KR101706819B1 - 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템 분석방법, 이를 이용한 나노압입시스템 교정방법, 나노압입시스템 및 기록매체 - Google Patents
나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템 분석방법, 이를 이용한 나노압입시스템 교정방법, 나노압입시스템 및 기록매체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템 분석방법, 및 이를 이용한 나노압입시스템 교정방법에 관한 것으로, 이를 위하여 기준시편의 기준 물성정보로부터 계산되는 압입하중 인가곡선인 기준 압입하중 인가곡선을 도시하는 제1단계; 기준시편을 이용한 실제의 나노압입시스템에 의해 얻어지는 대상 압입하중 인가곡선을 도시하는 제2단계; 및 대상 압입하중 인가곡선과 기준 압입하중 인가곡선의 압입하중에 따른 압입깊이의 차이인 제1차이를 계산하는 제3단계;를 포함하고, 제1단계 및 제2단계는 동시에, 순서대로 또는 역순으로 수행될 수 있으며, 계산된 제1차이는 실제의 나노압입시스템의 시스템 강성에 대응되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법이 제공될 수 있다. 이에 따르면 각종 시험인자의 영향을 하나의 시험으로 명확히 분석하고, 교정할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템 분석방법, 이를 이용한 나노압입시스템 교정방법, 나노압입시스템 및 기록매체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 현재 상용되는 나노압입시스템을 포괄적이며 간단하게 분석하고 교정하기 위한 방법에 관한 것이다.
나노압입시험은 예리한 삼각뿔 형태의 압입자로 대상 시험편 표면에 형성되는 마이크론 크기의 압입흔적으로 도출되는 압입하중-변위곡선을 분석하여 미세상(microphase)이나 박막 및 나노소재의 나노경도(nanohardness)와 탄성계수(Young's modulus)를 측정하는 보편적인 방법이다. 도 1은 이러한 나노압입시험에 따라 도출되는 압입하중-변위곡선을 도시한 그래프이다. 대부분의 대상 시험편 재질은 소성(plastic)의 금속재질이고, 하중제거 중에 특정 변위만큼 회복되게 된다. 따라서 도 1에 도시된 바와 같이 압입하중-변위곡선에서는 압입하중 인가곡선과 압입하중 제거곡선으로 구성될 수 있고, 하중인가 곡선의 우측에 하중제거 곡선이 도시되게 된다.
그러나 수 kg 이상의 압입하중을 인가하여 수십 마이크론 이상의 압입흔적을 유발하는 종래의 압입경도시험법과 달리, 나노압입시험의 경우에는 압입하중을 0.01 kg 수준으로 인가하여 마이크론 수준의 압입흔적이 유발되게 된다. 나노압입시험의 압입흔적이 마이크로 수준이기 때문에 원자 현미경을 통해 압입흔적의 크기를 측정하는 것이 불가능하다. 따라서 나노압입시험은 압입흔적의 크기를 측정하는 방식 대신에 대상 시편의 표면으로 압입자가 침투하는 깊이(indentation depth)를 측정하는 방식으로 발전되었다.
또한 종래의 압입경도시험에서 빈번히 사용되는 사각뿔, 능면뿔, 구형이나 원뿔형 압입자는, 압입자 첨단의 정점으로부터 100 nm 이내의 구간에서 압입자 가공의 한계 또는 사용 중 마모로 인해 예상되는 형상과는 다른 형상으로 구성될 수 밖에 없고, 압입시험 결과 예상치 않은 형상의 압입흔적을 남기기도 한다. 따라서 나노압입시험에서는 이론적으로 하나의 정점을 형성하는 예리한 삼각뿔 압입자를 채용하고, 기준시편을 이용한 압입교정을 통해 압입자 형상함수 또는 면적함수(indentation area function)를 도출해서 사용하고 있다.
결과적으로 도 1에 도시된 바와 같은 나노압입시험으로 획득된 압입하중-변위곡선으로부터 나노경도나 탄성계수를 획득하기 위해서는 일반적으로 이하의 수식들로 나타나는 3단계의 분석과정이 요구된다.
도 2는 나노압입시험에 의해 형성되는 압입흔적의 전자현미경 사진, 도 3은 나노압입시험에서 대상 시험편의 단면에 각종 변수를 도시한 단면도이다. 도 2, 3에 도시된 바와 같이 상기 수학식 1, 2에서 h는 총 변위(또는 압입깊이), hc는 접촉깊이(contact depth), hmax는 최대 변위(또는 압입깊이), hs는 접촉부위 주변의 탄성적인 굽힘깊이, ε은 압입자의 기하학적 형상에 대한 상수, Lmax는 최대 압입하중, S는 압입하중-변위곡선의 최대 압입하중에서의 기울기인 시스템 강성(indenting system stiffness)을 의미한다.
상기 수학식 3, 4에서 Ac는 접촉면적, C1-C5는 실험데이터의 피팅에 의해 획득되는 상수를 의미한다. 수학식 3에서 "area function"은 압입자 면적함수를 의미한다. 24.5는 베르코비치(Berkovich) 압입자의 C0를 의미하고, C0는 압입자 첨단의 기하학적 형상에 관한 상수를 의미한다.
상기 수학식 5, 6에서 H는 나노경도(nano-Hardness), L은 압입하중(Load), E*는 환산탄성계수(reduced modulus), E는 탄성계수(Young's modulus), ν는 프아송 비(Poisson's ratio)이다.
나노압입시험으로 획득된 압입하중-변위곡선으로부터 나노경도나 탄성계수를 획득하기 위한 3단계의 분석과정으로, (a) 압입하중-변위곡선에서, 최대 압입하중하에서 압입자/시험편 간의 접하고 있는 접촉깊이를 확인하는 단계, (b) 접촉깊이가 확인되면 최대 압입하중을 지탱하고 있는 접촉면적으로 환산하는 단계, (c) 접촉면적이 결정되면 압입하중을 접촉면적으로 나누어 나노경도를 평가하고, 탄성계수 역시 접촉면적과 최대 압입하중에서 하중 제거곡선 기울기 정보를 이용하여 평가하는 단계가 있다.
접촉깊이를 접촉면적으로 환산하는 단계는 용해 실리카와 같은 탄성계수 정보를 가진 유일한 기준 시편의 압입시험으로부터 구한 압입자 면적함수(혹은 접촉면적-접촉깊이 간의 마스터 곡선)를 이용하여 접촉면적의 환산을 진행하게 된다.
이상에서는 나노압입시스템의 종래 분석방법에 관하여 설명하였다. 이하에서는 나노압입시스템의 종래 교정방법에 관하여 설명하겠다. 현재 상용 나노압입시스템의 교정이라 함은 액츄에이터에서 발생하는 하중에 대한 교정, 압입자의 침투범위를 연속으로 측정해야 하는 변위 센서의 교정을 포함한다. 그러나 대부분의 나노압입시스템의 교정방법은 용해 실리카 기준시편을 이용하여 분석과정 중의 (b) 단계에 해당하는 압입자 면적함수의 도출이 주를 이루고 있다.
압입자 면적함수의 도출과정을 보다 상세히 살펴보면, 기본 전제로 용해 실리카 기준시편의 탄성계수와 포와송 비를 일정하고 이미 알려진 값으로 가정하게 된다. 즉, 용해 실리카 표면에 다양한 압입깊이로 나노압입시험을 수행하여 도 1과 같은 압입하중-변위곡선을 획득하게 된다.
각 압입하중 인가곡선에서 최대하중에서의 기울기 S 값을 결정하게 되면 수학식 2를 통해서 접촉깊이(hc)의 계산이 가능해진다. 또한 수학식 6에 S 값과 용해실리카 기준시편의 E/(1-v2)을 대입하면 접촉면적(Ac)의 계산이 가능해진다. 결국 수학식 2, 6를 통해서 접촉깊이(hc)와 접촉면적(Ac)의 관계가 얻어지고, 이를 급수함수로 나타낸 것이 바로 압입자 면적함수(수학식 3, area function)가 된다.
W.C. Oliver and G.M. Pharr, J. Mater. Res. 7, 1564-1583 (1992).
S. Liu, Y. Gu and H. Huang, Mater. Sci. Eng. A 528, 7948-7951 (2011).
J. Malzbender, G. de With and J. den Toonder, J. Mater. Res. 15, 1209-1212 (2000).
그러나 압입자 면적함수에서 고차항들이 구체적으로 압입자 첨단의 비이상적인 형상을 표현할 수 있는지에 대한 의구심이 증폭되고 있다. 또한 시스템의 강성 등이 잘못 교정될 경우, 압입자 면적함수에 영향을 줄 수 있음이 확인되고 있다. 또한 나노압입시험의 압입하중-변위곡선 분석에 있어서 영향을 주는 여러 시험인자들에 대한 교정의 수요가 증가되고 있다.
이처럼 종래 고려되고 있지 못한 시험인자들로는 초기 압입자/시험편 표면 접촉지점의 결정, 압입자 첨단의 마모깊이, 압입자 첨단각, 시스템 강성, 최대하중에서의 크리프 등이 존재한다. 이들 시험인자들에 대한 개별적인 분석이나 교정의 경우, 다양한 시험절차와 함께 복잡한 분석방법이 필요한 실정이다.
따라서 본 발명은 상기 제시된 문제점을 개선하기 위하여 창안되었다.
본 발명의 목적은, 이러한 시험인자의 영향을 하나의 시험으로 명확하게 분석하고, 교정할 수 있는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템 분석방법, 이를 이용한 나노압입시스템 교정방법, 나노압입시스템 및 기록매체을 제공하는데에 있다.
이하 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 수단에 대하여 설명한다.
본 발명의 목적은, 기준시편의 기준 물성정보로부터 계산되는 압입하중 인가곡선인 기준 압입하중 인가곡선을 도시하는 제1단계; 상기 기준시편을 이용한 실제의 나노압입시스템에 의해 얻어지는 대상 압입하중 인가곡선을 도시하는 제2단계; 및 상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선의 압입하중에 따른 압입깊이의 차이인 제1차이를 계산하는 제3단계;를 포함하고, 상기 제1단계 및 상기 제2단계는 동시에, 순서대로 또는 역순으로 수행될 수 있으며, 계산된 상기 제1차이의 압입하중에 대한 변화량은 상기 실제의 나노압입시스템의 시스템 강성에 대응되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법을 제공하여 달성될 수 있다.
또한 상기 제3단계 이후에, 상기 제1차이가 선형적으로 증가하거나, 감소하는 구간에서, 상기 압입하중에 따른 상기 압입깊이의 차이가 형성하는 기울기를 계산하는 제4단계;를 더 포함하고, 상기 기울기는 상기 실제의 나노압입시스템의 상기 시스템 강성에 해당되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제4단계 이후에, 상기 기울기가 양의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템의 압입깊이 값에서 빼주고, 상기 기울기가 음의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템에서 더해주는 제5단계; 및 특정 압입하중 이상에서 발생되는 상기 기준 압입하중 인가곡선과 상기 대상 압입하중 인가곡선의 압입깊이의 차이인 제2차이를 계산하는 제6단계;를 더 포함하고, 상기 제2차이는 실제의 나노압입시스템의 압입자 첨단의 마모깊이에 해당되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제6단계는, 상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선에 대하여 압입하중에 따른 압입깊이의 차이에 대한 그래프인 제1그래프를 도시하는 단계이고, 상기 제1그래프 상에서, 상기 실제의 나노압입시스템에 대응되는 곡선의 x축과 평행한 부분의 연장선에 대한 y축 접점이 상기 실제 나노 압입시스템의 압입자 첨단의 마모깊이에 해당되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제6단계 이후에, 상기 제2차이에 해당하는 압입깊이를 상기 대상 압입하중 인가곡선에 더해주거나, 또는 상기 제2차이에 해당하는 압입깊이 값만큼 상기 대상 압입하중 인가곡선을 평행이동시키는 제7단계;를 더 포함하고, 상기 실제의 나노압입시스템의 압입자 첨단의 기하학적 형상에 대한 정보는 상기 기준 압입하중 인가곡선과 상기 제7단계 이후의 상기 대상 압입하중 인가곡선의 일치 여부로 판단되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제7단계 이후에, 이하 수학식에서 실제의 나노압입시스템의 압입자의 접촉부 외곽의 탄성적인 굽힘깊이인 
를 제거하고 남은 접촉깊이의 비로부터, 실제의 나노압입시스템의 상기 압입자의 C0 값과 베르코비치 압입자의 C0 값과의 차이를 파악하고, 실제의 나노압입시스템의 상기 압입자의 C0 값을 교정하는 제8단계;를 더 포함하고, 크리프 효과에 대한 정보는, 상기 제8단계 이후의 대상 압입하중 인가곡선 상에서 최대 압입하중에서 압입하중의 변화없이 압입깊이가 증가하는지 여부로 판단되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식]
위 수학식에서 hmax는 최대 변위(또는 최대 압입깊이), Lmax는 최대 압입하중, H는 나노경도(nano-Hardness), E는 탄성계수(Young's modulus), ω는 압입자의 형상과 관련된 상수, π는 접촉형상과 관련된 상수, C0는 압입자 첨단의 기하학적 형상에 관한 상수이다.
또한 상기 제8단계 이후에, 상기 대상 압입하중 인가곡선의 최대 압입하중 이후의 대상 압입하중 제거곡선을 상기 크리프 효과가 발생되는 구간만큼 왼쪽으로 평행이동시키는 제9단계;를 더 포함하고, 상기 제9단계 이후의 상기 대상 압입하중 인가곡선 및 상기 대상 압입하중 제거곡선 중 적어도 하나를 이용하여, 실제의 나노압입시스템의 나노경도 및 탄성계수 중 적어도 하나를 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 기준시편은 용해 실리카인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 목적은, 기준시편의 기준 물성정보로부터 계산되는 압입하중 인가곡선인 기준 압입하중 인가곡선을 도시하는 제1단계; 상기 기준시편을 이용한 실제의 나노압입시스템에 의해 얻어지는 대상 압입하중 인가곡선을 도시하는 제2단계; 상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선의 압입하중에 따른 압입깊이의 차이인 제1차이를 계산하는 제3단계; 상기 제1차이가 선형적으로 증가하거나, 감소하는 구간에서, 상기 압입하중에 따른 상기 압입깊이의 차이가 형성하는 기울기를 계산하는 제4단계; 및 상기 기울기가 양의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템의 압입깊이 값에서 빼주고, 상기 기울기가 음의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템에서 더해주는 제5단계;를 포함하고, 상기 제1단계 및 상기 제2단계는 동시에, 순서대로 또는 역순으로 수행될 수 있으며, 상기 기울기는 상기 실제의 나노압입시스템의 상기 시스템 강성에 해당되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 교정방법을 제공하여 달성될 수 있다.
또한 특정 압입하중 이상에서 발생되는 상기 기준 압입하중 인가곡선과 상기 대상 압입하중 인가곡선의 압입깊이의 차이인 제2차이를 계산하는 제6단계; 및 상기 제2차이에 해당하는 압입깊이를 상기 대상 압입하중 인가곡선에 더해주거나, 또는 상기 제2차이에 해당하는 압입깊이 값만큼 상기 대상 압입하중 인가곡선을 평행이동시키는 제7단계;를 더 포함하고, 상기 제2차이는 실제의 나노압입시스템의 압입자 첨단의 마모깊이에 해당되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 실제의 나노압입시스템의 압입자 첨단의 기하학적 형상에 대한 정보는 상기 기준 압입하중 인가곡선과 상기 제7단계 이후의 상기 대상 압입하중 인가곡선의 일치 여부로 판단되고, 상기 제7단계 이후에, 이하 수학식에서 실제의 나노압입시스템의 압입자의 접촉부 외곽의 탄성적인 굽힘깊이인 
를 제거하고 남은 접촉깊이의 비로부터, 실제의 나노압입시스템의 상기 압입자의 C0 값과 베르코비치 압입자의 C0 값과의 차이를 파악하고, 실제의 나노압입시스템의 상기 압입자의 C0 값을 교정하는 제8단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식]
위 수학식에서 hmax는 최대 변위(또는 최대 압입깊이), Lmax는 최대 압입하중, H는 나노경도(nano-Hardness), E는 탄성계수(Young's modulus), ω는 압입자의 형상과 관련된 상수, π는 접촉형상과 관련된 상수, C0는 압입자 첨단의 기하학적 형상에 관한 상수이다.
또한 크리프 효과에 대한 정보는, 상기 제8단계 이후의 실제 압입하중 인가곡선 상에서 최대 압입하중에서 압입하중의 변화없이 압입깊이가 증가하는지 여부로 판단되고, 상기 제8단계 이후에, 상기 대상 압입하중 인가곡선의 최대 압입하중 이후의 실제 압입하중 제거곡선을 상기 크리프 효과가 발생되는 구간만큼 왼쪽으로 평행이동시키는 제9단계;를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 기준시편은 용해 실리카인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 목적은 나노압입시험을 위한 용해 실리카 재질의 기준시편; 및 상기 기준시편에 특정 압입하중을 인가하고 제거하며, 상기 기준시편과의 접촉부가 다각뿔 형태로 구성되는 압입자;를 포함하고, 상기 압입자가 상기 기준시편에 상기 특정 압입하중을 인가하여 실제 압입하중 인가곡선이 생성되며, 최대 압입하중 인가 후, 상기 압입자가 상기 기준시편에 상기 특정 압입하중을 제거하여 실제 압입하중 제거곡선이 생성되고, 제9항에 따른 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 교정방법으로 교정되며, 상기 대상 압입하중 인가곡선 및 상기 대상 압입하중 제거곡선 중 적어도 하나를 이용하여, 실제의 나노압입시스템의 나노경도 및 탄성계수 중 적어도 하나를 계산하는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템을 제공하여 달성될 수 있다.
본 발명의 목적은 기준시편의 기준 물성정보로부터 계산되는 압입하중 인가곡선인 기준 압입하중 인가곡선을 도시하는 제1단계; 상기 기준시편을 이용한 실제의 나노압입시스템에 의해 얻어지는 대상 압입하중 인가곡선을 도시하는 제2단계; 및 상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선의 압입하중에 따른 압입깊이의 차이인 제1차이를 계산하는 제3단계;를 포함하고, 상기 제1단계 및 상기 제2단계는 동시에, 순서대로 또는 역순으로 수행될 수 있으며, 계산된 상기 제1차이는 상기 실제의 나노압입시스템의 시스템 강성에 대응되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법을 실행하는 프로그램을 저장한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하여 달성될 수 있다.
본 발명의 목적은, 기준시편의 기준 물성정보로부터 계산되는 압입하중 인가곡선인 기준 압입하중 인가곡선을 도시하는 제1단계; 상기 기준시편을 이용한 실제의 나노압입시스템에 의해 얻어지는 대상 압입하중 인가곡선을 도시하는 제2단계; 상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선의 압입하중에 따른 압입깊이의 차이인 제1차이를 계산하는 제3단계; 상기 제1차이가 선형적으로 증가하거나, 감소하는 구간에서, 상기 압입하중에 따른 상기 압입깊이의 차이가 형성하는 기울기를 계산하는 제4단계; 및 상기 기울기가 양의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템의 압입깊이 값에서 빼주고, 상기 기울기가 음의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템에서 더해주는 제5단계;를 포함하고, 상기 제1단계 및 상기 제2단계는 동시에, 순서대로 또는 역순으로 수행될 수 있으며, 상기 기울기는 상기 실제의 나노압입시스템의 상기 시스템 강성에 해당되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 교정방법을 실행하는 프로그램을 저장한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하여 달성될 수 있다.
본 발명의 목적은 기준시편의 기준 물성정보로부터 계산되는 압입하중 인가곡선인 기준 압입하중 인가곡선을 도시하는 제1단계; 상기 기준시편을 이용한 실제의 나노압입시스템에 의해 얻어지는 대상 압입하중 인가곡선을 도시하는 제2단계; 및 상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선이 특정 압입하중 이후에서 일정하게 형성되는 압입하중에 따른 압입깊이의 차이인 제3차이를 계산하는 제3단계;를 포함하고, 상기 제1단계 및 상기 제2단계는 동시에, 순서대로 또는 역순으로 수행될 수 있으며, 상기 제3차이는 실제의 나노압입시스템의 압입자 첨단의 마모깊이에 해당되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법을 제공하여 달성될 수 있다.
또한 상기 제3단계는, 상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선에 대하여 압입하중에 따른 압입깊이의 차이에 대한 그래프인 제1그래프를 도시하는 단계이고, 상기 제1그래프 상에서, 상기 실제의 나노압입시스템에 대응되는 곡선의 x축과 평행한 부분의 연장선에 대한 y축 접점이 상기 실제 나노 압입시스템의 압입자 첨단의 마모깊이에 해당되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명의 일실시예에 따르면 각종 시험인자의 영향을 하나의 시험으로 명확히 분석하고, 교정할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명의 일실시예에 따르면 보편적으로 사용되어 오던 용해 실리카 기준시편의 나노경도와 탄성계수 정보 모두를 활용하여 각종 시험인자의 영향을 분석하고 교정할 수 있게 되므로, 범용성이 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명의 일실시예에 따르면 상용되는 나노압입시스템에서 포괄적이고 간단한 나노압입시스템의 분석 및 교정방법을 제공하는 효과가 있다. 본 발명의 일실시예와 같은 포괄적이고 간단한 분석 및 교정방법은 전무하기 때문에, 나노압입시스템의 분석 및 교정에 대한 활용도가 매우 클 것으로 파악된다.
넷째, 본 발명의 일실시예에 따르면, 유효한 나노경도와 탄성계수가 획득되는 상용 나노압입시스템의 압입깊이 구간 또는 압입하중 구간을 결정할 수 있으며, 이에 따라 소재의 역학물성 측정에 있어서 신뢰도가 향상되는 효과가 발생된다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 나노압입시험에 따라 도출되는 압입하중-변위곡선을 도시한 그래프,
도 2는 나노압입시험에 의해 형성되는 압입흔적의 전자현미경 사진,
도 3은 나노압입시험에서 대상 시험편의 단면에 각종 변수를 도시한 단면도,
도 4는 기준시편과 2종의 상용 압입시험기에서 획득된 압입하중 인가곡선을 도시한 그래프,
도5는 기준시편과 2종의 상용 압입시험기에서 획득된 압입하중 인가곡선의 압입깊이 차이를 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 교정된 압입하중 인가곡선의 그래프를 도시한 것이다.
도 1은 나노압입시험에 따라 도출되는 압입하중-변위곡선을 도시한 그래프,
도 2는 나노압입시험에 의해 형성되는 압입흔적의 전자현미경 사진,
도 3은 나노압입시험에서 대상 시험편의 단면에 각종 변수를 도시한 단면도,
도 4는 기준시편과 2종의 상용 압입시험기에서 획득된 압입하중 인가곡선을 도시한 그래프,
도5는 기준시편과 2종의 상용 압입시험기에서 획득된 압입하중 인가곡선의 압입깊이 차이를 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 교정된 압입하중 인가곡선의 그래프를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템 분석방법 및 교정방법
나노압입시스템 분석 및 교정방법과 관련하여, 본 발명의 일실시예에 따르면 용해 실리카의 나노경도와 탄성계수 정보를 이용하여 수식적으로 도출된 이론 기준곡선(theoretical reference curve)과 실제 압입시험결과를 직접 비교하여, 종래에 문제되던 다양한 실험인자의 영향을 분석하고, 이를 간단히 교정하는 방법이 제시되는 효과가 있다. 본 발명의 일실시예는 나노압입시험에서 보편적으로 사용되는 용해 실리카 기준시편에서 얻어지는 압입하중-변위곡선과 용해 실리카 기준시편의 알려진 기준 물성정보로부터 이론적으로 계산된 기준 압입하중 인가곡선(또는 기준 하중 인가곡선)을 서로 비교하여, 이 둘의 차이로부터 나노압입시스템의 강성, 압입자의 형상, 압입자의 첨단 마모 정도, 압입자/시험편의 접촉지점 결정, 크리프 특성 등을 파악하고 간단히 교정할 수 있는 방법에 관한 것이다.
용해 실리카 기준시편은 비정질 소재이며, 산화물인 관계로 나노압입시험에서 이슈되곤 했던 표면산화층의 문제가 결정질에서의 미세조직(micro-structure)이나 크기효과(size effect)로부터 자유로울 수 있다는 장점이 있다. 특히 수십 nm의 매우 얕은 압입구간에서 압입자 면적함수만 잘 결정될 경우, 나노경도에서 압입 크기효과가 전혀 없고, 탄성계수나 포와송 비도 일정하게 되는 최적의 기준물질로 활용될 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시예에서는 종래 용해 실리카 기준시편의 탄성계수가 일정하다는 가정 하에서 압입자 면적함수 도출에만 사용되던 것을 확장하여, 일정한 기준 나노경도를 이용하여 기준 압입하중 인가곡선을 도출하고자 하였다.
용해 실리카 기준시편과 같이 재료쌓임과 같은 비정상적 거동이 없는 소재의 압입에서 이론적인 기준 압입하중 인가곡선의 압입깊이(h)는 간단하게 압입자와 접촉하고 있는 부분의 접촉깊이(hc)와 접촉부 외각 주변의 탄성적인 굽힘깊이(hs)로 표현될 수 있다(수학식 1).
접촉깊이(hc)는, 나노경도가 Lmax/Ac로 정의되고 Ac가 이상적인 베르코비치(Berkovich) 삼각뿔 형태의 압입자에서 C0hc 2으로 표현되기 때문에 결국 
로 표현된다. 접촉부 주변의 탄성적인 굽힘깊이(hs)는 h-hc로 표현되기 때문에, 수학식 4, 6을 결합함으로써 궁극적으로 
로 표현된다. 따라서 hmax는 이하 수학식 7과 같이 압입자의 형상, 접촉형상과 관련된 상수, 나노경도, 탄성계수 및 압입하중의 함수로 표현될 수 있다.
상기 수학식 7에서, ω는 압입자의 형상과 관련된 상수, π는 접촉형상과 관련된 상수이다.
특히 수학식 7의 경우, Lmax에 대한 표현으로 기준 압입하중 인가곡선을 재정리하면 Malzbender 등이 선행연구에서 도출한 수식과도 일치하였다(비특허문헌 3).
이러한 기준 압입하중 인가곡선은 이상적인 기준물질에 이상적인 나노압입시험을 진행할 때의 결과물로 파악할 수 있으며, 이하에서 보다 상세한 전제가정을 정리한다.
우선 나노압입시스템은 하중, 변위 및 강성이 잘 교정된 상태여야 한다. 압입자의 경우, 첨단에서 정점을 이루는 이상적인 베르코비치 삼각뿔 형태를 가지며, 기준물질은 나노경도, 탄성계수 및 포와송 비가 압입깊이에 무관하게 일정하다는 전제를 가지고 있다.
실제 시스템의 강성효과 또는 압입자 첨단의 무딘 영역이 존재하는 실제 압입하중 인가곡선을 이러한 이상적인 기준 압입하중 인가곡선과 비교함으로써 이 둘 사이의 차이점에서 각각의 시험인자들의 영향을 정량적으로 분석할 수 있다. 또한 실험적인 압입하중 인가곡선을 이상적인 기준 압입하중 인가곡선의 형상과 중첩시킬 수 있도록 하는 절차로, 나노압입시스템과 압입자의 간단한 교정을 진행할 수 있다.
도 4는 기준시편과 2종의 상용 압입시험기에서 획득된 압입하중 인가곡선을 도시한 그래프이다. 도 4에서 용해 실리카 기준시편의 기준 나노경도와 탄성계수 값을 9.25±0.93 GPa과 71.96±3.48 GPa로 하고, 포와송 비를 0.17로 대입했을 때의 기준 압입하중 인가곡선을 점선(dash-dot line)으로 표시하였다. 압입자의 탄성계수와 포와송 비는 1141 GPa와 0.07을 사용하였다.
도 4에서는 이러한 기준 압입하중 인가곡선과 비교하여 2종의 상용 압입시험기에서 획득된 압입하중 인가곡선을 중첩하였다. 2종의 상용 압입시험기는 G200 압입 시험기와 Ultra-nano 압입시험기이다. 중첩결과 1종의 상용 압입시험기는 동일한 압입하중에서 기준 압입하중 인가곡선에 비해 얕은 압입깊이를 나타내었고, 반대로 다른 사용 압입시험기에서는 보다 깊은 압입깊이를 나타내었다.
도 4의 이론적인 기준 압입하중 인가곡선과 실험적인 압입하중 인가곡선의 정량적인 차이를 파악하기 위하여, 압입하중을 증가시키면서 기준 압입하중 인가곡선의 압입깊이와 실험으로 측정된 압입하중 인가곡선의 압입깊이의 차이를 그래프로 플로팅해보았다.
도 5는 기준시편과 2종의 상용 압입시험기에서 획득된 압입하중 인가곡선의 압입깊이 차이를 도시한 그래프이다. 도 5에서, 사용 압입시험기를 이용한 실험데이터가 이론적인 기준 압입하중 인가곡선과 완벽하게 일치한다면, y축의 압입깊이의 차이는 0을 유지해야 한다. 그러나 도 5에 도시된 바와 같이 압입깊이의 차이는 2가지 형태로 발생된다. 첫번째 형태로, 실험적인 압입하중 인가곡선은 초기에 기준 압입하중 인가곡선으로부터 급격하게 이격된 이후에 일정 압입깊이 차이를 유지하게 된다. 두번째 형태로 압입하중 증가에 따라 압입깊이의 차이가 선형적으로 감소하여 역전되는 현상이 유발된다.
시스템 강성
이러한 두 가지 형태를 구분해보면, 우선 압입깊이가 하중 증가에 따라 선형적으로 증가하거나 감소하는 현상은 시스템 강성이 뚜렷하게 보정되지 못한 결과로 파악될 수 있다. 선형적으로 증가하는 구간(도 5의 경우, 압입하중 약 30 mN 이상)에서 기울기를 구하면, 이 기울기가 시스템의 강성에 해당하게 된다. 이렇게 분석된 시스템 강성에 대한 교정방법을 이하에 기재한다.
시스템 강성, 즉 기울기가 양의 값을 갖게 되면 압입하중과 기울기를 곱하여 시스템 강성에 의해 발생한 압입변위를 빼주면 된다. 또한 시스템 강성, 즉 기울기가 음의 값을 갖게 되면 반대로 압입변위에 시스템 강성에 의해 발생한 추가적인 압입변위를 더하여 교정하게 된다.
압입자 첨단의 마모
이러한 시스템 강성의 교정을 통해 30 mN 이상의 압입하중 구간에서 실제 압입깊이와 이론적인 기준 압입깊이는 일정한 차이를 갖는 형태를 갖게 된다. 이러한 압입깊이의 차이는 바로 압입자의 첨단의 마모 정도에 기인하게 된다.
즉 동일한 나노압입시스템의 압입자 축에 이상적으로 예리한 삼각뿔 압입자와, 첨단이 뭉툭한 실제적 압입자를 장착하여 시험편에 압입시험을 동시에 수행할 경우, 이상적 압입자에서 접촉을 이룬 상태에서 실제적 압입자의 접촉은 늦어지고, 결과적으로 실제적 압입자의 첨단의 마모깊이 만큼 접촉이 지연되게 된다.
이러한 마모깊이는 시스템 강성의 교정 이후 얻어진 도 5의 기준 압입하중 인가곡선의 압입깊이와 실제 압입하중 인가곡선의 압입깊이의 차로 정의된다. 보다 구체적으로는 1차적으로 시스템 강성에 대한 교정을 마침으로써 기준 압입하중 인가곡선과 평행해진 실제 압입하중 인가곡선의 압입깊이 차이에 대한 그래프를 압입하중이 0인 y축까지 외삽하여 얻어지는 절편값으로 구해진다. 따라서 시스템 강성에 대한 교정을 할 필요가 없는 경우에는 곧바로 압입자 첨단의 마모깊이 교정단계에 들어가게 될 수 있다.
이러한 압입깊이의 차이만큼을 실제 압입하중 인가곡선의 압입깊이에 더해주는 방법, 또는 압입깊이의 차이만큼 압입하중-변위곡선을 오른쪽 방향으로 평행이동 시키는 방법으로 교정이 가능하다.
초기 압입자/시험편 접촉지점의 잘못된 결정
특히 마모깊이로 파악되는 초기 압입깊이의 급격한 차이는 초기 압입자/시험편 접촉지점을 잘못 결정한 결과로도 나타날 수 있다. 이 두 시험인자의 영향을 분리하기 위해서는 선행특허(특허문헌 0001)와 같이 압입하중 인가곡선을 
과 h 간의 선형적인 최적화로부터 압입자의 마모깊이를 직접 측정한 결과와 비교하여 파악할 수 있다.
압입자 첨단각의 형상
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 교정된 압입하중 인가곡선의 그래프를 도시한 것이다. 이상의 시스템 강성과 압입자 첨단의 마모깊이에 대한 보정이 완료된 경우 대부분의 압입하중-변위곡선은 도 6에 도시된 바와 같이 이론적인 기준 압입하중 인가곡선과 완벽히 중첩되는 경향을 나타내지만, 일부 기준 압입하중 인가곡선으로부터 벗어나는 양상이 확인된다.
이러한 양상은 기본적으로 압입자 첨단각이 베르코비치 압입자의 기하학적 형상으로부터 벗어나는 경우이다. 보다 상세하게는 수학식 7의 C0 값이 이상적인 베르코비치 압입자의 기하에서 주어진 값과 다르기 때문이다.
압입자 첨단각이 베르코비치 압입자의 기하학적 형상으로부터 벗어나는 경우, 압입자의 실제적 형상을 측정하는 방법이 직접적인 해결책이겠지만, 수학식 7에서 압입자의 접촉부 외곽의 탄성적인 굽힘깊이인 
를 제거하고, 남은 접촉깊이의 비로부터 실제적 압입자의 C0가 이상적인 베르코비치 압입자의 C0로부터 벗어나는 정도를 파악하여 교정하게 된다.
크리프 양상
압입하중 인가곡선의 교정이 완료된 이후, 최대 압입하중에서 압입하중의 변화 없이 압입깊이가 증가되는 크리프 양상이 나타나게 된다. 이 압입깊이의 완화량 만큼을 제거하여 최대 압입하중 이후 압입하중 제거곡선을 왼쪽으로 평행이동 시킴으로써 크리프 효과를 제거할 수 있다.
이상에서 시스템 강성, 압입자 첨단의 마모, 압입자/시험편의 초기 접촉지점의 결정, 압입자 첨단각의 형상을 교정하고, 마지막으로 최대 압입하중에서의 크리프량 만큼을 배제함으로써 서로 다른 상용 나노압입시스템에서 얻어진 용해 실리카 나노 압입하중 인가곡선을 완벽히 중첩시킬 수 있는 효과가 발생된다. 또한 중첩도가 우수한 압입하중 제거곡선으로부터 재현성이 뚜렷한 나노경도 및 탄성계수의 평가가 가능해지는 효과가 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 나노압입시스템의 교정방법을 채택함으로써 압입자 첨단의 마모된 부분이나, 압입자의 비이상적인 형상 부분의 데이터를 배제한 영역에 대해 별도의 압입자 면적함수의 도출 없이, 단순한 교정만으로 나노경도와 탄성계수를 분석할 수 있는 효과가 발생된다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 나노압입시스템의 분석방법을 통해 유효한 나노경도와 탄성계수가 획득되는 상용 나노압입시스템의 압입깊이 구간(또는 압입하중 구간)을 결정할 수 있으며, 소재의 역학물성 측정에 있어서 신뢰도 향상이 기대되는 효과가 발생된다.
종래의 상용 나노압입시스템에서는 본 발명의 일실시예와 같이 포괄적이고도 간단한 나노압입시스템의 분석 및 교정방법은 전혀 제시되지 않고 있었으므로, 나노압입시험에서 본 발명의 활용도가 매우 클 것으로 파악된다.
기록매체
본 발명의 일실시예에 따른 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 컴퓨터 프로그램을 기록한 컴퓨터로 판독가능한 기록매체는, 상술한 바 중 어느 하나의 분석방법 또는 교정방법의 각 단계에 의해 수행되도록 컴퓨터 시스템 상에서 판독 가능한 프로그램이 기록된 것을 특징으로 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (18)
- 기준시편의 기준 물성정보로부터 이론적으로 계산되는 압입하중 인가곡선인 기준 압입하중 인가곡선을 도시하는 제1단계;
상기 기준시편을 이용한 실제의 나노압입시스템에 의해 측정되는 대상 압입하중 인가곡선을 도시하는 제2단계;
상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선의 압입하중에 따른 압입깊이의 차이인 제1차이를 계산하는 제3단계; 및
상기 제1차이에 따라 나노압입시스템 및 압입자를 교정하는 제4단계;
를 포함하고,
계산된 상기 제1차이의 압입하중에 대한 변화량은 상기 실제의 나노압입시스템의 시스템 강성에 대응되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제3단계 이후에,
상기 제1차이가 선형적으로 증가하거나, 감소하는 구간에서, 상기 압입하중에 따른 상기 압입깊이의 차이가 형성하는 기울기를 계산하는 제5단계;
를 더 포함하고,
상기 기울기는 상기 실제의 나노압입시스템의 상기 시스템 강성에 해당되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법.
- 제2항에 있어서,
상기 제5단계 이후에,
상기 기울기가 양의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템의 압입깊이 값에서 빼주고, 상기 기울기가 음의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템에서 더해주는 제6단계; 및
특정 압입하중 이상에서 발생되는 상기 기준 압입하중 인가곡선과 상기 대상 압입하중 인가곡선의 압입깊이의 차이인 제2차이를 계산하는 제7단계;
를 더 포함하고,
상기 제2차이는 실제의 나노압입시스템의 압입자 첨단의 마모깊이에 해당되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법.
- 제3항에 있어서,
상기 제7단계는,
상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선에 대하여 압입하중에 따른 압입깊이의 차이에 대한 그래프인 제1그래프를 도시하는 단계이고,
상기 제1그래프 상에서, 상기 실제의 나노압입시스템에 대응되는 곡선의 x축과 평행한 부분의 연장선에 대한 y축 접점이 상기 실제 나노 압입시스템의 압입자 첨단의 마모깊이에 해당되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법.
- 제3항에 있어서,
상기 제7단계 이후에,
상기 제2차이에 해당하는 압입깊이를 상기 대상 압입하중 인가곡선에 더해주거나, 또는 상기 제2차이에 해당하는 압입깊이 값만큼 상기 대상 압입하중 인가곡선을 평행이동시키는 제8단계;
를 더 포함하고,
상기 실제의 나노압입시스템의 압입자 첨단의 기하학적 형상에 대한 정보는 상기 기준 압입하중 인가곡선과 상기 제8단계 이후의 상기 대상 압입하중 인가곡선의 일치 여부로 판단되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법.
- 제5항에 있어서,
상기 제8단계 이후에,
이하 수학식에서 실제의 나노압입시스템의 압입자의 접촉부 외곽의 탄성적인 굽힘깊이인를 제거하고 남은 접촉깊이의 비로부터, 실제의 나노압입시스템의 상기 압입자의 C0 값과 베르코비치 압입자의 C0 값과의 차이를 파악하고, 실제의 나노압입시스템의 상기 압입자의 C0 값을 교정하는 제9단계;
를 더 포함하고,
크리프 효과에 대한 정보는, 상기 제8단계 이후의 대상 압입하중 인가곡선 상에서 최대 압입하중에서 압입하중의 변화없이 압입깊이가 증가하는지 여부로 판단되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법:
[수학식]
위 수학식에서 hmax는 최대 변위(또는 최대 압입깊이), Lmax는 최대 압입하중, H는 나노경도(nano-Hardness), E는 탄성계수(Young's modulus), ω는 압입자의 형상과 관련된 상수, π는 접촉형상과 관련된 상수, C0는 압입자 첨단의 기하학적 형상에 관한 상수이다.
- 제6항에 있어서,
상기 제9단계 이후에,
상기 대상 압입하중 인가곡선의 최대 압입하중 이후의 대상 압입하중 제거곡선을 상기 크리프 효과가 발생되는 구간만큼 왼쪽으로 평행이동시키는 제10단계;
를 더 포함하고,
상기 제10단계 이후의 상기 대상 압입하중 인가곡선 및 상기 대상 압입하중 제거곡선 중 적어도 하나를 이용하여, 실제의 나노압입시스템의 나노경도 및 탄성계수 중 적어도 하나를 계산하는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법.
- 제1항에 있어서,
상기 기준시편은 용해 실리카인 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법.
- 기준시편의 기준 물성정보로부터 이론적으로 계산되는 압입하중 인가곡선인 기준 압입하중 인가곡선을 도시하는 제1단계;
상기 기준시편을 이용한 실제의 나노압입시스템에 의해 측정되는 대상 압입하중 인가곡선을 도시하는 제2단계;
상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선의 압입하중에 따른 압입깊이의 차이인 제1차이를 계산하는 제3단계;
상기 제1차이가 선형적으로 증가하거나, 감소하는 구간에서, 상기 압입하중에 따른 상기 압입깊이의 차이가 형성하는 기울기를 계산하는 제4단계; 및
상기 기울기가 양의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템의 압입깊이 값에서 빼주고, 상기 기울기가 음의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템에서 더해주는 제5단계;
를 포함하고,
상기 기울기는 상기 실제의 나노압입시스템의 시스템 강성에 해당되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 교정방법.
- 제9항에 있어서,
특정 압입하중 이상에서 발생되는 상기 기준 압입하중 인가곡선과 상기 대상 압입하중 인가곡선의 압입깊이의 차이인 제2차이를 계산하는 제6단계; 및
상기 제2차이에 해당하는 압입깊이를 상기 대상 압입하중 인가곡선에 더해주거나, 또는 상기 제2차이에 해당하는 압입깊이 값만큼 상기 대상 압입하중 인가곡선을 평행이동시키는 제7단계;
를 더 포함하고,
상기 제2차이는 실제의 나노압입시스템의 압입자 첨단의 마모깊이에 해당되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 교정방법.
- 제10항에 있어서,
상기 실제의 나노압입시스템의 압입자 첨단의 기하학적 형상에 대한 정보는 상기 기준 압입하중 인가곡선과 상기 제7단계 이후의 상기 대상 압입하중 인가곡선의 일치 여부로 판단되고,
상기 제7단계 이후에,
이하 수학식에서 실제의 나노압입시스템의 압입자의 접촉부 외곽의 탄성적인 굽힘깊이인를 제거하고 남은 접촉깊이의 비로부터, 실제의 나노압입시스템의 상기 압입자의 C0 값과 베르코비치 압입자의 C0 값과의 차이를 파악하고, 실제의 나노압입시스템의 상기 압입자의 C0 값을 교정하는 제8단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 교정방법:
[수학식]
위 수학식에서 hmax는 최대 변위(또는 최대 압입깊이), Lmax는 최대 압입하중, H는 나노경도(nano-Hardness), E는 탄성계수(Young's modulus), ω는 압입자의 형상과 관련된 상수, π는 접촉형상과 관련된 상수, C0는 압입자 첨단의 기하학적 형상에 관한 상수이다.
- 제11항에 있어서,
크리프 효과에 대한 정보는, 상기 제8단계 이후의 실제 압입하중 인가곡선 상에서 최대 압입하중에서 압입하중의 변화없이 압입깊이가 증가하는지 여부로 판단되고,
상기 제8단계 이후에,
상기 대상 압입하중 인가곡선의 최대 압입하중 이후의 실제 압입하중 제거곡선을 상기 크리프 효과가 발생되는 구간만큼 왼쪽으로 평행이동시키는 제9단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 교정방법.
- 제9항에 있어서,
상기 기준시편은 용해 실리카인 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 교정방법.
- 나노압입시험을 위한 용해 실리카 재질의 기준시편; 및
상기 기준시편에 특정 압입하중을 인가하고 제거하며, 상기 기준시편과의 접촉부가 다각뿔 형태로 구성되는 압입자;
를 포함하고,
상기 압입자가 상기 기준시편에 상기 특정 압입하중을 인가하여 실제 압입하중 인가곡선이 생성되며,
최대 압입하중 인가 후, 상기 압입자가 상기 기준시편에 상기 특정 압입하중을 제거하여 실제 압입하중 제거곡선이 생성되고,
제9항에 따른 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 교정방법으로 교정되며,
상기 대상 압입하중 인가곡선 및 상기 대상 압입하중 제거곡선 중 적어도 하나를 이용하여, 실제의 나노압입시스템의 나노경도 및 탄성계수 중 적어도 하나를 계산하는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템.
- 기준시편의 기준 물성정보로부터 이론적으로 계산되는 압입하중 인가곡선인 기준 압입하중 인가곡선을 도시하는 제1단계;
상기 기준시편을 이용한 실제의 나노압입시스템에 의해 측정되는 대상 압입하중 인가곡선을 도시하는 제2단계;
상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선의 압입하중에 따른 압입깊이의 차이인 제1차이를 계산하는 제3단계; 및
상기 제1차이에 따라 나노압입시스템 및 압입자를 교정하는 제4단계;
를 포함하고,
계산된 상기 제1차이는 상기 실제의 나노압입시스템의 시스템 강성에 대응되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법을 실행하는 프로그램을 저장한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
- 기준시편의 기준 물성정보로부터 이론적으로 계산되는 압입하중 인가곡선인 기준 압입하중 인가곡선을 도시하는 제1단계;
상기 기준시편을 이용한 실제의 나노압입시스템에 의해 측정되는 대상 압입하중 인가곡선을 도시하는 제2단계;
상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선의 압입하중에 따른 압입깊이의 차이인 제1차이를 계산하는 제3단계;
상기 제1차이가 선형적으로 증가하거나, 감소하는 구간에서, 상기 압입하중에 따른 상기 압입깊이의 차이가 형성하는 기울기를 계산하는 제4단계; 및
상기 기울기가 양의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템의 압입깊이 값에서 빼주고, 상기 기울기가 음의 값인 경우에는 압입하중과 상기 기울기를 곱한 값을 상기 실제의 나노압입시스템에서 더해주는 제5단계;
를 포함하고,
상기 기울기는 상기 실제의 나노압입시스템의 시스템 강성에 해당되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 교정방법을 실행하는 프로그램을 저장한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
- 기준시편의 기준 물성정보로부터 이론적으로 계산되는 압입하중 인가곡선인 기준 압입하중 인가곡선을 도시하는 제1단계;
상기 기준시편을 이용한 실제의 나노압입시스템에 의해 측정되는 대상 압입하중 인가곡선을 도시하는 제2단계;
상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선이 특정 압입하중 이후에서 일정하게 형성되는 압입하중에 따른 압입깊이의 차이인 제3차이를 계산하는 제3단계; 및
상기 제3차이에 따라 나노압입시스템 및 압입자를 교정하는 제4단계;
를 포함하고,
상기 제3차이는 실제의 나노압입시스템의 압입자 첨단의 마모깊이에 해당되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법.
- 제17항에 있어서,
상기 제3단계는,
상기 대상 압입하중 인가곡선과 상기 기준 압입하중 인가곡선에 대하여 압입하중에 따른 압입깊이의 차이에 대한 그래프인 제1그래프를 도시하는 단계이고,
상기 제1그래프 상에서, 상기 실제의 나노압입시스템에 대응되는 곡선의 x축과 평행한 부분의 연장선에 대한 y축 접점이 상기 실제 나노 압입시스템의 압입자 첨단의 마모깊이에 해당되는 것을 특징으로 하는 나노경도 기준시편을 이용한 나노압입시스템의 분석방법.
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