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나노압입

강도란 소재가 자신의 구조와 형태를 유지하면서 외부 압력을 견딜 수 있는 능력을 말합니다. 나노압입은 국소 영역의 강도를 측정하는 XE 모드입니다. 이 모드의 응용 분야로는 하드 코팅(질화티타늄 코팅), 마이크로 전자공학(금속 결합의 안정성), 박막 기술(접착 실패) 및 폴리머 등이 있습니다. 그림 1과 같이 예리한 팁으로 시료를 눌러서 압입을 만들며, 압입의 깊이와 면적은 강도와 상관성이 있습니다. 압입 데이터를 바탕으로 탄성, 접착, 크립 및 마찰 등의 기타 특성을 계산할 수도 있습니다.

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그림 1. 나노압입으로 압입기 팁을 시료에 눌러 국소 영역의 강도 측정

 

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그림 2. 베르코비치 압입기 이미지. XE 시리즈 원자현미경에서 완전 비접촉 모드로 측정한 이미지입니다. 이러한 종류의 이미지는 태핑 원자현미경이나 접촉식 원자현미경으로는 측정할 수 없으며 완전 비접촉 모드로만 측정할 수 있습니다.

 

 압입 자체의 원리는 매우 단순하지만 어려운 점은 분석에 있습니다. 이 기술의 관건은 힘의 캘리브레이션과 깊이(변위)입니다. 캔틸레버의 힘 상수, 팁의 형태 및 팁 접착력과 같은 기타 기계적 특성이 시료에 작용하는 전체 힘을 결정합니다. 따라서 그림 2와 같이 압입기의 형태를 정확하게 이미징할 수 있으면 힘을 안정적으로 교정하는 데 매우 유리합니다.

 XE 시리즈의 완전 비접촉식 원자현미경이 제공하는 독보적인 기능으로만 베르코비치 압입기를 정확하게 이미징할 수 있습니다. 참조 캔틸레버 어레이에 의한 스프링 상수 캘리브레이션(참조 캔틸레버 어레이에 의한 스프링 상수 교정 참조)을 동반한 XE 시리즈 원자현미경의 힘 캘리브레이션은 유례없는 정확도와 신뢰도를 보장합니다. 깊이 감지에 있어서 중요한 요소는 캔틸레버 휨의 정확한 검출과 시스템의 기계적 시뮬레이션입니다.

 

 

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그림 3. 파크시스템스의 캔틸레버 빔을 측정한 SEM 이미지

 그림 3은 ECM 기술로 제작한 파크시스템스의 MEMS 가공 캔틸레버를 측정한 SEM 이미지입니다. 이와 같이 캔틸레버의 구동 부품이 명확하게 규정되므로 기계적 특성을 정확하게 예측할 수 있습니다. 현재 널리 사용되는 압입기는 3면 피라미드 형태의 단결정 천연 다이아몬드 팁을 갖는 베르코비치 압입기입니다. 압입기가 이보다 예리하면 고해상도, 고감도 압입에는 더 유리할 수 있지만 팁 형상이 지나치게 예리하면 시뮬레이션을 통해 정량적인 결과를 얻기가 매우 어려워집니다. 베르코비치 압입기의 장점은 압입기 팁에 손상을 주지 않고 결과를 시뮬레이션하여 힘을 정량적으로 측정할 수 있다는 점입니다. 압입기는 예리한 모서리 중 하나가 빔의 장축에 평행하도록 빔에 부착됩니다. 압입기는 약 1-2초 동안 시료 표면에 지정된 힘을 가합니다. 압입공은 독특한 형상을 가지며, 그림 4와 같이 고정밀 원자현미경으로 특성을 파악할 수 있습니다. 원자현미경은 이러한 미세 영역의 형상을 정확하게 판별할 수 있는 유일한 수단입니다. 또한 XE 시리즈의 완전 비접촉식 원자현미경은 압입 팁을 극히 정확하고 안정적으로 이미징할 수 있습니다.

 

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그림 4. XE 시리즈 원자현미경에서 완전 비접촉 모드로 측정한 나노압입공 이미지를 상하 반전한 모습

 하중력을 압입의 투사된 잔여 면적으로 나누어 강도를 계산합니다. 강도 외에도 하중 제거 곡선의 기울기를 통해 세로 탄성률을 구할 수 있습니다. 그림 5. 에서는 나노압입 주기 동안의 전형적인 하중 및 하중 제거 변위 곡선을 보여 줍니다.

 

 

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그림 5. 나노압입 중의 하중 및 하중 제거 변위 곡선

 

히스테리시스는 변형이 완전히 탄력적이지 않으며 부분적으로 비탄력적임을 나타냅니다. 소재의 상태가 양호하면 변형이 거의 탄력적이므로 하중 곡선과 하중 제거 곡선이 거의 일치합니다. 이와 같이 나노압입은 주로 탄성 및 점탄성을 판정하는 데 사용됩니다.

 

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