수직 축타입 동전형 시험기의 제작과 나노 공정용 소재의 기계적 물성 측정

Abstract

박막 소재의 인장시험 및 피로시험을 위한 수직 축타입 동전형 시험기를 제작하였다. 시험기 최대용량은 1kgf이다. 오디오 스피커에 사용되는 장자석과 코일이 감긴 보빈을 이용하여 자기장 속의 코일에 전류가 흐를때 힘이 발생하는 원리를 이용하는 동전형 액추에이터를 사용하였으며, 동전형 액추에이터의 수직운동은 최대한 허용하면서 평면방향으로의 진동은 최대한 구속할 수 있도록 베릴륨동 판스프링 두 개를 부정정구조로 지지하는 액추에이터의 지지구조를 설계, 제작하였다. 또한 비접촉식으로 고속 측정이 가능한 정전용량형 변위계를 설계, 제작하였다. 시험시스템은 시험기와 PC, 신호 앰프들과 전 시스템을 제어하기 위한 소프트웨어로 구성된다. 이 시스템은 50Hz까지 양호한 응답특성을 보인다.이 시험기를 이용하여 화학적 증착 방식으로 제조된 두께 12μm 구리 박막에 대해 인장시험과 피로시험을 수행하였다. 단순 인장시험을 통해, 인장강도, 파단응력 그리고 파단변형률을 측정하였으며 부하와 제하를 반복하는 인장시험을 통해 제하탄성선을 얻고 이 제하탄성선의 기울기로부터 탄성계수를 측정하였다. 벌크 소재와 비교해봤을 때, 인장강도와 파단응력은 박막 소재가 더 우수한 것으로 나타났으며, 탄성계수는 약간 낮게 나타났다. 박막 소재는 좌굴로 인하여 압축하중을 부하할 수 없기 때문에 평균하중이 존재하는 피로시험을 수행하였다. 피로시험을 통해 응력-수명 곡선과 변형률-수명 곡선을 얻었다. 응력-수명 데이터는 Gerber의 평균응력식을 사용하여 고려하면 벌크 소재와 거의 비슷한 결과를 보이고, 수정Goodman이나 Morrow의 평균응력식을 사용하여 고려하면 벌크 소재에 비해 박막 소재에서 피로수명이 더 양호한 결과를 보인다. 또한 기계적 물성으로부터 피로 물성을 예측하는 여러 추정식들을 이용하여 본 연구에서 얻어진 기계적 물성과 피로수명 데이터를 평가해보았다.