 특히 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 개발 중인 MEMS PZT inkjet의 박막에 대해 구동형상과 가장 비슷한 bulge test를 이용하였다. 이를 통해 PZT 박막 구조물의 설계 최적화와 동적 모델링을 위한 변형형상과 물성데이터를 확보 할 수 있다. 이제까지 행해져 왔던 Bulge test의 경우 크고 얇은 박막에 수 백 마이크로 대의 큰 변형이 일어나도록 해서 압력과 변형을 측정하였다. 그러나 본 연구에 사용된 PZT inkjet 박막의 경우 기존의 시험용 시편에 비해 작고 두꺼워 수백 나노 대 작은 변형이 일어난다. 그러므로 더 정밀한 변형 측정 방법으로 측정하였다. PZT inkjet 박막은 잉크를 담는 챔버 위에 크게 두 가지 Si (10$\mu$m), PZT (22$\mu$m) 가 적층 된 구조를 가지고 있다. Si 와 PZT의 물성을 각각 측정하기 위해서 layer by layer 로 시편을 준비하여 bulge test 하였다. Si 의 경우 반사면을 가지므로 Twyman-Green 레이저 간섭계로, PZT의 경우 비반사면을 가지므로 ESPI와 AFM으로 각각 측정방법을 달리하여 가압 시 full field 면 외 변위를 측정하였다. 그리고 영계수 Si 107㎬, PZT 47㎬ 을 구하였다. 또한 Bulge test를 통해 얻은 물성의 신뢰성을 확인 하기 위해 nanoindenter CSM을 이용하여 영계수를 측정하였고, 미소 박막 구조물의 물성 측정의 경우 bulge test가 geometry 영향을 nanoindenter보다 덜 받음을 확인하였다.