나노인덴터(Nanoindenter)는 박막, 고분자, 나노소재 같은 미세 구조의 기계적 특성을 측정할 수 있는 장비입니다.
하지만 "하중을 주고 찌른다"는 단순한 개념 뒤에는 재료역학, 접촉이론, 물리계산이 숨어 있죠.
오늘은 헬무트피셔(HF)의 나노인덴터를 기준으로 작동 원리와 압입 물리학의 핵심 원리들을 알기 쉽게 설명해 드리겠습니다.
나노인덴터의 기본 구조
| 하중가압파트(하중 로드) | 정밀 제어 가능한 하중(μN ~ mN 단위)을 시편에 가함 |
| 팁(Indentor Tip) | 기본: 비커스(Vickers) / 선택형: 베르코비치, 스페리컬, 플랫 등 |
| 변위 측정기 | 나노미터 수준으로 압입 깊이를 측정 (Capacitive, Optical 방식 등) |
| 컨트롤러 & 소프트웨어 | 하중 제어 및 하중–변위 곡선 생성, 분석 수행 |
하중–변위 곡선(load–depth curve)의 해석
나노인덴테이션에서 가장 핵심 데이터는 **하중–변위 곡선(load–displacement curve)**입니다.
이 곡선 하나로 재료의 여러 기계적 특성을 알아낼 수 있습니다.
단계별 곡선 설명:
- 하중 증가 (Loading)
- 하중을 점점 증가시키며 팁을 시편에 눌러 넣는 구간
- 재료가 탄성 + 소성 변형함
- 최대 하중 도달 (Peak Load)
- 이 시점에서 최대 하중과 침투 깊이가 기록됨
- 언로드 (Unloading)
- 하중을 제거하며 팁이 빠져나오는 과정
- 이때 곡선의 기울기 → 탄성 복원력 정보 제공
- 영구 변형 깊이 (hₚ)
- 하중 제거 후에도 남는 깊이
- → 소성 변형의 양
참고. Oliver–Pharr 법칙: 나노경도와 탄성계수 산출 공식
하중–변위 곡선을 분석하기 위한 대표 공식이 바로 Oliver–Pharr 방법입니다.
| 소성(HIT) | H = Fmax / Ap | 최대 하중 / 접촉면적 |
| 탄성계수(Er) | Er = √π/ 2C / √Ap | 언로드 곡선의 기울기 S 사용 |
| 실제 탄성계수(EIT) | E = [(1 – νs²) / Er – (1 – νi²) / Ei]⁻¹ | 시편과 인덴터 재료의 복합 모듈로 계산됨 |
📎참고 기호
- Fmax: 최대 하중
- Ap: 실제 접촉면적 (팁 형상에 따라 정해짐)
- C: 언로드 곡선의 초기 기울기 (dh/dF)
- νi: 인덴터 재료의 포아송 비
νs: 측정 대상의 포아송 비
곡선에서 추출할 수 있는 기타 정보
- 탄성 복원력: Unloading 구간 면적 → 복원 가능한 에너지
- 소성 값 (HIT): 전체 하중에 대해 남은 변형량 → 재료의 영구 변형에 대한 강성 지표
- 재료 거동 특성 분류: 금속(소성 중심), 세라믹(탄성 중심), 폴리머(크리프·점탄성 등)
팁 종류에 따른 곡선 차이
| 비커스 (Vickers) ⭐ | 정사각형 대칭 구조, HF 기본 제공 | 박막 및 일반 코팅층 평가에 널리 사용 |
| 베르코비치 (Berkovich) | 삼각형 형태로 압입 깊이에 민감 | 표준 경도 평가에 널리 쓰임 |
| 스페리컬 | 구형, 초기 접촉면 작음 | 탄성 범위 분석, 크랙 발생 평가 |
| 플랫 팁 | 평평한 원판형 | 접촉 면압, 표면 에너지, 파우더 테스트 |
헬무트피셔 나노인덴터는 정밀한 압입 제어와 자동 분석 알고리즘을 통해, 소재의 거동을 수치화할 수 있는 고정밀 분석 도구입니다.
기본 제공되는 **비커스 팁(Vickers)**을 기반으로, 사용자는 재료의 **나노경도, 탄성계수, 소성 값(HIT)**까지 간편하게 측정할 수 있습니다.
이제 "얼마나 단단한가?"를 넘어서
"어떻게 변형되고, 복원되는가"까지 이해하는 시대.
그 중심에는 나노인덴터가 있습니다.
나노인덴터에 대한 보다 자세한 내용은 아래 연락처로 연락주시면 정성껏 답변드리도록 하겠습니다.
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부담없이 연락주시길 바래요.
감사합니다.
E-mail: bioh.kim@helmutfischer.com , Tel :02-415-2381
나노인덴테이션은 목표나 샘플 종류에 따른
조건을 정확하게 잡는 것이 가장 중요하고,
측정된 결과를 어떻게 해석하는지가 중요합니다.
이 부분에 있어서 타사와의 비교는 정중하게 거부합니다.
문의 주십시오. 확실하게 대응 드리겠습니다.
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