KR100239838B1 - 재료의 표면 조도의 무접촉 온-라인 측정방법 및 측정 장치 - Google Patents

재료의 표면 조도의 무접촉 온-라인 측정방법 및 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라서, 측정동안 적외선 방사기(2)의 표면 온도를 일정하게 유지한 상태로 조면화된 재료 표면상의 측정 영역을 경사지게 입사되는 적외선으로 열적으로 조사한다. 반사된 열적 방사선의 온도는 적외선 온도계(3)에 의해 측정되며, 상기 적외선 온도계는 반사된 적외선이 그 측정 범위 내에 존재하도록 측정 영역 위에 배열되어 있다. 적외선 온도계의 측정 범위내에 위치된 재료 표면의 전체 측정 영역이 열적으로 조사된다. 상기 재료의 공지된 표면 조도에 따른 반사된 적외선의 측정된 온도 변화는 비교 장치(7)에 저장되어 있다. 이 비교 장치(7)는 소정 표면 조도에 대한 설정값을 공급 받는다. 초기에는 모르고 있는 그 표면 조도에 대한 상기 재료 표면의 적외선 온도가 측정되고, 저장된 온도 변수와 비교되어 표면 조도를 결정한다. 결과적으로 얻어진 값과, 공급된 설정값으로부터 차이를 나타내는 신호가 형성되고, 이는 비교 장치(7)의 출력부(8)를 경유하여 재료 처리 장치의 제어부(9)로 공급된다.

Description

재료의 표면 조도의 무접점 온라인 측정 방법 및 측정 장치
제1도는 본 발명에 따른 측정 장치의 개략도.
제2도는 기계적으로 조면화된 알루미늄 판의 표면으로부터 반사된 IR 방사선(infrared rays radiation)의 측정된 온도와 평균 정점대 골 높이(average peak-to-valley height; Rz) 사이의 관계를 도시한 다이아그램.
제3도는 알루미늄으로 제조된 기계적으로 조면화된 판으로부터 반사된 IR 방사선의 정점대 골 높이(Ra)에 따른 온도 변화를 도시하는 제2도와 유사한 다이아그램.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 측정 장치 2 : 적외선 방사기
3 : 적외선 온도계 4 : 측정 영역
5 : 재료 6 : 강철 롤
7 : 비교 장치 8 : 출력부
9 : 제어부
본 발명은 금속 또는 금속 합금으로 제조된 판이나 스트립 형상의 재료상의 층이나 재료의 표면 조도(surface roughness)를 접촉하지 않은 상태에서 온라인(on-line) 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
질감 파라미터(texture parameter)는 금속 표면의 매우 중요한 특성이다. 이는 표면 조도(roughness)로 표현하는 것이 일반적이며, 실제 측정된 조도 프로파일 구획상의 광범위한 데이터는 예로서, 정점대 골 높이(pick-to-valley height; Ra) 및 평균 정점대 골 높이(Rz) 등의 몇몇 특성 변수로 정리된다.
조도 측정에 있어서, 전체 표면을 연속적으로 주사(scan) 및 측정할 필요는 없다. 적절한 통계적인 결과를 얻어낼 수 있을 정도의 측정치만 있으면 충분하다.
급속 이동 재료의 경우에는 온라인 측정으로 조도를 검출하는 것이 매우 곤란하다. 종래의 스타일러스 방법(stylus method)은 20m/min 이상의 속도에서는 만족스러운 결과를 얻어낼 수 없다. 따라서, 이런 온라인 측정은 광학적인 방법으로 수행되어 왔다.
예를 들면, 뮌헨의 메저즈. 지크 게엠베하 옵티크-일렉트로니크(Messrs. GmbH Optik-Elektronik)에서 발표한 "조름(SORM; Sick Optisches Rauheitsmess system)"에는 연속적인 공정 제어용 온라인 측정 기구로서 금속 가공 산업 분야에 사용되는 조도 측정 기구가 개시되어 있다. 상기 측정 기구는 반도체 레이저를 사용하여 재료 표면상에 미세한 레이저 측정빔을 발생시킨다. 광 스파트(spot)의 직경은 대략 10㎛이다. 표면구조는 충돌되는 광을 표면 패시트(facet)의 플랭크 각도(flank angle)에 따라 소정의 방향으로 반사시킨다. 반사의 기본 방향이 레이저 다이오드 수신기에 의해 검출되고, 각도 의존 아날로그 신호로 변환된다. 상기 아날로그 신호는 디지털화되고, 플랭크 각도 데이터에 근거하여 상기 표면 레벨 프로파일이 재계산되어 결과적인 정보가 얻어진다. 따라서, 기계적 측정치에 유사한 프로파일 특성치가 원 데이터(raw data)로서 얻어진다. 그후, 이 원 데이터가 상용의 방식에 의해 평가되어 Ra, Rz 등의 표준화된 조도 변수가 결정되어 출력되게 된다.
이러한 측정의 경우에 있어서, 표면으로부터 후방 산란된(back-scattered) 강도 분포는 레이저광 둘레에 환형으로 배열된 광 수신기에 할당되어 있는 다수의 렌즈를 경유하여 산란빔 형태가 된다. 상기 광수신기 배열은 PSD 센서(position sensitive detector sensor) 형태로 연결된다. 산란빔의 수렴 방향은 각 측정지점에서 직접 측정된다. 따라서, 각 표면 패시트의 측면 경사도가 각 표면 측정 지점에서 광학적으로 결정된다. 측정 헤드 아래쪽의 측정면이 이동될 때, 표면 프로파일은 백-인테그레이션(back-integration)에 의해 계산된다. 조도 측정 영역은 Ra 0.05에 대해 2.5㎛에 달하며, 재료의 속도는 0.3 내지 30m/sec 범위이다. 이러한 측정 기구는 광학적 측정 헤드가 반도체 레이저 뿐만 아니라 수신기 배열과, 광학적 측정 헤드를 교정하기 위한 자동 초점 장치와, 신호 처리 수단을 포함하여야 하기 때문에 매우 복잡해진다. 더욱이, 두 개의 플로피 디스크 드라이브와, 복수개의 광학적 측정 헤드용 인터페이스와, 중앙 처리 유닛을 구비한 평가 컴퓨터가 필요하다.
뮌헨의 메저스. 로덴스토크(Messrs. Rodenstock)에서 발표한 "프로필메쓰플라쯔 알엠 600 2-데(Profilmmessplatz RM 600 2-D; Profile Measuring Station RM 600 2-D)에는 0.02㎛에서 600㎛ 사이의 표면 구조를 신속하게 접촉하지 않은 상태로 검출할 수 있는 표면 측정 시스템인 RM 600이 개시되어 있다. 상기 측정 시스템은 세 개의 주 부품을 포함하고 있으며, 이는 컬러 스크린과 프린터 및 소프트웨어 패키지를 구비한 제어 컴퓨터와, 광학적 거리 센서와, 선형 또는 X/Y 진행 유니트이다. 시스템의 가장 주된 부품은 광학적 센서이다. 상기 광학적 센서는 최소 0.002㎛에서 최대 600㎛ 사이의 거리에서 직경이 1 또는 2㎛인 레이저 초점에 의해 변화를 등록한다. 측정시에, 측정 대상물은 균일하게 센서를 통과하게 된다. 따라서, 측정값이 레벨 프로파일 형태를 형성하고, 이는 측정되어 제어 컴퓨터에 의해 그래픽으로서 출력될 수 있다. 적합한 중간 단계를 거쳐서 조도, 굴곡율 등의 독립적인 표면 파라미터를 파악하는 것이 가능하다.
상기 광학적 거리 센서는 적외선 레이저로 작동하고, 이 빔은 측정 대상물의 표면상에 초점 형성된다. 센서의 형태에 따라서, 직경이 1 또는 2㎛인 광 스파트가 측정면상에 생성되고, 센서에서 초점 검출기상으로 이미지 형성된다. 측정 표면으로부터의 거리가 변경된다면, 상기 검출기는 자동 초점 보정 수단에 대해 제어 신호를 공급한다. 그런 다음, 레이저 빔이 측정 목적의 표면상에 다시 정확히 초점형성될 때까지, 플런지 코일 시스템이 상기 목표물을 변위시킨다.
초점 거리가 일정하기 때문에, 상기 목표물의 운동은 측정 표면의 레벨 변화에 정확히 대응한다. 상기 목표물의 각 위치는 유도 센서에 의해 검출되어 측정 신호를 제공하며, 이는 측정면의 반사 특성에 대해 독립적이다.
이러한 표면 측정 시스템은 고속으로 이동하는 재료의 측정을 위해서는 적합하지 않다.
금속 또는 금속 합금의 표면 조도는 상기 재료의 조면화 가공을 제어하기 위해 사용되는 품질 특징이다. 표면 조도는 자외선 또는 적외선 범위에서 입사된 방사선에 대한 표면의 반사율 또는 확산 반사값을 결정한다. 예를들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 스트립 또는 판의 조도는 재료 표면상에서 입사된 적외선의 반사율을 결정하는 매개 변수이다. 표면상에서 상기 재료의 조도가 증가할 때, 상기 표면은 반사 성능이 손실되고, 반사된 적외선 또는 열적 방사선이 감소한다.
본 발명의 목적은 재료 표면상에 안내된 방사선의 반사 작용에 기초하여 단순한 방식으로 표면 조도를 결정할 수 있도록 하는 방법을 개발하는 것이다.
상기 목적은 본발명에 따라서 재료 표면으로부터 반사된 적외선의 온도를 측정하여 칼리브레이팅 곡선(calibrating curve)과 비교함으로써 달성되며, 상기 칼리브레이팅 곡선은 적외선 방사기의 온도를 일정하게 유지한 상태에서 공지된 상이한 등급의 조도에 대하여 상기 재료 표면으로부터 반사된 적외선의 온도를 측정하는 방식으로 기록된다. 이 경우에, 조도 등급은 공지된 광학적 및 기계적 방법에 의해 검출된다.
반사된 적외선의 스펙트럼 분석으로부터 조도의 기준값을 얻는다면 표면 상태에 대한 보다 양호한 정보를 얻을 수 있다.
적외선의 반사 스펙트럼에 있어서, 표면 구조의 치수(dimension) 미만의 파장을 가진 파는 크게 감소된다. 한편, 보다 장파인 적외선은 상기 표면으로부터 연속적으로 반사된다.
따라서, 표면이 거울처럼 작용하는 것이 지속되는 한, 스텍트럼 분석은 파장에 대한 정보를 제공한다. 이들 파장은 표면의 조도값에 대응한다.
적외선 온도계에 의해 상기 표면상에서 측정된 반사 온도가 상기 조도값에 할당된다. 이런 측정을 필요한 모든 표면 조도에 대하여 수행하면 소정의 칼리브레이션 곡선을 얻을 수 있고, 그후, 이 칼리브레이션 곡선은 기계적 스캐닝보다 신뢰성있는 조도값을 제공하게 된다.
본 발명의 개선된 방법에서는 소정 측정 영역 전반에 걸쳐 측정 지점의 재료의 온도를 일정하게 유지하고, 측정 영역을 경사지게 입사되는 적외선에 노출시키며, 재료 표면상의 상기 측정 영역으로부터 반사된 적외선의 온도를 측정한다. 상기 적외선 방사기는 재료 표면상의 측정 영역의 온도가 373 내지 393K가 되도록 일정한 온도로 유지된다.
본 발명의 방법의 부가적인 개선점은 칼리브레이팅 곡선을 사용하여 온도의 설정값과 반사된 적외선의 측정된 온도를 비교함으로써 재료 표면의 조면화 단계를 제어하는 신호를 얻는다는 것이다.
본 발명에 따른 방법의 다른 개선점들은 청구범위 제5항 및 제6항의 특징으로부터 얻어진다.
금속 또는 금속 합금으로 제조된 판 또는 스트립 형상 재료의 표면 조도를 접촉하지 않은 상태로 온라인 측정하는 본 발명의 장치는 적외선 방사기와 적외선 온도계를 포함하고, 적외선 방사기의 방사선 경로는 측정 영역내의 재료의 표면상에 경사지게 안내된다는 것을 특징으로 한다. 상기 측정 장치는 재료가 그 위로 통과하는 강철 롤 위에 위치되고, 강철 롤 자체는 가열된다. 부가적으로, 상기 측정장치는 표면 조도에 따른 재료 표면으로부터 반사된 적외선의 온도 변화가 저장되어 있는 비교 장치를 포함한다. 온도의 설정값은 비교 장치로 공급되고, 각 측정된 온도값과 비교되어 상이한 신호로부터 제어 신호를 얻으며, 상기 비교 장치의 출력부는 재료의 조면화 가공 장치에 연결되어 있다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하기에 상세히 설명한다.
판 또는 스트립 형상 재료(5)의 표면 조도에 대한 무접점 온라인 측정 장치(1)는 적외선 방사기(2)와 적외선 온도계(3)를 포함한다. 적외선 방사기(2)의 입사 적외선(10)의 경로는 측정 영역(4)내의 재료 표면상에 경사지게 안내된다. 상기 측정 영역(4)은 재료(5)가 통과하는 강철 롤(6) 위에 배치되어 있다. 적외선 방사기의 표면은 473K 이상의 온도로 유지된다. 재료 표면상의 측정 영역 내에서의 온도는 373K 이상이다.
적외선 온도계(3)는 공지된 표면 조도에 따른 재료 표면으로부터 반사된 적외선의 온도 변화가 저장되어 있는 비교 장치(7)에 전기적으로 연결되어 있다. 이 비교 장치(7)의 출력부(8)는 재료(5)를 위한 표면 처리 장치의 제어부(9)에 연결되어 있다. 도시되어 있지 않은 표면처리 장치는 예를들어, 알루미늄 스트립이 브러시 롤러에 의하여 기계적으로 표면 처리되는 기계적 조면화 단계일 수 있다. 비교 장치(7)의 출력 신호에 의하여 브러시의 회전 속도가 조절됨으로써, 스트립의 알루미늄 표면의 기계적 조면화는 매우 일정하게 유지된다.
비교 장치(7)로 공급된 측정 온도값은 온도 설정값과 비교되고, 양자가 동일할 경우에는 출력 신호가 출력부(8)를 경유하여 얻어지지 않는다. 설정값과 순간 측정 온도값 사이에 차이가 있는 경우에는 비교 장치(7)로부터 출력 신호가 얻어지고, 그후, 이 출력 신호는 재료 표면 처리 장치를 제어하기 위해 사용된다.
상이한 속도 또는 재료의 상이함으로 인해 예로서, 알루미늄 또는 다른 금속표면 등의 재료 표면상에 상이한 조도가 발생된 경우에, 재료 표면의 확산 반사율이 변화되게 된다. 이 변화는 적외선 온도계에 의해 온도 변화로서 검출되게 되고, 상기 조면화 장치를 제어하기 위해 사용되게 된다. 이러한 측정 방법을 위한 선행 조건은 상이한 표면 조도를 갖는 특정 재료에 대하여, 표면 조도에 따른 온도 변화를 실험적으로 결정하여 칼리브레이팅 곡선을 구성하는 것이다. 이러한 온도 변화는 표면의 조도 특성이 상이한 경우에 재료 표면의 확산 반사율 또는 반사율과 동일하다.
적외선 방사기(2)의 표면 온도는 측정 동안 일정하게 유지된다. 측정 영역(4)내에서 측정될 표면상의 열적 방사선 또는 경사지게 입사된 적외선은 입사 적외선(10)의 경로내에서 반사되고, 적외선 온도계의 측정 범위내에 위치된 표면의 전체 측정 영역도 열적으로 조사되게 된다.
상기 측정 방법은 적외선 방사기(2)의 반사된 열적 방사선은 상기 방사선이 충돌하는 재료 표면의 표면 조도에 의존한다는 사상을 기초로 한다. 따라서, 보다 낮은 조도의 금속 표면은 보다 높은 조도의 금속 표면보다 보다 많은 열적 방사선을 반사한다.
제2도 및 제3도는 반사 온도(℃)라 약칭될 반사된 적외선의 측정된 온도의 알루미늄 판의 평균 정점대 골 높이(Rz; ㎛)와 상기 판의 정점대 골 높이(Ra; ㎛)에 대한 의존도를 도시하는 다이아그램이다. 조도 특성(Rz, Ra)은 표면의 조도를 나타내는 표준화된 변수이다. 평균 정점대 골 높이(Rz)는 감지 길이 L =5㎜ 내에서 측정된 표면의 높이 프로파일의 다섯 개의 최고 정점(pi)과 다섯 개의 최저골(vi) 사이의 높이 차이의 평균이다. 이는 하기의 수학식 1에 따라 결정된다.
[수학식 1]
정점대 골 높이(Ra)는 감지 길이 L = 5㎜에 걸쳐서 주사하는 중심선에 대한 조도 프로파일의 수직 편차의 수학적 평균이다. 이는 하기의 수학식 2에 따라 얻어 진다.
[수학식 2]
제2도에 따른 다이아그램의 경우에 있어서, 측정 장치의 적외선 방사기(2)의 온도는 200℃로 일정하게 유지되고, 알루미늄 판은 기계적 조면화 장치를 통과 한다. 다이아그램에 도시된 바와 같이, 반사된 적외선(11)의 온도는 평균 정점대 골 높이가 증가되었을때 하강한다. 이 온도 변화는 특성 변수 또는 칼리브레이팅 곡선으로써 특정 조성의 알루미늄 판에 대하여 비교 장치(7)에 저장된다. 조도를 알지 못하는 알루미늄 판의 조면화된 표면의 반사된 적외선 온도나 적외선 온도가 측정된 경우에, 저장된 온도 변수와의 비교에 의해 상기 판 표면의 조도를 결정할 수 있다. 조도의 값이 소정의 설정값으로부터 벗어난다면, 상향 또는 하향 편차의 측정을 나타내는 비교 장치(7)의 출력 신호가 조면화 장치 즉, 브러시 롤러를 제어하기 위해 사용된다. 그후, 필요에 따라서, 브러쉬 롤러의 속도가 증가 또는 감소 되거나 조면화 장치를 통과하는 알루미늄 판의 통과 속도가 변경되게 된다.
제3도의 다이아그램은 제2도의 다이아그램과 유사한 변용이며, 정점대 골 높이(Ra; ㎛)에 대한 기계적으로 조면화된 알루미늄 판으로부터 반사된 적외선의 온도의 의존도에 관한 것이다. 이 경우에, 상기 판은 반사성(bright) 강철 롤위로 주행한다. 적외선 방사기는 재료 표면상의 측정 영역에서 예로서, 373K 내지 393K의 일정한 온도를 적용한다. 정점대 골 높이(Ra) 증가에 대해, 반사 적외선의 측정 온도가 떨어진다. 이러한 온도 변화 또는 칼리브레이팅 곡선은 나머지 측정 조건이 동일한 상태에서 조도가 상이한 판을 경사지게 입사되는 적외선에 노출시키고, 적외선 온도계로 반사된 적외선의 온도를 기록함으로써 기록된다. 이 실험적으로 측정된 칼리브레이팅 곡선은 특성 곡선을 형성하며, 이것은 반사된 적외선의 측정 온도에 기초하여 측정된 알루미늄 판의 조도(Ra)를 결정하는 것을 가능하게 한다. 입력부(12)를 경유하여 비교 장치(7)로 공급된 설정값과 상기 조도(Ra)가 서로 상이하다면, 비교 장치(7)의 출력부에서 차이를 나타내는 신호가 상기 조면화 장치의 제어 신호로써 발생된다. 상기 제어 t니호의 작동 명령에 따라서, 상기 판은 그후 더 많이 조면화되거나 덜 조면화되게 된다.
상술한 관계는 프린팅 판의 생산시 감광성 층을 위한 기초 재료로서 사용되는 알루미늄 스트립에도 적용된다. 부가적으로, 상기 측정 방법은 예로서, 프린팅 판의 생산에 사용되는 강철, 아연 및 금속 합금으로 제조된 스트립 및 금속판의 조면화에 사용될 수 있다.
본 발명에 따라서, 열적 방사선에 대한 조면화된 금속 표면의 반사율과, 표면 조도 사이의 관계가 간단한 방식으로 적은 비용을 들여 장치에 사용될 수 있다는 장점을 얻을 수 있다. 사용된 적외선 방사기와 적외선 온도계는 양자 모두 상업적으로 이용가능한 장치이다.

Claims (9)

  1. 재료 표면으로부터 반사된 적외선(11)을 측정하는 측정 장치(3)의 측정 범위내에 위치된 재료 표면의 소정 측정 영역(4)을 적외선 방사기의 경사지게 입사되는 적외선에 노출시키고, 상기 재료 표면으로부터 반사된 적외선(11)의 온도를 상기 측정 장치(3)로 측정하며, 상기 적외선 방사기(2)의 온도가 일정한 상태에서 공지된 상이한 등급의 조도에 대한여 재료 표면으로부터 반사된 적외선(11)의 온도를 측정하는 방식으로 기록된 칼리브레이팅 곡선과, 상기 측정된 온도를 비교하는 금속 또는 금속 합금으로 제조된 판 또는 스트립 형상의 재료(5)의 표면 조도의 무접점 온라인 측정 방법.
  2. 상기 소정 측정 영역(4) 전반에 걸쳐 측정 지점에서 재료(5)의 온도를 일정하게 유지하는 금속 또는 금속 합금으로 제조된 판 또는 스트립 형상의 재료의 표면 조도의 무접점 온라인 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 칼리브레이팅 곡선을 사용하는 온도의 설정값과 상기 반사된 적외선(11)의 측정된 온도의 비교로부터 재료 표면의 조면화 가공 단계를 제어하는 신호가 얻어지는 금속 또는 금속 합금으로 제조된 판 또는 스트립 형상의 재료의 표면 조도의 무접점 온라인 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 재료(5)는 측정 지점에서 적외선 방사기(2)에 의해 균일한 온도로 조사되며, 상기 온도는 373 내지 393K 범위인 금속 또는 금속 합금으로 제조된 판 또는 스트립 형상의 재료의 표면 조도의 무접점 온라인 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 재료 표면의 측정 영역(4)을 경사지게 입사되는 적외선(10)으로 조사하는 상기 적외선 방사기(2)의 표면 온도는 측정 작업 동안 일정하게 유지되게 되는 금속 또는 금속 합금으로 제조된 판 또는 스트립 형상의 재료의 표면 조도의 무접점 온라인 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 재료(5)는 알루미늄이고, 상기 알루미늄의 기계적으로 조면화된 표면이 측정되는 금속 또는 금속 합금으로 제조된 판 또는 스트립 형상의 재료의 표면 조도의 무접점 온라인 측정 방법.
  7. 적외선 방사기(2)와 적외선 온도계(3) 및 비교 장치(7)를 포함하고, 상기 적외선 방사기의 입사 적외선(10)의 경로는 소정 측정 영역(4)내의 재료 표면상에 경사지게 안내되고, 사용시에 반사된 적외선(11)에 대한 적외선 온도계(3)의 측정 범위내에서 위치된 재료 표면의 전체 측정 영역이 상기 적외선에 노출되고, 상기 비교 장치에는 표면 조도에 따른 재료 표면으로부터 반사된 적외선의 온도 변화량이 저장되어 있으며, 상기 반사된 적외선(11)의 온도는 저장된 온도 변화량과 비교되어 측정된 온도에 대응하는 표면 조도를 결정하는 금속 또는 금속 합금으로 제조된 판 또는 스트립 형상의 재료(5)의 표면 조도의 무접점 온라인 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 재료(5) 또는 측정 영역(4)은 측정 동안 가열된 강철 롤(6)위를 통과하게 되고, 상기 측정 장치(1)는 상기 강철 롤(6)에 대향하여 위치되는 금속 또는 금속 합금으로 제조된 판 또는 스트립 형상의 재료의 표면 조도의 무접점 온라인 측정 장치.
  9. 제7항에 있어서 온도의 설정값은 비교 장치(7)로 공급되고, 각 측정된 온도값과 비교되어 차이를 나타내는 신호가 제어 신호로서 얻어지게 되고, 상기 제어 신호는 비교 장치의 출력부(8)를 경유하여 재료의 조면화 장치로 보내지는 금속 또는 금속 합금으로 제조된 판 또는 스트립 형상의 재료의 표면 조도의 무접점 온라인 측정 장치.
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