Quantitative approach to the indentation problem to measure the viscoelastic properties of polymer films is developed in this study. Firstly, the relation between the force and the penetration depth, one of the most important information, obtained from the solution of indentation problem using a flat-ended cylindrical tip on an elastic film perfectly bonded to a rigid substrate. The force-depth relation obtained for the indentation on an elastic film on a rigid substrate differs from that for the indentation on a semi-infinite elastic solid, known as Sneddon's solution, only by the non-dimensional multiplying factor. This non-dimensional factor represents the degree of substrate effect and is given as a function of Poisson's ratio and the ratio of the thickness of the film to the radius of indenter. By using the elastic-viscoelastic correspondence principle, the force-depth relation for elastic films is converted to the Laplace transform of the force-depth relation for viscoelastic films, which makes it possible to extract the viscoelastic properties of polymer films from experimentally measured force-time and depth-time curves. And the indentation experiments on polydimethylsiloxane (PDMS) films using a flat-ended cylindrical tip have been performed in this study. Analyzing the measured data with the force-depth relation yields the relaxation modulus and Poisson's ratio of the PDMS polymer film. Also the creep experiments on bulk PDMS using TMA have been performed to compare with the results of films. In addition, the residual deformation in the PDMS films after unloading is also measured by scanning the PDMS surface with atomic force microscope.
본 연구에서는 폴리머 박막의 점탄성 물성 측정을 위한 인덴테이션에 대한 정량적인 접근이 이루어 졌다. 먼저, 본 연구에서는 원통형 팁을 이용하여 모재 위에 완전하게 붙어있는 탄성 박막을 압입하는 문제의 해로부터, 압입 문제에서 가장 중요한 정보인 작용 하중과 압입 깊이 사이의 관계를 이끌어 냈다. 이렇게 얻어진 탄성 박막에 대한 압입 문제의 하중-압입 깊이 관계는 Sneddon의 해로 잘 알려진 반무한 탄성체에 대한 압입 문제의 하중-압입 깊이 관계와 무차원 변수에서만 차이가 있다. 이러한 무차원 변수는 모재의 영향 정도를 나타내는 변수로써 박막의 포아송 비와 인덴터 반경에 대한 박막의 두께 비의 함수로써 주어지게 된다. 그리고 탄성-점탄성 대응 원리를 이용하여, 탄성 박막에 대한 하중-압입 깊이 관계를 모재 위에 완전하게 붙어있는 점탄성 박막에 대한 하중-압입 깊이 관계로 변환하였다. 이러한 점탄성 박막에 대한 하중-압입 깊이 관계를 이용하면 실험적으로 측정된 하중-시간, 압입깊이-시간 선도로부터 폴리머 박막에 대한 점탄성 물성을 쉽게 구해낼 수 있게 된다.
또한, 본 연구에서는 polydimethysiloxane (PDMS) 박막에 대해 원통형 팁을 이용한 압입 실험을 수행하여, 앞에서 구한 점탄성 박막에 대한 하중-압입 깊이 관계를 이용해 실험적 데이터로부터 PDMS박막의 완화 계수와 포아송 비를 구해냈다. 그리고 PDMS박막에 대한 물성 비교를 위해, TMA를 이용한 크?? 실험을 통해 bulk형태의 PDMS에 대한 완화계수를 구하였다. 또한, 압입으로 인한 소성 정도를 알아보기 위해, 하중 제하 후에 AFM을 이용하여 압입된 박막의 표면을 조사함으로써 잔류 변형 정도를 측정하였다.
