BRUKER사의 만능 스크래치 시험기
–> 스크래치 시험기의 정량적 평가를 통하여 ; 코팅접착력, SCRATCH HARDNESS 측정분석
만능 스크래치 시험기
BRUKER사의 모델 UMT TRIBOLAB –> 웹사이트
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 있다.
이러한 각종 박막을 최적으로 설계하고 실제 적용하기 위해서 모재와의 충분한 접합력(adhesion strength)과 박막 층 자체의 우수한 응착력(cohesive strength)이 요구된다.
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)
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
BRUKER사의 지그재그식 스크래치 시험으로 코팅 밀착력 평가의 혁신 !!!
Apple사와 Intel사와 협력사에서 채택한 새로운 코팅 접착력 시험방식 입니다.
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.
APPLE사의 전세계 제조 사이트와 연구소에서는, BRUKER사의 지그재그 형 스크래치 시험기를 사용하고 있는데, 일직선 일반 시험기가 코팅 밀착특성을 측정하지 못할 때, 지그재그 스크래치 운동을 하여 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.
아래, 다양한 2축 수직하중제어 & 마찰력 측정센서로
최대 2,000N~1mN 수직하중 제어 센서를 선택하여 사용 할 수 있습니다.
위 다양한 범위의 나노~마이크로~매크로 하중제어 및 마찰력 측정 2축 동시 센서를 한 대의 시험기에서 필요한 범위를 선택하여,
나노 ~마이크로 ~매크로 하중의 스크래치 시험과 TRIBOLOGY 시험을 한 대에서 할 수 있는 첨단 기술 입니다.
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 시험기 내부 형상 입니다.
위 이미지는, DLC 코팅된 시편의 스크레치 시험을 위하여 상흔측정 현미경, 측정 센서, Tip 등 세팅 이미지 입니다.
위 이미지는, Panoramic Image 분석기법—>
스크레치 시험시, 수십장의 스크래치 상흔 이미지를 측정하여, 한개의 사진으로 이미지화하여(Panoramic기법) 상흔의 이미지와 측정센서 (마찰계수,음향센서, ECR표면저항측정센서)의 수치등을 이용하여 그라프에서 동기화한 정량분석기법
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℃ 고온경도계, CREEP, STIFFNESS, ELASTICITY 등의 물성 시험도 가능 합니다
최첨단기술의 BRUKER사
모델 UMT-Tribolab (Universal Mechanical & Tribology Tester)
실리콘밸리 최첨단 Micro/Nano Tribology 기술, 자체 센서기술로 기존의 트라이볼로지와
Nano 물성 시험에 대한 개념을 혁신하여 광범위한 시험 구현!
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 : -1,000℃ 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
Scratch, Tribology 시험시(타사의 시험기는 아래 시험환경 제어가 대부분 불가능 합니다):
온도조절: 상온 to 1,000℃ 가열 or 상온 to -35℃ 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)
optional 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 읽어 주며, 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. Micro Hardness/Micro Indenting(마이크로 경도/물성)
다양한 압자를 1OOkg~0.01gram(분해능:0.0005gf/ Accuracy:0.001gf)의 센서를 선정하여 하중을
정교히 조정하여, Indenting변위 30nm분해능으로 측정범위 30nm~micron meter~milli meter 측정분석.다양한 물성치인 Creep/Relaxation/Youngs Modulus등 측정 및 한 시편에서 수십개의 압점을 찍어 시편의 물성치의 균일성 분석.
또한, 고급 평판 유리/스테인레스 스틸 시트 및 접착제의 상대물질에 대한 접착력 실험도 다양한 지그에 의해 가능.
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 : 0.01g-1gf(제어및 측정)
-MICRO Indenter 용 최소수직하중제어 : 5 x 10-7gramf
-최소 수직하중 분해능 : 0.0005gf
-최대적용하중 : Over 200kg(지그변환) 광범위한 용도 적용.
-수직 변위 최소 분해능: 30nm, 0.5micron meter 두가지
-MICRO Indenter용 수직변위 분해능: 0.4nano meter
-회전식 마찰회전 속도 : 0.001~12,000rpm
-왕복동식 최대마찰속도: 50Hz
-X,Y,Z축 운동 및 속도조절.
-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 계측기의 혁신적 제어 및 센서 원리를 알고싶으시면 연락주시기 바랍니다.
한미산업
지난 30여년간 국내 Tribology(마찰/마모/연마/윤활), 스크래치 마이크로 물성 고온 경도계, 베어링시험기, 3차원표면 형상측정기 내외경 측정기, 열_분석기, 열경화 시험기 등을 국내에 공급해오면서 기술산업 발전에 조금이나마 노력하여 왔습니다. 미.일.유럽 소재, 유명 제조공급사인 BRUKER, PHOENIX TRIBOLOGY, KEP, SETARAM, SETSMARMT, INNOWEP, TABER, AMTEC, WALKWAY, ANFATEC, SHINTO-HEIDON, ENEOS MATERIALS, TRICO사의 최첨단 장비들을 국내에 소개 및 판매 기술 지원하여 왔으며, 또한 이기술을 바탕으로 일부 품목 제조를 통하여 국산화에도 노력하여 왔습니다.
상호: 한미산업
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