KR101192656B1 - 마이크로 열-동특성 복합시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 스케일 또는 나노 스케일 소재와 부품의 열특성 및 동(動)특성을 복합적으로 동시에 평가할 수 있는 수단에 관한 것으로, 본 발명은 마이크로 단위 또는 나노 단위의 시험편에 대한 외력부가에 의한 재료물성의 측정을 위해 시험편의 외력부가방향 상의 단부들을 고정 및 정렬할 수 있는 복수의 시험편 장착부와, 상기 시험편 장착부들 중 적어도 하나에 연결되어 시험편에 외력을 가하도록 구비되는 외력부가수단과, 시험편 주위에 재료물성시험을 위한 하나 또는 복수의 매체 분위기를 조성하기 위해 시험편을 둘러싸서 대기로부터 격리시키도록 구비되는 환경조성부와, 상기 환경조성부에 외부공급수단으로부터의 분위기조성용 매체가 공급 또는 배출되도록 상기 환경조성부에 복수 형성된 통로구로 이루어진다.

Description

마이크로 열-동특성 복합시험장치{MULTI TESTER FOR MEASURING HEAT-DYNAMIC FEATURE OF MICRO-SCALE TEST PIECE}

본 발명은 마이크로 스케일 또는 나노 스케일 소재와 부품의 열특성 및 동(動)특성을 복합적으로 동시에 평가할 수 있는 수단에 관한 것으로 이를 통해 소재의 신뢰성 데이터를 분석할 수 있는 복합시험장치에 관한 것이다.

최근 전자장비의 고효율화, 고집적화에 따라 부품의 소형화가 이루어지고, 그로 인해 초미세 부품에 대해 고정도성 요구에 부응하여 신뢰성 평가가 필요하다.

구체적으로는 온도 및 습도에 관한 부품의 수명 평가, 부품의 내충격도, 부품 제조시에 발생하는 잔류 응력의 영향 평가 등과 관련된 소재 및 부품의 물성과 신뢰성 데이터가 요구되고 있다.

종래의 신뢰성 데이터의 분석에 사용되는 시험방식은 유압 및 서보모터를 이용한 시험편 접촉식 수직형 신뢰성 평가 방식이 대부분이다.

도 1은 종래 유압 및 서보모터를 이용한 시험편 접촉식 수직형 신뢰성 평가 방식이 적용된 시스템을 나타낸 것으로, 종래의 유압 및 서보모터를 이용한 시험편 접촉식 수직형 신뢰성 평가 방식은 내구력시험, 피로시험, 파괴인성시험, 인장시험, 압축시험 등 시험편의 복합적 신뢰성 평가를 측정할 수 있는 기능을 가지고 있다.

그렇지만 시험편의 크기가 마이크로급이나 나노급으로 작아졌을 경우 시험편 정렬성을 확보하는데 어려운 단점을 가지고 있다. 그리고 정밀 신율계가 마이크로급이나 나노급 시험편과 직접 닿아 계측을 행하여야 하는데, 스케일 차이로 인해 시험의 신뢰성을 떨어뜨리는 단점을 가지고 있다.

한편, 도 2는 종래 마이크로 스케일 수직형 신뢰성 평가 방식(SHIMADZU)이 적용된 시스템을 나타낸 것인데, 종래의 마이크로 스케일 수직형 신뢰성 평가 방식은 마이크로급이나 나노급의 시험편을 측정할 수 있는 기능을 가지고 있다.

그렇지만 소재의 열특성 또는 동(動)특성을 복합적으로 그러면서 동시에 측정하는 것은 불가한 단점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 마이크로급 또는 나노급 소재의 시험편에 대한 정렬성을 확보하고, 열특성 및 동특성을 복합적으로 그러면서 동시에 측정할 수 있고, 정밀 신율계를 통한 계측에 있어서도 소재와 직접 접촉하지 않고 측정하여 신뢰성을 높일 수 있는 시험장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 마이크로 단위 또는 나노 단위의 시험편에 대한 외력부가에 의한 재료물성의 측정을 위해 시험편의 외력부가방향 상의 단부들을 고정 및 정렬할 수 있는 복수의 시험편 장착부와, 상기 시험편 장착부들 중 적어도 하나에 연결되어 시험편에 외력을 가하도록 구비되는 외력부가수단과, 시험편 주위에 재료물성시험을 위한 하나 또는 복수의 매체 분위기를 조성하기 위해 시험편을 둘러싸서 대기로부터 격리시키도록 구비되는 환경조성부와, 상기 환경조성부에 외부공급수단으로부터의 분위기조성용 매체가 공급 또는 배출되도

록 상기 환경조성부에 복수 형성된 통로구로 이루어진다.

또한, 상기 외력부가수단은 서보모터와, 백래쉬가 방지된 동력전달수단으로 이루어진다.

또한, 상기 시험편 장착부들 중 적어도 하나는 3차원으로 제어된 이동이 가능한 마이크로 3축 스테이지 상에 장착됨으로써 시험편의 정렬이 가능하다.

또한, 상기 시험편 장착부들 중 적어도 다른 하나는 로드셀(loadcell)이다.

또한, 상기 환경조성부 내에 시험편의 열 특성평가를 위해 금속판형 카트리지 히터가 내장된다.

또한, 상기 환경조성부는 개폐가능한 박스형상의 챔버로 구성하고, 상기 챔버 상에 구비된 투명창을 통해 시험편을 확대관측가능한 광원렌즈 및 CCD카메라로 이루어진 비전부를 더 구비한다.

또한, 상기 비전부에 LED광원을 추가하여 광원렌즈를 통한 확대에 의해 흐려진 영상을 LED광원으로 보완한다.

또한, 상기 마이크로 3축 스테이지 위에서, 시험편의 비틀림 방지를 위해 시험편 위에 샌딩으로 표면처리된 바아를 얹고, 볼트조임으로 고정한다.

본 발명의 복합시험장치를 통한 첫번째 효과는, 시험편을 수평으로 고정하고 측정함으로써 종래의 기술보다 정렬성 확보 및 슬립방지에 용이하여 마이크로 스케일 또는 나노 스케일의 시험편에 대한 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있다는 것이다.

두번째 효과는 열-동특성과 함께, 임의의 가스분위기로 시험 환경조성을 함으로써 여러가지 인자를 복합적으로 동시 측정할 수 있다.

세번째 효과는 정밀 신율계가 소재와 직접 접촉하지 않기 때문에 마이크로 스케일 또는 나노 스케일의 시험편에 대한 신뢰성 있는 데이터를 얻음에 최적화되어 있다.

도 1은 종래 유압 및 서보모터를 이용한 시험편 접촉식 수직형 신뢰성 평가 방식이 적용된 시스템을 나타낸 이미지이다.
도 2는 종래의 마이크로 스케일 수직형 신뢰성 평가 방식이 적용된 시스템을 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명이 바람직하게 적용된 마이크로 열-동특성 복합시험장치를 나타내는 것으로, (a)는 개략 사시도이고, (b)는 실제 이미지이다.
도 4는 본 발명이 바람직하게 적용된 마이크로 열-동특성 복합시험장치의 환경조성부의 실제 이미지를 나타내는 것으로, (a)는 폐쇄된 상태를 (b)는 개방된 상태를, (c)는 복합시험장치에 조립된 상태를, (d)는 조립후의 투시도를 각각 나타낸다.
도 5는 본 발명이 바람직하게 적용된 마이크로 열-동특성 복합시험장치의 시험편 장착부를 나타낸 것으로, (a)는 시험편이 장착된 실제예를 (b)는 시험편 장착부의 마이크로 3축 스테이지를, (c)는 시험편의 장착양상을 설명하는 개략 사시도이다.
도 6은 본 발명이 바람직하게 적용된 마이크로 열-동특성 복합시험장치의 비전부를 나타내는 실제 이미지이다.
도 7은 본 발명의 마이크로 열-동특성 복합시험장치의 비전부를 통해 촬영된 시험편의 예를 나타내는 이미지이다.
도 8은 본 발명이 바람직하게 적용된 마이크로 열-동특성 복합시험장치를 이용한 변형률 측정예에서 시간경과에 따른 표점거리 변형율 측정을 이미지 프로세싱방식으로 전사하여 행한 경우를 나타내는 이미지이다.

이하 본 발명이 바람직하게 적용된 실시예에 대해 첨부도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 3은 본 실시예의 마이크로 열-동특성 복합시험장치를 나타내는 것으로, (a)는 개략 사시도이고, (b)는 실제 이미지이고, 도 4는 본 실시예의 마이크로 열-동특성 복합시험장치의 환경조성부의 실제 이미지를 나타내는 것으로, (a)는 폐쇄된 상태를 (b)는 개방된 상태를, (c)는 복합시험장치에 조립된 상태를, (d)는 조립후의 투시도를 각각 나타내며, 도 5는 본 실시예의 마이크로 열-동특성 복합시험장치의 시험편 장착부를 나타낸 것으로, (a)는 시험편이 장착된 실제예를 (b)는 시험편 장착부의 마이크로 3축 스테이지를, (c)는 시험편의 장착양상을 설명하는 개략 사시도이다.

본 실시예의 복합시험장치(1)는 시험편 장착부(10)와, 환경조성부(20), 외력부가수단(30), 물성측정부(40), 그리고 비전부(50)로 이루어진다.

상기 시험편 장착부(10)는 도 5에 도시된 바와 같이, 3차원으로 제어된 이동이 가능한 마이크로 3축 스테이지(3, 4) 상에 설치된다.

상기 시험편 장착부(10)에 대해 더 구체적으로 설명하면, 상기 각 마이크로 3축 스테이지(3, 4)의 상부에는 그 폭방향으로 홈이 형성되어 있고, 그 홈에 히트스틱(heatstick, 11)이 끼워지며, 이 히트시틱(11)이 삽입대응하는 홈이 그 폭방향으로 저부에 길게 형성된 다이(9, 9)들이 히트스틱(11)을 개재하여 마이크로 3축 스테이지(3, 4)에 각각 끼워진다.

상기 다이(9, 9)들의 각각의 상부면에는 상호 대향해서 정렬된 연장홈(12, 12)이 형성되고, 이 연장홈(12, 12)과 상부면에서 각각 직교하는 형태로 고정바아 홈(13, 13)이 형성된다.

도 5(c)에 도시된 상기 시험편(8)은 식별을 위해 크게 표시하였지만 실제는 그 굵기가 마이크로 스케일 또는 나노스케일까지 축소된다.

상기 시험편(8)은 상기 다이(9, 9)에 형성된 상기 연장홈(12, 12)에 놓이고, 상기 시험편(8)의 양단 위에 위치하는 고정바아(7)가 시험편(8)의 길이방향과 수직인 방향로 상기 고정바아 홈(13)에 끼워진 다음, 고정나사(5)를 시험편(8)이 장착된다.

상기 고정바아(7)의 이면, 즉 시험편(8)과 만나는 면은 샌딩(sanding) 표면처리를 행하는 것이 좋고, 더 바람직하게는 나노샌딩 표면처리를 행하는 것이 좋다. 이로써, 시험편(8)의 파지력을 증대시켜, 시험편(8)의 슬립이나 비틀림을 방지하고, 또한 시험편(8)에 극력 손상을 주지 않도록 하여 손상으로 인한 시험평가에의 영향을 배제하도록 한다.

한편, 본 실시예에서는, 도 4(c) 및 도 4(d)에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 3축 스테이지(3, 4)가 연결아암(33, 33)들을 통해 미세조정부(32, 42)에 연결된다.

상기 미세조정부(32, 42)는 마이크로 3축 스테이지(3, 4)를 전후, 좌우, 상하로 이동시켜 시험편(8)의 정렬을 행하는 것이다.

그리고, 상기 두 미세조정부(32, 42) 중 한쪽은 정지된 상태를 유지하고, 다른 한쪽만 이동을 시키며, 정지된 쪽에는 로드셀을 구비하여 시험편(8)에 가해지는 하중을 측정할 수 있다.

도 3(a)는 상기 두 마이크로 3축 스테이지 중 일방의 마이크로 3축 스테이지(4) 쪽을 센서부(40)로 구성한 경우를 나타낸 것으로, 상기 마이크로 3축 스테이지(4)는 연결아암(33)을 통해, 미세조정부(42)를 대신하여 로드셀에 연결하고, 이 로드셀 몸체가 지지대(41)에 의해 지지된다.

상기 마이크로 3축 스테이지(3, 4)는 3차원으로 제어된 이동을 행하는 구동수단을, 예컨대 그 저부에 별도로 구비할 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 포함된다.

상기 미세조정부(42)는 그 후방으로 유압모터, 리니어모터, 또는 서보모터 등의 외력부가수단에 연결되는데, 본 실시예에서는 외력부가수단으로서 서보모터(31), 그리고 추가적으로 기어수단 및 이 기어수단에 대한 백래쉬(backlash)방지수단을 채용하였다.

상기 서보모터(31)은 피드백을 통해 정확한 구동제어가 가능하며, 서보모터(31)로부터의 구동력이 기어수단에 전달되고, 기어수단은 미세조정부(32)를 시험편(8)의 길이방향으로 이동시켜, 시험편 장착부(10)에 고정된 시험편(8)에 인장력 등 외력이 부가되게 된다.

한편, 도 4(a) 및 도 4(b)는 환경조성부를 나타내는 것으로, 본 실시예에서는 상자형상의 챔버(20)를 채용한다.

상기 챔버(20)는 상하적이 힌지연결되어 개폐가능한 형태를 갖고, 상하적의 양 측부에는 각각 반원형상 패임부가 형성되어 폐쇄시 원형상의 개구(開口)부를 이루도록 한다.

상기 개구부는 연결아암(33, 33)의 직경보다 다소 크게 형성되어 개구부와 연결아암(33)사이는 패킹재를 개재하여 외기로부터 챔버(20)가 폐쇄되도록 한다.

상기 챔버(20)내에 마이크로 3축 스테이지(3, 4)를 포함한 시험편 장착부(10)가 들어간다.

상기 챔버(20)에는 다수의 통로구(도시생략)가 형성되고 각각의 통로구에 연결된 관부재 또는 파이프를 통해 외부공급수단으로부터의 분위기조성용 매체가 챔버 내로 공급 또는 배출되도록 하고, 또한, 상기 챔버(20)에 금속판형 카트리지 히터를 내장함으로써, 시험평가시 다양한 외기 환경에서의 시험편에 대한 열-동특성을 시험할 수 있도록 하였다.

한편, 상기 챔버(20)에 그 내부를 들여다 볼수 있는 투명창이 상부에 구비된다. 상기 투명창으로 시험편(8)을 확대관측가능한 광원렌즈(도시 생략) 및 CCD카메라로 이루어진 비전부(50)가 근접 배치된다.

상기 비전부(50)에 LED광원(도시 생략)을 추가함으로써 광원렌즈를 통한 확대에 의해 흐려진 영상을 LED광원으로 보완할 수 있도록 하였다.

상기 CCD카메라, 고배율의 광학렌즈, LED광원으로 이루어진 하드웨어와 영상데이터를 실시간으로 분석하여 변형률을 측정할 수 있는 소프트웨어를 조합하여 비접촉 비전적용 변형률 측정부를 구성할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 마이크로 스케일 또는 나노 스케일의 소재와 부품의 공정 환경에서의 신뢰성 평가 데이터의 필요성에 의해 발명된 것으로 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다.

Claims (8)

1. 마이크로 스케일 또는 나노 스케일의 시험편에 대한 외력부가에 의한 재료물성의 측정을 위해 시험편의 외력부가방향 상의 단부들을 고정 및 정렬할 수 있는 복수의 시험편 장착부와;
   상기 시험편 장착부들 중 적어도 하나에 연결되어 시험편에 외력을 가하도록 구비되는 외력부가수단과;
   시험편 주위에 재료물성시험을 위한 하나 또는 복수의 매체 분위기를 조성하기 위해 시험편을 둘러싸서 대기로부터 격리시키도록 구비되며, 개폐가능한 박스형상의 챔버로 이루어진 환경조성부와;
   상기 환경조성부의 챔버 상에 구비된 투명창을 통해 시험편을 확대관측가능한 광원렌즈 및 CCD카메라가 구비되고, 광원렌즈를 통한 확대에 의해 흐려진 영상을 보완하는 LED광원이 추가 설치되는 이루어진 비전부와;
   상기 환경조성부에 외부공급수단으로부터의 분위기조성용 매체가 공급 또는 배출되도록 상기 환경조성부에 복수 형성된 통로구;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 열-동특성 복합시험장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 외력부가수단은 서보모터와, 백래쉬가 방지된 동력전달수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 열-동특성 복합시험장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 시험편 장착부들 중 적어도 하나는 3차원으로 제어된 이동이 가능한 마이크로 3축 스테이지 상에 장착됨으로써 시험편의 정렬이 가능한 것을 특징으로 하는 마이크로 열-동특성 복합시험장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 시험편 장착부들 중 적어도 다른 하나는 로드셀(loadcell)인 것을 특징으로 하는 마이크로 열-동특성 복합시험장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 환경조성부 내에 시험편의 열 특성평가를 위해 금속판형 카트리지 히터가 내장되는 것을 특징으로 하는 마이크로 열-동특성 복합시험장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 마이크로 3축 스테이지 위에서, 시험편의 비틀림 방지를 위해 시험편 위에 샌딩 표면처리된 바아를 얹고, 볼트조임으로 고정하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열-동특성 복합시험장치.
   

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