나노인덴터가 하는 일
경도와 강성은 표면이 접촉 손상, 스크래치, 마모에 어떻게 저항하는지를 결정합니다. 기존 경도 시험기는 현미경으로 압흔의 크기를 측정하므로, 눈에 보일 만큼 큰 압흔과 경도만으로 한정됩니다. 나노인덴터는 시험 내내 압흔의 깊이를 기록하므로 두께가 마이크로미터 이하인 막, 개별 결정립과 상, 고분자, 생체 조직을 측정할 수 있고, 같은 압흔에서 탄성계수와 시간 의존 거동까지 얻을 수 있습니다.
나노인덴테이션의 원리
- 팁이 표면에 접근해 접촉을 감지합니다.
- 깊이를 기록하면서 하중을 제어된 속도로 설정 최대값까지 증가시킵니다.
- 크리프가 안정되도록 하중을 유지한 뒤, 깊이를 계속 기록하면서 하중을 제거합니다.
- 제하 곡선에서 접촉 강성과 접촉 깊이를 구합니다. 압자의 면적 함수와 함께 경도와 탄성계수를 계산합니다(ISO 14577 및 ASTM E2546의 Oliver & Pharr 방법).
격자 위에서 시험을 반복하면 물성 맵이 만들어지고, 하중을 유지하면 크리프를, 하중을 진동시키면 저장 및 손실 탄성률을 얻습니다.
나노인덴테이션 시험기 선택 시 확인할 점
- 하중의 직접 측정. NANOVEA 모듈은 압전 액추에이터로 하중을 수직으로 가하고, 정전용량 깊이 센서와 폐루프로 동작하는 독립 로드셀로 이를 측정합니다. 하중은 추정이 아니라 측정되며, 캔틸레버나 피벗이 없습니다.
- 레인지 하단에서의 분해능과 노이즈. 가장 민감한 레인지에서 나노 모듈은 0.006 µN과 0.003 nm(24비트)를 분해하며, 노이즈 플로어는 0.5 µN과 0.04 nm입니다.
- 하중 범위. 80, 400, 1800, 4800 mN 레인지로 연한 젤부터 단단한 코팅까지 다루며, 마이크로 모듈을 추가하면 같은 시스템이 400 N까지 확장됩니다.
- 팁 교정. Single Indent Area Function(유럽 특허 제3076153호)은 팁 면적을 교정하고 압자의 품질을 정량적으로 점검합니다.
- 위치 결정과 이미징. 0.2 µm 미만의 스테이지 정확도, 최대 100배 비디오 현미경, 그리고 PB1000에서는 잔류 압흔을 촬영하는 AFM 또는 3D 프로파일러 통합.
- 처리량. FastMap은 5분에 100개 압흔을 만들며, 자동 다중 샘플 시험은 높이가 다른 샘플도 처리합니다.
압자 형상
팁은 압흔 아래의 응력장을 결정합니다. 베르코비치는 나노인덴테이션의 표준 팁이고, 비커스는 미소경도와 비교 가능한 값을 주며 높은 하중에 강합니다. 누프는 길쭉한 형상으로 얇은 층과 섬유 복합재처럼 방향에 따른 경도 차이에 사용합니다. 큐브 코너는 낮은 하중에서 취성 재료에 균열을 내어 파괴 인성을 측정합니다. 구원뿔형 팁은 연한 금속, 플라스틱, 다공성 재료에 적합합니다. 평면 펀치는 입자를 압축하고 항복을 측정하며, 나이프 팁은 섬유 같은 원통형 부품의 파괴를 시험합니다.
경도를 넘어서
같은 하중–깊이 측정으로 다양한 시험이 가능합니다. 고분자와 젤의 크리프 및 이완, 주파수 및 온도 스윕을 포함한 0.1~100 Hz의 나노인덴테이션 DMA, 유리와 세라믹의 파괴 인성, 구형 및 반복 압입에 의한 응력–변형률, 평면 펀치에 의한 항복 강도 및 피로입니다. 같은 모듈에서 스크래치 시험으로 코팅 밀착력도 측정합니다.
사용 조건에서의 시험
많은 재료, 특히 고분자는 온도와 습도에 따라 달라집니다. NANOVEA의 습도 제어 연구에서는 고분자 필름의 경도가 상대습도 25%에서 약 0.60 GPa, 75%에서 0.31 GPa로 낮아졌습니다. 나노 모듈은 고온, 저온, 습도, 액중 모듈과 진공 시스템에서 작동하므로, 재료가 실제로 쓰이는 조건에서 물성을 측정할 수 있습니다.
