Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.11
s.254
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pp.1335-1347
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2006
Surface energies calculated from measured contact angles between several solutions and test samples, such as Si wafer, $Al_2O_3$, $SiO_2$, PTFE(Polytertrafluoroethylene), and DLC(Diamond Like Carbon) films, based on geometric mean method and Lewis acid base method. In order to relate roughness to adhesion force, surface roughness of test samples were scanned large area and small by AFM(Atomic Force Microscopy). Roughness was representative of test samples in large scan area and comparable with AFM tip radius in small scan area. Adhesion forces between AFM tip and test samples were matched well with order of roughness rather then surface energy. When AFM tips having different radius were used to measure adhesion force on DLCI film, sharper AFM tip was, smaller adhesion force was measured. Therefore contact area was more important factor to determine adhesion force.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2011.02a
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pp.449-449
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2011
We reported the direct effect of intrinsic surface energy of dry adhesive material to the Van der Waals and capillary forces contributions of the total adhesion force in an artificial gecko-inspired adhesion system. To mimic the gecko foot we fabricated tilted nanohairy structures using both lithography and ion beam treatment. The nanohairy structures were replicated from Si wafer mold using UV curable polymeric materials. The control of nanohairs slanting angles was based on the uniform linear argon ion irradiation to the nanohairy polymeric surface. The surface energy was studied utilizing subsequent conventional oxygen ion treatment on the nanohairy structures which resulted in gradient surface energy. Our shear adhesion test results were found in good agreement with the accepted Van der Waals and capillary forces theory in the gecko adhesion system. Surface energy would give a direct impact to the effective Hamaker constant in Van der Waals force and the filling angle (${\varphi}$) of water meniscus in capillary force contributions of gecko inspired adhesion system. With the increasing surface energy, the effective Hamaker constant also increased but the filling angle decreased, resulting in a competition between the two forces. Using a simple mathematical model, we compared our experimental results to show the quantitative contributions of Van der Waals and capillary forces in a single adhesion system on both hydrophobic and hydrophilic surfaces. We found that the Van der Waals force contributes about 82.75% and 89.97% to the total adhesion force on hydrophilic and hydrophobic test surfaces, respectively, while the remaining contribution was occupied by capillary force. We also showed that it is possible to design ultrahigh dry adhesive with adhesion strength of more than 10 times higher than apparent gecko adhesion force by controlling the surface energy and the slanting angle induced-contact line of dry adhesive the materials.
The use of magnetoresistive (MR) head requires much tighter control of particle contamination in a drive since loose particles on the disk surface will generate thermal asperities (TA). In this study, a spinoff test was performed to investigate the adhesion and removal capability of a particle to disk surface. Numerical simulation was also performed to investigate dominant factor of particle detachment and to support experimental results. It was shown that particles are detached from the disk surface by the moment derived from the centrifugal force and the drag force and that the centrifugal force and capillary force are the dominant force, which determines spin-off of a particle on the disk surface. Removal of particles smaller than several micrometers, which are the main source of TA generation, is extremely difficult since the adhesion forces exceed the centrifugal force. Lubricant types and manufacturing process also influence the particle removal. Lower bonding ratio and lower viscosity of the lubricant will help to increase the removal rate of the particles from the disk surface.
Effect of Surface roughness on nanoscale adhesion was studied experimentally by using colloidal probe technique. Glass micro balls having the radius of $3.3\~17.4{\mu}m$ were glued at the end of AFM cantilevers to prepare colloidal probes. Adhesion force between the colloidal probe and Si-wafer was measured using pull-off force measuring method. Results showed that the measured adhesion forces are not the function of the radius of the glued balls because the ball surfaces are rough. It is also found that roughness parameters such as $R_a,\;R_q\;and\;R_{max}$ do not have important role on nanoscale adhesion. In order to find the effect of surface roughness on nanoscale adhesion, the bearing areas were extracted from the measured topography of glued balls. After normalizing the measured adhesion force with the bearing area, it was found that the normalized adhesion force kept constant as function of the radius of glued ball.
Adhesion force of nanomaterials such as nanoparticle, nanowire, and nanorods should be significantly considered for its mechanical applications. However, examination of the adhesion force is limited since it is technically challenging to carry out experiments with such small objects. Therefore, in this work, molecular dynamics simulation (MDS) was conducted to determine the adhesion force between a nanowire and a flat surface, which could not be readily assessed through experiments. The adhesion force of a cylindrical-shaped nanowire was assessed by performing MDS and applying an equation of Van der Waals interaction. Simulation was conducted in two steps: indentation of a spherical tip on the flat surface and indentation of a cylinder on the flat surface, because the purpose of the simulation was comparing the results of the simulation and calculation of the Van der Waals interaction equation. From the simulation, Hamaker constant used for the equation of Van der Waals interaction was determined to be 2.93 °ø 10?18 J. Using this constant, the adhesion force of the nanowire on the flat surface was readily estimated by calculating Van der Waals equation to be approximately 65~89 nN with respect to the diameter of the nanowire. Moreover, the adhesion force of the nanowire was determined to be 52~77 nN from the simulation It was observed that there was a slight discrepancy (approximately 15~25%) between the results of the simulation and the theoretical calculation. Thus, it was confirmed that the calculation of Van der Waals interaction could be utilized to assess the adhesion force of the nanowire.
Nano adhesion between SPM (scanning probe microscope) tips and 075 (octadecyltrichlorosilane) SAM (self-assembled monolayer) was experimentally studied. Tests were performed to measure the nano adhesion and friction in both AFM(atomic force microscope) and LFM(lateral force microscope) modes in various conditions of relative humidity. OTS SAM was formed on Si-wafer (100) surfaces, and Si$_3$N$_4$ tips of different radius of curvature were used. When the surface was hydrophobic, the adhesion and friction forces were found lower than those of bare Si-wafer. Results also showed that micro-adhesion force increased as the relative humidity and the tip radius of curvature increased. The main parameter for affecting the micro-adhesion was found absorbed humidity on the contact surface. These results were discussed with the JKR model and a capillary force caused by absorbed water.
More force must be applied when dragging a wet compared with a dry cloth lying on the table. Increased force is needed because the fluid between the cloth and the surface of the table produces an adhesion force. In this paper, we study the adhesion force between a wet cloth and the surface of an object. To compute the adhesion force, we used the adhesion force model used in textile research based on real-world experiments and also considered the effect of wrinkles, which, to our knowledge, has not been investigated in previous work. Furthermore, we studied the phenomenon in which a wet cloth adheres to the surface of an object and that in which a wet cloth adheres to itself when undergoing self-collision.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2001.06a
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pp.127-134
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2001
Nano adhesion and friction between a Sj$_3$N$_4$ AFM tip and thin silver films were experimentally studied. Tests were performed to measure the nano adhesion and friction in both AFM(atomic force microscope) and LFM(lateral force microscope) modes in various ranges of normal load. Thin silver films deposited by IBAD (ion beam assisted deposition) on Si-wafer (100) and Si-wafer of different surface roughness were used. Results showed that nano adhesion and friction decreased as the surface roughness increased. When the Si surfaces were coated by pure silver, the adhesion and friction decreased. But the adhesion and friction were not affected by the thickness of IBAD silver coating. As the normal force increased, the adhesion forces of bare Si-wafer and IBAD silver coating film remained constant, but the friction forces increased linearly. Test results suggested that the friction was mainly governed by the adhesion as long as the normal load was low.
This paper investigated the wetting and adhesion property of undulated DLC film with surface morphology controlled for a reduced real area of contact. The undulated DLC Films were prepared by 13.56 MHZ radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition (r.f. PECVD) by using nanoscale Cu dots surface on a Si (100) substrate. FE-SEM, AFM analysis showed that the after repeated deposition and plasma induced damage with Ar ions, the surface was nanoscale undulated. This phenomenon changed the surface morphology of DLC surface. Raman spectra of film with changed morphology revealed that the plasma induced damage with Ar ions significantly suppressed the graphitization of DLC structure. Also, it was observed that while the untreated flat DLC surfaces had wetting angle starting ranged from $72^{\circ}$ and adhesion force of 333ni. Had wetting angle the undulated DLC surfaces, which resemble the surface morphology of a cylindrical shape, increased up to $104^{\circ}$ and adhesion force decreased down to 11 nN. The measurements agree with Hertz and JKR models. The surface undulation was affected mainly by several factors: the surface morphology affinity to cylindrical shape, reduction of the real area of contact and air pockets trapped in cylindrical asperities of the surface.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2000.11a
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pp.341-346
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2000
The effect of OTS(octadecyltrichlorosilane) SAM(self-assembled monolayer) on the micro-adhesion has been studied. OTS SAM was formed on the Si(100) surface and SPM (scanning probe microscope) tips with different radius of curvature were fabricated by a series of masking and etching processes. Pull-off forces of different tips on Si and OTS SAM surfaces were measured by SPM in different relative humidities. The surface of OTS SAM was changed to hydrophobic surface and the micro-adhesion force of OTS SAM was lower than that of pure Si. As the tip radius of curvature and the relative humidity increased. the micro-adhesion force increased. Based on the test results. the main parameter affected to the micro-adhesion was absorbed humidity on the surface.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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