BRUKER사의 만능 스크래치 시험기
–> 만능 스크래치 시험기 의 정량적 평가를 통하여 ; 코팅접착력, SCRATCH HARDNESS 측정분석
만능 스크래치 시험기
글로벌 BRUKER사의 한국대리점 입니다.
스크래치 시험의 평가 목적 ;
기계 및 자동차 산업, 광학산업, 반도체 및 전자 산업과 디스플레이 산업과 의료 및 생명과학 분야 등 다양한 분야에서, 기능성 박막들이 개발되어 기계적 보호, 전기적 절연, 열차단, 화학적 안정화, 반사 또는 흡수 조절, 촉매 작용 등 여러 기능으로 활용되고 있습니다.
이러한 각종 박막을 최적으로 설계하고 실제 적용하기 위해서 모재와의 충분한 접합력(adhesion strength)과 박막 층 자체의 우수한 응착력(cohesive strength)이 요구 됩니다.
일반적으로 모재와 박막층의 접합성능에 대한 평가를 위해 스크래치시험법(scratch test)을 활용하며 박막 시편 접촉부위의 탄성 및 소성변형, 균열과 파손의 발생 과정을 조사하여 모재와 박막층의 접합성능과 박막층 내부의 스크래치 저항 성능을 평가 합니다.
위 이미지는, Old Model UMT, SCRATCH TESTER(=스크래치 시험기)
위 이미지는 New Model UMT-Tribolab !!! (SCRATCH TESTER=스크래치 시험기)
만능 스크래치 시험기 의 일직선 시험 설명
위 스크래치 시험은
샘플: 35-nm thick amorphous coating on silicon substrate.
스크래치 팁: Diamond stylus 12.5-mm tip radius
코팅 밀착 Critical Point: 158.9 mN
X축-> 스크래치 거리,
Y-> Fx=마찰력,Fz=수직하중, AE=음향센서 측정수치
비커스 경도 측정 이미지 VS SCRATCH HARDNESS 측정 이미지( ASTM G-171)
HSP = k P / w2
- HSP = scratch hardness number, k = a geometrical constant, P = applied normal force, and
- w = scratch width.
NOTE 1—The constant k may be chosen to include conversion factors for expressing HSP in units of GPa. For HSP in GPa, P in grams-force, and w in μm, k = 24.98.
스크래치 시험 후 시험기 내의 현미경으로 이미지 촬영하고 분석 소프트웨어에서 스크래치 상흔 폭과 깊이를 측정 하였습니다.
만능 스크래치 시험기 의 지그재그 시험법 설명
APPLE사의 전세계 제조 사이트와 연구소에서는, BRUKER사의 지그재그 형 스크래치 시험기를 사용하고 있습니다. 일직선 일반 시험기가 코팅 밀착특성을 측정하지 못할 경우, 지그재그 스크래치 운동을 선택하여 코팅 밀착 특성의 Critical Point 를 잡아 주는데 큰 도움을 줍니다.
빨강색 마찰계수 신호와 초록색 AE 음향신호등 변화가 선명하게 2개의 지점에서 변하고, 마지막 완전한 코팅 파괴가 이루어지는 지점에서는 빨강색 마찰계수와 초록색 음향신호 극심하게 변동하는 것을 보실 수 있습니다.
샘플은 금속 소재 위 DLC 코팅위 고체 윤활 코팅 입니다. 보통의 일직선 스크래치 시험으로 측정 신호가 선명하게 변화하는 것을 보기가 어려워 지그재그 방식을 사용 하였습니다.
왜 만능 스크래치 시험기 인가요 ?
- 1mN ~ 2,000N 까지 다양한 수직하중 제어와 마찰력 측정 센서가 개발되어 있어, 나노~마이크로~매크로 스크래치 시험을 한대에서 쉽고 편하게 할 수 있습니다.
- 추가로 다양한 마찰운동이 가능한, 다양한 마찰마모윤활 시험장치를 빠르고 간단하게 설치 교체 하여, 왕복형, 회전식 핀온디스크, 블록온링, 사구식 4BALL, 블록온링, Pin and Vee, Tapping Torque Test, Stribeck Curve 시험장치 등 다양한 마찰마모윤활 시험을 완벽하게 수행 합니다.
- 추가로, 1,000℃ 고온 로크웰 경도기, CREEP, STIFFNESS, ELASTICITY 등의 물성 시험도 가능 합니다
만능 스크래치 시험기 의 다양한 하중제어 센서
- 아래, 다양한 2축 수직하중제어 & 마찰력 측정센서 입니다.
- 1mN ~ 2,000N 수직하중와 마찰력 측정 센서를 선택하여 사용 할 수 있습니다.
- 나노~마이크로~매크로 하중 스크래치 시험기를 한대의 시험기에 사용 할 수 있습니다.
아래는 BRUKER사에서 새로 개발 공급 하는, Gold 시리즈 수직하중 & 마찰력 측정센서의 노이즈 수준 입니다.
- GOLD Series 센서는 표준 센서 대비 노이즈가 압도적으로 적습니다.
- 따라서 µ(마찰계수), 마찰력, 코팅 박리, 균열, 파괴 등, 스크래치 시험 시, 미세 현상 분석에 훨씬 유리 합니다.
- 저속/저하중에서의 미세한 마찰 변동 측정에 최적화 되어 있습니다.
만능 스크래치 시험기 : 시험장치 구성
위 스크레치 시험시 정량적 분석을 위해 다양한 측정센서가 적용 됩니다.
특수음향센서,마찰계수센서,표면저항,전기저항, 파노라믹 이미지 측정 현미경, 등
샘플의 성질에 따라 다양한 스크래치 Tip이 공급됩니다.
아래 이미지는 만능 스크래치 시험기의 내부 형상 입니다.
위 이미지는, DLC 코팅된 시편의 스크레치 시험을 위하여 상흔측정 현미경, 측정 센서, Tip 등 세팅 이미지 입니다.
아래 이미지는, 파노라마 이미지 입니다.
위 이미지는, 스크래치 시험후 측정 결과에 대한, Panoramic Image 분석기법 입니다 =>
스크레치 시험 직후, 시험기에 장착된 디지털 카메라를 동원하여 자동으로 수십장의 스크래치 상흔 이미지를 측정하여, 한개의 사진으로 통합 이미지화 하는 것이 Panoramic 기법 입니다. 스크래치 상흔의 이미지와 측정센서 (마찰계수,음향센서, ECR표면저항측정센서)의 수치등을 이용하여 운영 소프트웨어 상의 그래프에서 스크래치 상흔 이미지와 측정신호들을 동기화한 정량 분석기법 입니다.
아래 이미지는, 마찰마모윤활 시험 장치모듈의 다양한 운동 형태 입니다.
왕복형 마찰운동의 다양한 운동
BLOCK ON RING 다양한 마찰운동
회전형 핀-온-디스크 면접촉, 볼-온-디스크 점접촉,
디스크-온-디스크 큰면접촉, 사구식 포볼시험의 다양한 마찰운동
저속 왕복형과 열십자형 마찰운동
위 이미지는, 스크래치 시험 뿐 아니라, 다양한 마찰마모윤활 시험장치를 빠르고 간단하게 설치 교체 하여,
왕복형, 회전식 핀온디스크, 블록온링, 사구식 4BALL, 블록온링, Pin and Vee, Tapping Torque Test, Stribeck Curve 시험장치 등 다양한 마찰마모윤활 시험을 완벽하게 수행 합니다.
추가로, 1,000℃ 혹은 1,200℃ 고온경도계, CREEP, STIFFNESS, ELASTICITY 등의 물성 시험도 가능 합니다.
첨단기술의 BRUKER사 모델 UMT-Tribolab
(Universal Mechanical & Tribology Tester)
실리콘밸리 최첨단 Micro/Nano Tribology 기술, 자체 센서기술로 기존의 스크래치/물성/트라이볼로지 시험분석에 대한 개념을 혁신 하였습니다.
1. 측정요소
마찰마모윤활측정요소 :
- 다양한 재질표면의 마찰마모윤활(TRIBOLOGY)특성 및 코팅특성 측정
- 전문적인 회전식 Pin on disc(0.1~5,000rpm)
- 왕복동식마찰마모(50Hz)/Block on Ring/Fourball
- 광디스크등의 Tribology특성
- Hard Disk표면의 마찰계수와 열특성 시험
- CMP TEST
스크래치 접착강도 측정요소 :
- Scratch Hardness Test
- Scratch Adhesion Test(지그재그, 3D센서로 혁신적인 기술 개발)
- Delamination/Ahdesion
- Friction/Wear/Deformation
물성 측정요소 :
- 1,200℃ ROCKWELL HARDNESS
- Micro Hardness
- Creep/Stiffness/Plastic Deformation,
- Elastic Modulus/Youngs Modulus
- Tensile/Compression
- Penetration/Piercing Resistance.
- Sharpness
Optical Microscope 옵션 ;
- 다양한 치구와 센서로 한 계측기내에서 위와 같은 Nano~Micro~Macro단위의 물성및 표면,계면특성을 완벽히 분석할 수 있는 고기능 장비 임.
특수시험환경 제어 : Tribology 시험시
- 온도조절: 상온 to 1,200℃ 가열 or 상온 to -45℃ 냉각
- 습도조절 : Humidity Control from 0 to 100% RH, with or without temperature control,
- 화학적부식시험: Corrosive Electro-Chemical Chamber with an integrated potentiostat /galvanostat
- 진공챔버:- 10-6 Torr (10-9 bar, 0.1 mPa) standard, 10-7 Torr (10-10 bar, 0.01 mPa)
- Inert gases option
2. 특징
A. ADHESION(접착력)
세계최초로 한 시험기에서 코팅의 Adhesion(접착력)을 시험하는 5가지 방식인 Tape test/Stud-Pull test/Scratch test/indentation test/면도날에 의한 방식등을 수행하여, 박막과 후막의 접착력을 정확하고 다양하게 측정한다.
또한, 고급 평판 유리/스테인레스 스틸 시트 및 접착제의 상대물질에 대한 접착력 실험도 다양한 지그에 의해 가능.
시스템의 하중제어 방식이 Closed Loop Servo Control System으로 하중 적용시, 시편과 해당표면에서 발생되는 실제 하중을 정확히 측정하며, 다시 Closed Loop으로 제어하게 되어, 실제 시편이 Soft혹은 Hard 코팅, 볼록/오목/다양한 형태와 상관없이 원하는 하중적용을 벗어나려고 할 경우 이 제어시스템은 신호를 Loop으로 연속적으로 정확히 하중제어를 하게 되어, Constant Load/Progressive load 모두 정확히 시편에 하중제어가 이루어지게 됩니다.
대부분의 유명 타사 장비들은 하중제어가 실제 정확하지 않은 경우가 많습니다.
보통은 일방적인 하중적용과 Output측정방식입니다
2011년 애플과 인텔 모든 협력사에서 지그재그 방식 + 3D(수직하중제어/XY벡터합 마찰력 측정센서) 기술 도입하여 사용!
B. Scratch (스크레치를 통하여 박막코팅의 물성 경도와 코팅밀착력 평가)
Maker에서 특수 설계한 Diamond Tip뿐 아니라,Blade를 이용하여 하중을 증가시키며, 박막 또는 후막을 스크레치하여 코팅을 파괴한 blade가 Substrate를 감지할때 전기저항/표면저항 및 고음향 탐지에 의하여, Critical load를 분석함. 파노라틱 이미지 분석용 디지털카메라및 현미경 옵션.
이 장비는 소프트 코팅재료 혹은 표면이 볼록/오목한 특이한 형상의 표면재질의 경우 기존의 유명도가 높은 스크레치 시험기도 데이터가 매우 불안정해지나, 특수한 하중제어 시스템을 도입하여, 이러한 단점을 완전히 제거한 최신 장비임.
ASTM G-171(SCRATCH HARDNESS OF MATERIALS USING A DIAMOND STYLUS)로 100micron~1nano meter 두께의 초박막 필름이나 코팅의 경도치 측정
C. 고온 Rocwell 경도 시험 => 상세 설명 사이트
- 시편 가공이 편리 합니다.
- 최대 1,200도씨까지 빠르게 가열하여 로크웰 타입으로 객관적이고 정량적인 경도수치 측정을 할 수 있습니다.
- 슈퍼피셜 타입 약한 하중 적용이 가능하여, 박막 이나 , 무른재질 실험도 가능 합니다.
- 고온 마이크로 비커스 경도기는 작업자가 변경 됨에 따라 객관적인 측정이 어려울 수 있습니다.
E. Friction/Wear (마찰/마모/윤활/내구성 수명평가)
지그와 적정센서의 변형에 따라, 한 시험기에서 0.01gram-200kg하중을 정교히 조정가능하며, 핀온디스크,왕복동식,Block on Ring,Four Ball등의 실험을 고온,진공,부식성 개스및 다양한 분위기를 조성하여 실험을 하는 획기적인 장비임.
또한 하드디스크 및 DVD/CD-R/CD-RW 등의 코팅 및 반도체 WAFER의 공정에서 표면의 열변형 및 마찰,마모율,윤활,연마특성등을 정교히 분석함.
F. Creep(일정한 하중에 대한,금속의 변형율)
탄성물질이나 특정 재료및 기구를 일정한 하중을 가하여 대상물질의 변형율 측정하며, 반대의 성질인 일정한 변형에 대한 하중의 변화치인 Relaxation에 대한 측정..
G. Tensile( 인장, 압축)
Video/Audio/Magnetic Tape를 인장시험기와 같이 적용된 인장력에 대한 탄성율 및 변형률을 분석.
CANTILEVER와 같은 MEMS의 기계적특성(Elastic Modulus/Internal Stress/Stiffness) 및 표면특성 실험에 적합.
3. 적용범위
A.박막 후막 등 다양한 코팅및 재질의 접착력 평가, Delamination, 스크레치 저항성/경도특성 평가
B.LCD/PDP Display의 ITO 코팅과 같은 초박막의 접착특성 평가.
C.초박막 등 나노 물성 평가(스크래치와 Indenting방식)
D.MEMS(Micro Electronic Machine System의 물성) : Cantilevar와 같은 MEMS구조물의 Young’s Modulus, Internal Stress등 측정
C.광디스크(DVD,CD-R/RW),마그네틱 헤드/마그테틱 테이프,Media의 물성 및 표면 마찰마모특성
D.Fastner, Paper
E.의료용 수술 tool, needle,suture,ballon
F.유리, 안경렌즈, 종이의 코팅접착력 평가,
G.윤활유 특성
H.코팅의 관통율,
I.면도날등의 Sharpness 및 내마모도 평가.
H.반도체 웨이퍼 코팅 기술 및 CMP TESTER : 별도로 CMP Tester 및 Control Device를 공급(사용자 :Applied Material, Speed Fam/IPEC, Rodel,IBM..등)
4. 세부 사양
다양한 범위의 초정밀센서를 필요에 따라 추후 구매 적용 가능 :
- 최소 수직 하중제어 : 1mN
- 최대적용하중 : 2,000N
- 수직 변위 최소 분해능: 100nm, 1~3micron meter
- 회전식 마찰회전 속도 : 0.1~5,000rpm
- 왕복동식 최대마찰속도: 0.1 ~ 60Hz
- X,Y,Z축 운동 및 속도 조절 : 0.001 to 10mm/s
자사개발센서 :
- 2 Axis Friction/Load 센서
- Strain gauge sensor
- Capacitance wear/deformation sensor
- Electrical Resistance Sensor(ECR)/ESR
- High Frequency Acoustic Sensor
- 만능에 가까운 시험구현을 위한 다양한 지그
이 시험기의 혁신적 제어 및 센서 원리를 알고 싶으시면 연락주시기 바랍니다.
한미산업
1999년 개업 이후, 지난 30여년간
- 미.일.유럽 소재, Tribology(마찰/마모/윤활/CMP 연마), 스크래치, 고온 경도계, 베어링 시험기, 관련 유명 제조공급사인 BRUKER, PHOENIX Tribology, TABER, SHINTO Heidon, INNOWEP, AMTEC, TRICO사.
- 열분석기 관련 스위스 KEP 그룹의 SETARAM SETSAFE SETSMARMT, 일본 ENEOS MATERIALS사의 수지 열경화 시험기 등
최첨단 장비들을 국내에 소개 및 판매 기술 지원하여 왔으며, 또한 이기술을 바탕으로 일부 품목 제조를 통하여 국산화에도 노력하여 왔습니다. 앞으로도 더욱 노력하여 국내 기술 발전에 이바지 하도록 하겠습니다.
상호: 한미산업
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