리튬 탄탈라이트(LiTaO3)는 전기-광학, 음향, 압전, 분극전하(파이로일렉트릭), 비선형 광학 특성을 갖는 대표적인 다기능 단결정 재료로, 표면 탄성파(surface acoustic wave, SAW) 소기기의 기판으로 사용된다. SAW 소기기 성능을 향상시키기 위해서는 표면 거칠기가 개선된 더 얇은 LiTaO3 기판이 요구된다. 화학기계연마(chemical mechanical polishing, CMP)는 연삭 후 원하는 표면 거칠기를 달성하기 위해 사용된다. 그러나 박막화 공정은 특히 가장자리에서 기판 파손의 위험을 증가시켜, 가장자리 칩핑(edge chipping)을 유발한다. 가장자리 칩핑은 SAW 소기기 제작 중 기판이 완전히 파손되는 결과로 이어질 수 있으며, 이를 방지하기 위해 효과적인 웨이퍼 형상이 필요하다. 본 연구에서는 스크래치 시험과 유한요소해석(finite element analysis, FEA)을 이용하여 LiTaO3 웨이퍼에서 가장자리 칩핑을 방지하기 위한 최적의 가장자리 형상( C-cut, 트리밍(trimmed), 박막화(thinned))을 규명하였다. C-cut 가장자리는 웨이퍼 가장자리의 라운딩을 의미하며, 트리밍된 가장자리는 웨이퍼 가장자리를 웨이퍼 표면에 수직이 되도록 가공하는 것을 의미한다. 스크래치 시험 결과, C-cut 및 트리밍 가장자리에서 각각 115 및 227 μm의 가장자리 칩핑 길이를 관찰하였고, 박막화된 가장자리(반 C-cut)에서는 완전한 웨이퍼 파절이 발생하였다. 유한요소해석(FEA)에서는 C-cut, 트리밍, 박막화된 가장자리(반 C-cut)에서 각각 80, 120, 150 μm의 가장자리 칩핑 길이가 얻어졌다. 결론적으로, C-cut, 트리밍, 박막화된 가장자리 형상이 가장자리 칩핑을 방지하는 데 효과적임이 확인되었다. 다만, C-cut 가장자리 형상이 연삭을 통해 더 얇아진다는 점을 고려하면, 트리밍된 가장자리 형상이 가장 효과적인 것으로 보인다.

볼 밸브는 중공의 천공된 볼이 피벗하여 그를 통과하는 유체의 흐름을 제어하는 유량 제어 장치로 널리 사용된다. 구조가 단순하고 완전 개방 또는 완전 폐쇄 상태를 위해 스템이 필요한 회전이 단지 1/4턴에 불과하므로, 볼 밸브는 정밀한 유량 제어를 제공하지는 못하지만 내구성이 우수하며 차단 성능이 뛰어난 것으로 알려져 있다. V-포트 볼 밸브는 선형적이고 동일한(동등 백분율) 유량 특성을 갖도록 하기 위한 대안으로 사용되나, V자 형상의 작은 끝단 개구에서 더 높은 속도의 작동 유체를 사용할 경우에는 밸브가 손상될 수 있으므로 견고한 구조가 요구된다. 본 연구에서는 구조적 개념 설계를 통해 원통-인-볼(cylinder-in-ball) 밸브를 제안하였으며, 개구는 유로의 중심에서 시작하도록 하였다. 유동 특성과 개구율에 따른 유량은 전산유체역학 해석을 통해 정량적으로 평가하였다. 그 결과, 유량 계수(CV)는 1.05~109.87 범위로 개구율 20~100% 구간에서 지수적으로 증가하였다. 또한 캐비테이션의 영향을 확인하기 위해 다상 유동에 대한 수치해석을 수행하여 증기 체적 분율을 계산하였다. 더불어 제안된 원통-인-볼 밸브를 유량 제어 밸브로 적용하는 타당성을 검증하기 위해 CV 값에 대한 실험을 수행하였다. 실험 결과와 수치해석 결과 간의 CV 값은 양호한 일치도를 보였다.