Transactions on Electrical and Electronic Materials
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제8권2호
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pp.53-57
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2007
In this study, a novel slurry containing ceria as the abrasive particles was analyzed in terms of its frictional, thermal and kinetic attributes for interlayer dielectric (ILD) CMP application. The novel slurry was used to polish 200-mm blanket ILD wafers on an $IC1000_{TM}$ K-groove pad with in-situ conditioning. Polishing pressures ranged from 1 to 5 PSI and the sliding velocity ranged from 0.5 to 1.5 m/s. Shear force and pad temperature were measured in real time during the polishing process. The frictional analysis indicated that boundary lubrication was the dominant tribological mechanism. The measured average pad leading edge temperature increased from 26.4 to $38.4\;^{\circ}C$ with the increase in polishing power. The ILD removal rate also increased with the polishing power, ranging from 400 to 4000 A/min. The ILD removal rate deviated from Prestonian behavior at the highest $p{\times}V$ polishing condition and exhibited a strong correlation with the measured average pad leading edge temperature. A modified two-step Langmuir-Hinshelwood kinetic model was used to simulate the ILD removal rate. In this model, transient flash heating temperature is assumed to dominate the chemical reaction temperature. The model successfully captured the variable removal rate behavior at the highest $p{\times}V$ polishing condition and indicates that the polishing process was mechanical limited in the low $p{\times}V$ polishing region and became chemically and mechanically balanced with increasing polishing power.
Jo, Du-Hwan;Noh, Sang-Geol;Park, Jong-Tae;Kang, Choon-Ho
Corrosion Science and Technology
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제14권5호
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pp.213-217
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2015
Recently, household electronic industries require environmentally-friendly and highly functional steels in order to enhance the quality of human life. Customers especially require both excellent corrosion and abrasion resistant anti-fingerprint steels for digital TV panels. Thus POSCO has developed new functional electro-galvanized steels, which have double coated layers with organic-inorganic composites on the zinc surface of the steel for usage as the bottom chassis panel of TVs. The inorganic solution for the bottom layer consists of inorganic phosphate, magnesium, and zirconium compounds with a small amount of epoxy binder, and affords both improved adhesion properties by chemical conversion reactions and corrosion resistance due to a self-healing effect. The composite solution for the top layer was prepared by fine dispersion of organic-inorganic ingredients that consist of a urethane modified polyacrylate polymer, hardener, silica sol and a titanium complex inhibitor in aqueous media. Both composite solutions were coated on the steel surface by using a roll coater and then cured through an induction furnace in the electro-galvanizing line. New anti-fingerprint steel was evaluated for quality performance through such procedures as the salt spray test for corrosion resistance, tribological test for abrasion resistance, and conductivity test for surface electric conductance regarding to both types of polymer resin and coating weight of composite solution. New composite coated anti-fingerprint steels afford both better corrosion resistance and abrasion properties compared to conventional anti-fingerprint steel that mainly consists of acrylate polymers. Detailed discussions of both composite solutions and experimental results suggest that urethane modifications of acrylate polymers of composite solutions play a key role in enhanced quality performances.
The role of transfer films formed during sliding of polymer composites against steel counterfaces was studied in terms of the tribological behaviors of composites. Four kinds of composites were included in this study: (1) unfilled PPS, (2) PPS+2%CuO, (3) PPS+2%CuO+5% carbon fiber (CF), and (4) PPS+2%CuO+15%Kevlar. The filler material CuO was in nanoscale particulate form and the reinforcing material was in the form of short fibers. The composites were prepared by compression molding at $310^{\circ}C$ and sliding tests were run in the pin-on-disk sliding configuration. The counterface was made of tool steel hardened to 55-60 HRC and finished to a surface roughness of 0.09-0.10 ${\mu}m$ Ra. Wear tests were run for 6 hrs at the sliding speed of 1 m/s and contact pressure of 0.65 MPa. Transfer films formed on the counterfaces during sliding were investigated using AFM and SEM. The results showed that as the transfer film became smooth and uniform, wear rate decreased. PPS+2%CuO+15%Kevlar composite showed the lowest steady state wear rate in this study and its transfer film showed the smoothest and the most uniform characteristics. The examination of worn surfaces of PPS+2%CuO composite using X-ray area scanning (dot mapping) showed back-transfer of steel counterface material to the polymer pin surface. This behavior is believed to strengthen the polymer pin surface during sliding thereby contributing to the decrease in wear rate.
The tribological properties and van der Waals attractive forces and the thermal stability of films are very important characteristics of highly hydrophobic fluorocarbon (FC) films for the long-term reliability of nano system. The effect of thermal annealing on films and van der Waals attractive forces and friction coefficient of films have been investigate d in this study. It was coated Al wafer which was treated O2 and Ar that ocatfluorocyclobutane ($C_4_{8}$) and Ar were supplied to the CVD chamber in the ratio of 2:3 for deposition of FC Films. Static contact angle and dynamic contact angle were used to characterize FC films. Thickness of films was measured by variable angle spectroscopy ellipsometer (VASE). Nanotribological data was got by atomic force microscopy (AFM) to measure roughness, lateral force microscopy (LFM) to measure friction force, and force vs. distance (FD) curve to evaluate adhesion force. FC films were cured in N2 and vacuum. The film showed the slight changes in its properties after 3 hr annealing. FTIR ATR studies showed the decrease of C-F peak intensity in the spectra as the annealing time increased. A significant decrease of film thickness has been observed. The friction force of Al surface was at least thirty times higher than ones with FC films. The adhesive force of bare Al was greater than 100 nN. After deposit FC films adhesive force was decreased to 40 nN. The adhesive force of films was decreased down to 10 nN after 24 hr annealing. During 24 hr annealing in $N_2$and vacuum at $100^{\circ}C$ film properties were not changed so much.
Friction and wear properties of the Boron carbide ($B_{4}C$) coating 100 nm thickness were studied under various relative humidity (RH). The boron carbide film was deposited on silicon substrate by DC magnetron sputtering method using $B_{4}C$ target with a mixture of Ar and methane ($CH_4$) as precursor gas. Friction tests were performed using a reciprocation type friction tester at ambient environment. Steel balls of 3 mm in diameter were used as counter-specimen. The results indicated that relative humidity strongly affected the tribological properties of boron carbide coating. Friction coefficient decreased from 0.42 to 0.09 as the relative humidity increased from $5\%$ to $85\%$. Confocal microscopy was used to observe worn surfaces of the coating and wear scars on steel balls after the tests. It showed that both the coating surface and the ball were significantly worn-out even though boron carbide is much harder than the steel. Moreover, at low humidity ($5\%$) the boron carbide showed poor wear resistance which resulted in the complete removal of coating layer, whereas at the medium and high humidity conditions, it was not. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Auger electron spectroscopy (AES) analyses were performed to characterize the chemical composition of the worn surfaces. We suggest that tribochemical reactions occurred during sliding in moisture air to form boric acid on the worn surface of the coating. The boric acid and the tribochemcal layer that formed on steel ball resulted in low friction and wear of boron carbide coating.
This paper reviews recent approaches to develop composite polymer-containing coatings by plasma electrolytic oxidation (PEO) using various low-molecular fractions of superdispersed polytetrafluoroethylene (SPTFE). The features of the unique approaches to form the composite polymer-containing coating on the surface of MA8 magnesium alloy were summarized. Improvement in the corrosion and tribological behavior of the polymer-containing coating can be attributed to the morphology and insulating properties of the surface layers and solid lubrication effect of the SPTFE particles. Such multifunctional coatings have high corrosion resistance ($R_p=3.0{\times}10^7{\Omega}cm^2$) and low friction coefficient (0.13) under dry wear conditions. The effect of dispersity and ${\xi}$-potential of the nanoscale materials ($ZrO_2$ and $SiO_2$) used as electrolyte components for the plasma electrolytic oxidation on the composition and properties of the coatings was investigated. Improvement in the protective properties of the coatings with the incorporated nanoparticles was explained by the greater thickness of the protective layer, relatively low porosity, and the presence of narrow non-through pores. The impedance modulus measured at low frequency for the zirconia-containing layer (${\mid}Z{\mid}_{f=0.01Hz}=1.8{\times}10^6{\Omega}{\cdot}cm^2$) was more than one order of magnitude higher than that of the PEO-coating formed in the nanoparticles-free electrolyte (${\mid}Z{\mid}_{f=0.01Hz}=5.4{\times}10^4{\Omega}{\cdot}cm^2$).
In friction and wear tests that use friction force microscopy (FFM), the wear debris transfer to the tip apex that changes tip radius is a crucial issue that influences the friction and wear performances of films and coatings with nanoscale thicknesses. In this study, FFM tests are performed for bilayer $MoS_2$ film to obtain a better understanding of how geometrical and chemical changes of tip apex influence the friction and wear properties of nanoscale molecular layers. The critical load can be estimated from the test results based on the clear distinction of the failure area. Scanning electron microscopy and energy-dispersive spectroscopy are employed to measure and observe the geometrical and chemical changes of the tip apex. Under normal loads lower than 1000 nN, the reuse of tips enhances the friction and wear performance at the tip-sample interface as the contact pair changes with the increase of tip radius. Therefore, the reduction of contact pressure due to the increase of tip radius by the transfer of $MoS_2$ or Mo-dominant wear debris and the change of contact pairs from diamond/$MoS_2$ to partial $MoS_2$ or Mo/$MoS_2$ can explain the critical load increase that results from tip reuse. We suggest that the wear debris transfer to the tip apex should be considered when used tips are repeatedly employed to identify the tribological properties of ultra-thin films using FFM.
STS 316L prepared by additive manufacturing (AM) exhibits deterioration of mechanical properties and wear resistance due to the presence of defects such as black-of-fusion defects, internal porosity, residual stress, and anisotropy. In addition, high surface roughness (integrity) of AM products remains an issue. This study aimed to apply ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technology to STS 316L prepared by AM to increase the surface hardness, to reduce the surface roughness, and to improve the friction and wear behavior to the level achieved by bulk material manufactured using traditional processes. Herein, the as-received and polished specimens were treated by UNSM technology and their resulting properties were compared and discussed. The results showed that UNSM technology increased the surface hardness and reduced the surface roughness of the as-received and polished specimens. These results can be attributed to grain size refinement and pore elimination from the surface. Moreover, the friction of the as-received and polished specimens after UNSM technology was lower compared to those of the as-received and polished specimens, but no significant differences in wear resistance were found.
Lim, Min Szan;Jang, Young-Jun;Kim, Jong-Kuk;Kim, Jong-Hyoung;Kim, Seock-Sam
Tribology and Lubricants
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제34권6호
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pp.241-246
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2018
This research addresses the improvement of tribo-systems, specifically regarding the reduction of friction and wear through tribo-coupling between tetrahedral amorphous carbon (ta-C) with different types of counterpart materials, namely bearing steel (SUJ2), tungsten carbide (WC), stainless steel (SUS304), and alumina ($Al_2O_3$). A second variable in this project is the utilization of different values of duct bias voltage in the deposition of the ta-C coating - 0, 5, 10, 15, and 20 V. The results of this research are expected to determine the optimum duct bias and best counter materials associated with ta-C to produce the lowest friction and wear. Results obtained reveal that the tribo-couple between the ta-C coating and SUJ2 balls produces the lowest friction coefficient and wear rate. In terms of duct bias changes, deposition using 5 V produces the most optimum tribological behavior with lowest friction and wear on the tribo-system. In contrast, the tribo-couple between ta-C with a WC ball causes penetration through the coating surface layer and hence high surface delamination. This study demonstrates that the most effective ta-C coating duct bias is 5 V associated with SUJ2 counter material to produce the lowest friction and wear.
This work aims to develop a dry lubricant for oilless bush, especially a solid lubricant, thereby creating a coating method with improved properties of anti-friction and load-carrying capacity without oil lubrication. In this work, spherical-shaped powders of thermosetting resin such as polyimide (PI) are mixed with a binder matrix obtained by mixing a fluorocarbon compound resin such as Polytetrafluoroethylene (PTFE) or Ethylene tetra fluoro ethylene (ETFE) with itself or with a non-fluorocarbon thermoplastic resin such as Polyether ether ketone (PEEK). And these dry lubricant mixtures are thickly coated (200-300 mm in the thickness) on the inner surface of the bush by using a wet-typed air-spray deposition method. It was found that the load-carrying capacity of the solid lubricant for excavator bush (60 mm in diameter) that operates under a high load condition (at 40 MPa) is greatly improved owing to the spherical-shaped powders of thermosetting resin. In addition, the coefficient of friction at the sliding surface is also reduced less than 0.1. Thick coating also lowers the contact stress at the edge of a bush that results in better tribological performances. The result suggests that the lubrication performance and durability life of the bush can be remarkably improved even without lubrication (oil or grease).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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