동적기계분석(DMA)의 원리

HITACHI NEXTA DMA

DMA의 정의

• 동적기계분석(DMA): 시료에 시간에 따라 진동(oscillate)하는 응력이나 변형을 가했을 때 발생하는 응력 또는 변형을 측정하여 시료의 동역학적 특성을 분석하는 기법.
• 정적 점탄성 측정(Static Viscoelasticity Measurement): 일정한 응력이나 변형을 시료에 가한 상태에서 시간에 따른 응력 또는 변형의 변화를 측정하는 기법.

* 위 정의는 JIS(일본공업규격)에서 제시한 것입니다.

DMA란?

그림 1. DMA 모식도(인장 모드)

 

• 시료는 DMA 장치의 측정 헤드에 고정됩니다.
• 측정 중에는 사인파 형태의 힘(sinusoidal force)이 프로브를 통해 시료에 가해집니다.
• 이 힘에 의해 발생하는 변형을 검출하고, 변형과 가해진 힘의 관계를 측정합니다.
• 응력과 변형을 온도 또는 시간의 함수로 플로팅하여 탄성(elasticity)과 점성(viscosity) 등의 물성을 계산할 수 있습니다.

DMA 변형 모드

그림 2. DMA 변형 모드

DMA는 다양한 고분자 재료를 측정할 때 여러 변형 모드를 사용할 수 있습니다.

• 인장(Tension)
• 압축(Compression)
• 이중 캔틸레버 굽힘(Dual Cantilever Bending)
• 3점 굽힘(3-Point Bending)
• 전단(Shear)

시료의 형태, 탄성률(modulus), 측정 목적에 따라 가장 적합한 모드를 선택해야 합니다.

DMA로 측정 가능한 점탄성 물성

• 저장 탄성률(Storage modulus, E', G') → 순수한 탄성 성분
• 손실 탄성률(Loss modulus, E", G") → 순수한 점성 성분
• 손실 탄젠트(Loss tangent, tanδ = E"/E')

이러한 물성은 DMA로 측정할 수 있으며, 온도 및 주파수 의존성을 분석할 수 있습니다.

DMA의 응용

• 유리전이 온도(glass transition temperature) 및 탄성률의 온도 의존성은 온도 분산 측정을 통해 분석할 수 있습니다.
• 온도 분산과 주파수 분산을 동시에 측정하면,
  • 유리전이
  • 측쇄 이완(side-chain relaxation)
  • 국소 모드 이완(local mode relaxation) 등의 현상을 관찰할 수 있습니다.

이를 통해 고분자의 분자 구조 및 분자 운동에 관한 정보를 얻을 수 있습니다.

Principle of Dynamic Mechanical Analysis (DMA) : Hitachi High-Tech Corporation

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