KR100416440B1 - Method for the measurements of 3-dimensional surface topography and material distribution using friction signal - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마찰력을 이용하여 3차원 표면의 기하학적 형상을 측정함과 동시에 재료 표면을 구성하고 있는 여러재료들의 마찰력 차이를 이용하여 여러 재료가 표면에 어떻게 분포되어 있는지를 검출할 수 있는 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a measuring method that can detect how the various materials are distributed on the surface by measuring the geometrical shape of the three-dimensional surface by using the frictional force and at the same time using the frictional force difference of the various materials constituting the material surface. will be.
본 발명의 마찰신호를 이용한 3차원 재료 표면 형상과 재료 분포 측정방법은, 측정 대상 재료를 다른 물체에 접촉 시켜 일정한 운동방향으로 접촉면에서 임의의 마찰계수가 있도록 미끄럼 운동 시키는 단계와, 상기 측정 대상 재료를 물체와 접촉시켜 미끄럼 운동 시키는 과정에서 임의의 마찰력을 발생시키고 그 마찰력으로부터 마찰신호를 얻는 단계와, 상기 마찰신호로부터 재료 표면 형상이나 재료 분포의 기울기 및 기울기 변화의 관계를 측정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 기존의 표면형상측정장치들의 측정방법 및 원리상 형상높이 측정범위의 한계로 측정이 불가능하였던 수백 마이크로미터부터 수 밀리미터의 형상높이차이를 갖는 표면을 정확하게 측정할 수 있으며, 간단한 마찰력 측정장치로 표면형상 및 표면을 구성하는 재료의 분포를 정확하고 신뢰성 있게 알 수 있다.The three-dimensional material surface shape and material distribution measuring method using the friction signal of the present invention comprises the steps of sliding the movement of the material to be measured in contact with the other object to a certain coefficient of friction in the contact surface in a constant motion direction, and the measurement material Generating random frictional force and obtaining a friction signal from the frictional force, and measuring the relationship between the inclination and inclination of material surface shape or material distribution from the frictional signal. It features. As a result, it is possible to accurately measure a surface having a difference in shape height from hundreds of micrometers to several millimeters. The surface shape and the distribution of materials constituting the surface can be known accurately and reliably.
Description
본 발명은 마찰력을 이용하여 3차원 표면의 기하학적 형상을 측정함과 동시에 재료 표면을 구성하고 있는 여러재료들의 마찰력 차이를 이용하여 여러 재료가 표면에 어떻게 분포되어 있는지를 검출할 수 있는 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a measuring method that can detect how the various materials are distributed on the surface by measuring the geometrical shape of the three-dimensional surface by using the frictional force and at the same time using the frictional force difference of the various materials constituting the material surface. will be.
3차원 표면의 기하학적인 형상을 측정하는 종래의 기술은, 측정하고자 하는 형상의 크기 및 측정방식에 따라 다양하게 나누어진다. 즉, 센티미터 범위 이상의 높이 변화를 갖는 표면의 경우, 수 밀리미터에서 센티미터에 해당하는 직경을 갖는 구형 브로브(probe)에 의해 직접 표면을 접촉하여 기준좌표계로부터의 좌표값의 변화를 읽어 표면형상을 측정한다. 수 마이크로미터에서부터 수백 마이크로미터의 범위의 수직높이차를 갖는 형상을 갖는 표면의 경우는, 수 마이크로미터의 직경을 갖는 프로브(Probe)나 탐침(stylus)에 의해 직접 표면을 접촉하여 접촉식변위센서로 수직변위를 측정하거나, 광학계를 이용하여 표면을 직접 접촉하지 않고 비접촉식으로 빛의 간섭원리를 이용하여 표면형상을 측정하기도 한다. 형상높이차가 수 마이크로미터이하인 형상을 갖는 표면의 경우는 주사탐침현미경(scanning probe microscope)에 의해 나노미터수준의 미세한 직경의 끝단을 갖는 탐침을 접촉 또는비접촉시켜 레이저와 피에조구동계 (piezoelectric actuator)를 이용하여 탐침의 수직변위를 측정함으로써 표면형상을 재현하는 방법을 사용하고 있다.Conventional techniques for measuring the geometrical shape of a three-dimensional surface are variously divided according to the size and measurement method of the shape to be measured. That is, for a surface with a height change over the centimeter range, the surface shape is measured by reading the change in coordinate values from the reference coordinate system by directly contacting the surface by a spherical probe having a diameter corresponding to several millimeters to centimeters. do. In the case of a surface having a vertical height difference ranging from several micrometers to several hundred micrometers, the contact displacement sensor is directly contacted by a probe or stylus having a diameter of several micrometers. The vertical displacement can be measured, or the surface shape can be measured using the interference principle of light in a non-contact manner without directly contacting the surface using an optical system. In the case of a surface having a shape height difference of several micrometers or less, a laser and a piezoelectric actuator are used by contacting or non-contacting a probe having a fine diameter tip at a nanometer level by a scanning probe microscope. By measuring the vertical displacement of the probe, a method of reproducing the surface shape is used.
상기한 종래의 기술들은 측정원리상 측정면적 및 측정형상높이에 제한을 갖는다. 피에조 구동방식을 사용하는 경우, 피에조 재료가 수축팽창 가능한 변위에 따라 측정영역 및 측정형상높이가 한정되는데, 현재 대부분은 100 마이크로미터 내로 한정되어 있다. 접촉식 변위센서의 경우는, 정밀한 측정을 위해 마이크로미터이하로 해상도를 높이는 것이 요구되지만 변위를 크게 할 수 없어 측정 가능한 최대형상높이가 수십 마이크로미터이하 일 수 밖에 없고, 더 큰 형상높이를 갖는 시편을 측정하기 위해서는 낮은 해상도를 감수할 수 밖에 없다.The conventional techniques described above have limitations on the measurement principle and the measurement shape height. When the piezoelectric drive method is used, the measurement area and the height of the measurement shape are limited according to the displacement of the piezoelectric material which can be expanded and contracted, and most of them are currently limited to within 100 micrometers. In the case of the contact displacement sensor, it is required to increase the resolution to the micrometer or less for accurate measurement, but it is impossible to increase the displacement so that the maximum shape height that can be measured is tens of micrometers or less, and the specimen having the larger shape height In order to measure, we have to accept low resolution.
또한, 프로브나 탐침을 이용한 방법의 경우, 정확한 측정을 위해서는 정밀한 이송메커니즘 및 긴 측정시간과 복잡한 계산알고리즘을 필요로하며, 광학식의 경우는 외란에 약하고 곡면을 갖거나 반사도가 좋지 않은 표면의 경우 데이터의 정확성이 떨어진다. 주사탐침현미경의 경우는, 정확하고 미세한 측정을 기대할 수 있으나, 설비 및 유지비가 상당히 고가이며, 측정영역이 매우 제한되어 있다는 한계를 가진다.In addition, in the case of a probe or probe method, a precise transfer mechanism, a long measuring time, and a complicated calculation algorithm are required for accurate measurement. In the case of an optical type, data on a surface that is weak to disturbance and has a curved surface or poor reflectivity is required. Is less accurate. In the case of a scanning probe microscope, accurate and fine measurement can be expected, but it has a limitation that the installation and maintenance cost are quite expensive, and the measurement area is very limited.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점에 착안하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 마찰력신호를 이용하여, 현재 개발된 표면형상 측정장비로는 측정이 어려운 수백 마이크로미터에서 수 밀리미터에 해당하는 높이차의 형상구조를 갖는 표면에 대해 정밀한 형상측정이 가능하면서, 동시에 표면이 여러 가지 재료로구성되어 있을 경우, 기존의 표면형상측정 기술로는 알 수 없는 표면에서의 재료의 분포에 대한 정보를 함께 알 수 있는 3차원 표면형상측정 기술을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to devise in view of the problems of the prior art, the object of the present invention is to use a friction signal, which corresponds to hundreds of micrometers to several millimeters difficult to measure with the currently developed surface shape measuring equipment When accurate surface measurement is possible for a surface having a shape structure with a height difference, and at the same time, when the surface is composed of various materials, information on the distribution of materials on the surface that is not known by conventional surface shape measurement technology can be obtained. To provide a three-dimensional surface shape measurement technology that can be seen together.
또한, 측정하고자 하는 측정대상 재료 표면에 접촉하는 프로브의 크기 및 마찰력 측정 해상도만을 조절함으로써 손쉽게 다양한 형상높이의 측정이 가능하다는 것과, 복잡한 설비 및 계산알고리즘을 필요로 하지 않아 비교적 빠르게 표면의 형상을 재현하는데 있다.In addition, it is possible to easily measure various shape heights by adjusting only the size of the probe and the frictional force measurement resolution in contact with the surface of the material to be measured, and it does not require complicated equipment and calculation algorithms to reproduce the surface shape relatively quickly. It is.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,Features of the present invention for achieving this object,
측정대상 재료에 대한 재료 표면 형상과 그 재료를 구성하는 재료 분포를 측정하는 방법에 있어서,In the method for measuring the material surface shape of the material to be measured and the material distribution constituting the material,
상기 측정 대상 재료를 다른 물체에 접촉 시켜 일정한 운동방향으로 접촉면에서 임의의 마찰계수가 있도록 미끄럼 운동 시키는 단계와,Contacting the material to be measured with another object and sliding it so as to have an arbitrary coefficient of friction at the contact surface in a constant direction of movement;
상기 측정 대상 재료를 물체와 접촉시켜 미끄럼 운동 시키는 과정에서 임의의 마찰력을 발생시키고 그 마찰력으로부터 마찰신호를 얻는 단계와,Generating an arbitrary friction force and obtaining a friction signal from the friction force during the sliding of the object to be measured by contact with the object;
상기 마찰신호로부터 재료 표면 형상이나 재료 분포의 기울기 및 기울기 변화의 관계를 측정하는 단계로 이루어지는 마찰신호를 이용한 3차원 재료 표면 형상과 재료 분포 측정방법을 특징으로 한다.The three-dimensional material surface shape and the material distribution measuring method using the friction signal comprising the step of measuring the relationship between the material surface shape or the inclination and inclination change of the material distribution from the friction signal.
이렇게 측정 대상 재료를 물체에 접촉시켜 두 물체간 상대운동으로 발생되는 마찰력에 따른 마찰신호는 재료 표면의 미세형상들이 이루는 기하학적 기울기 및 그 변화를 그대로 반영함으로서, 재표 표면 형상 및 재료 분포 등의 측정에서 측정 한계가 없고 복잡한 장비없이 간단한 측정이 가능하다.The friction signal caused by the frictional force generated by the relative movement between two objects by bringing the material to be measured into contact with the object reflects the geometric inclination and change of the microstructures of the material surface. There is no measurement limit and simple measurement is possible without complicated equipment.
도 1은 두 물체 간의 상대운동에서 발생되는 마찰력 작용 관계의 설명도1 is an explanatory diagram of a friction force action relationship generated in a relative motion between two objects
도 2의 (a)(b)(c)는 단일재료로 구성되어 있으며 높이변화를 갖는 형상단차가 존재하는 표면에 대해 원자현미경으로 측정한 형상 및 마찰신호와 그로부터 계산된 기울기변화 그래프.(A), (b) and (c) of FIG. 2 are graphs of shape and friction signals measured from an atomic force microscope and a slope change calculated therefrom for a surface composed of a single material and having a height difference.
도 3은 실리콘 평면위에 금을 증착시킨 두 재료의 표면에 대해 원자현미경으로 측정한 표면의 형상으로서, (a)는 원자현미경으로 얻은 표면의 평면사진이고, (b)는 3차원 입체사진3 is a shape of the surface measured by atomic force microscopy on the surfaces of two materials deposited with gold on a silicon plane, (a) is a planar photograph of the surface obtained by atomic force microscopy, and (b) is a three-dimensional stereogram
도 4는 도 3과 같이 실리콘 평면위에 금을 증착시킨 표면을 측정한 마찰력신호를 나타낸 것으로, (a)는 재료의 형상 측정 단면, (b)는 재료의 단면 형상으로부터 얻은 기울기 측정 변화 그래프, (c)는 재료의 마찰력 신호 그래프.FIG. 4 is a friction force signal measured on a surface of gold deposited on a silicon plane as shown in FIG. 3, (a) is a shape measurement cross section of a material, (b) is a gradient measurement change graph obtained from a cross-sectional shape of a material, ( c) is a friction signal signal of the material.
도 5는 두 재료로 구성되어진 임의의 재료가 높이변화를 갖는 형상단차가 존재하는 표면 및 그 표면에 대해 얻어지는 마찰신호의 예를 보인 것으로, (a)는 형상 단차에 따른 마찰력 작용 관계이고, (b)는 (a)에 따른 마찰신호 측정도5 shows an example of a surface having a shape step with a change in height of any material composed of two materials and a friction signal obtained on the surface, wherein (a) is a friction force action relationship according to the shape step, ( b) is a friction signal measurement according to (a)
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10:물체 20:물체(재료)10: object 20: object (material)
30:접촉면30: contact surface
본 발명에 따른 마찰신호를 이용한 3차원 재료 표면 형상과 재료 분포 측정방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The three-dimensional material surface shape and the material distribution measuring method using the friction signal according to the present invention will be described in detail.
일반적으로 도 1과 같이 접촉하여 상대운동 하는 두 물체(10)(20)의 표면 접촉면(30)에서는 마찰이 발생하고 이러한 마찰에 의해 표면 파손, 마모 및 에너지 손실이 발생하는 것으로 알려져 있다. 여기서 발생되는 마찰은 표면의 기하학적인 형상, 재료 및 두 접촉 표면간에 작용하는 하중, 상대운동 속도 등에 주로 의해 영향을 받는다.In general, friction occurs in the surface contact surfaces 30 of the two objects 10 and 20 in contact and relative movement as shown in FIG. 1, and surface breakage, wear, and energy loss are caused by such friction. The friction generated here is mainly influenced by the geometrical shape of the surface, the material and the load acting between the two contact surfaces, the relative speed of movement, and the like.
도 1과 같이 서로 접촉하는 두 물체(10)(20)가 미끄럼운동을 할 때, 두 물체(10)(20)의 접촉면(30)에서의 마찰계수를, 수직하중을 W 라 하면, 운동방향에 저항하는 마찰력 F0(=W)이 발생하게 된다. 이때 발생하는 마찰력은 두 접촉면을 구성하는 물체의 재료특성에 따라 달라지게 되며, 표면거칠기와 표면 미세형상의 영향을 받게 되는데, 본 발명은 이러한 마찰력을 이용하여 표면의 미세형상을 재현하고, 표면을 구성하는 여러 재료의 분포를 아는 것이다.When the two objects 10 and 20 in contact with each other as shown in Figure 1 slides, the coefficient of friction at the contact surface 30 of the two objects 10, 20 is If the vertical load is W, the frictional force F0 (= W) is generated. In this case, the frictional force generated depends on the material properties of the objects constituting the two contact surfaces, and the surface roughness and the surface microstructures are affected. The present invention reproduces the microstructure of the surface by using the frictional force, Knowing the distribution of different materials that make up
도 2는 단일재료로 구성된 재료를 원자현미경(atomic force microscope)으로 측정한 실리콘 표면의 형상 및 마찰력 신호이다. 도 2(a)는 측정된 실리콘 표면에 존재하는 단차형상의 단면이고, 도 2(b)는 도 2(a)의 측정된 형상으로부터 계산된 기하학적 기울기의 변화이다. 기하학적 기울기의 변화는 기울기의 산술적 차이를 뜻하며, 기울기는 표면에서 측정방향으로 이웃하는 두 측정점의 거리에 대한 높이방향의 거리의 비로 구할 수 있다. 도 2(c)는 이 단차형상을 올라갈때의 마찰력신호인데, 이것은 도 2(b)의 기울기 변화양상과 매우 동일하다. 즉, 마찰력은 표면형상의 기울기변화를 반영한다. 또한, 마찰력은 재료에 대해서도 크게 영향 받는다.2 is a shape and frictional force signal of a silicon surface measured by an atomic force microscope of a material composed of a single material. Fig. 2 (a) is a cross section of the stepped shape present on the measured silicon surface, and Fig. 2 (b) is a change in geometric gradient calculated from the measured shape of Fig. 2 (a). The change in geometric slope is the arithmetic difference of the slope, and the slope can be obtained by the ratio of the distance in the height direction to the distance between two neighboring measuring points in the measurement direction on the surface. Fig. 2 (c) is a frictional force signal when climbing the stepped shape, which is very identical to the inclination change pattern of Fig. 2 (b). That is, the frictional force reflects the change in the slope of the surface shape. In addition, the frictional force is greatly influenced on the material.
도 3은 실리콘(Si) 평면위에 금(Au)을 증착시킨 두 재료의 표면에 대해 원자현미경으로 측정한 표면의 형상으로서, 도 3의 (a)는 원자현미경으로 얻은 표면의 평면사진이고, 도 3의 (b)는 3차원 입체사진이다.3 is a shape of a surface measured by atomic force microscopy on the surfaces of two materials on which gold (Au) is deposited on a silicon (Si) plane, and FIG. 3 (a) is a plan view of the surface obtained by atomic force microscopy. 3 (b) is a three-dimensional stereogram.
도 4는 도 3과 같이 실리콘(Si) 평면위에 금(Au)을 증착시킨 표면을 측정한 마찰력신호를 나타낸 것으로, 도 4의 (a)는 재료 표면 형상 측정 단면이고, 도 4의 (b)는 재료표면의 단면 형상으로부터 얻은 기울기 측정 변화 그래프이며, 도 4의 (c)는 재료 표면에서의 마찰력신호이다.FIG. 4 is a friction force signal measured by measuring a surface on which gold (Au) is deposited on a silicon (Si) plane as shown in FIG. 3. FIG. 4A is a cross section of a material surface shape measurement, and FIG. 4B. Is a graph of gradient measurement variation obtained from the cross-sectional shape of the material surface, and FIG. 4C is a friction force signal on the material surface.
도 4에 따르면, 마찰력 신호에서 실리콘 표면과 금이 증착된 표면에서 차이가 있음을 알 수 있으며, 이로부터 표면이 서로 다른 재료로 이루어져 있을 경우, 두 재료에 대한 마찰력 크기가 달라짐을 알 수 있다.According to FIG. 4, it can be seen that there is a difference between the silicon surface and the gold-deposited surface in the friction signal, and from this, when the surface is made of different materials, the magnitude of the friction force for the two materials is different.
이상에서 설명한 마찰신호를 이용하여 표면 형상 및 표면의 구성재료를 재현하는 원리를 도 5를 참고로 요약하면 다음과 같다.The principle of reproducing the surface shape and the constituent material of the surface by using the friction signal described above is summarized with reference to FIG. 5 as follows.
도 5는 두 재료로 구성되어진 임의의 재료(예를들면 도 3과 같은 경우)가 높이변화를 갖는 형상단차가 존재하는 표면 및 그 표면에 대해 얻어지는 마찰신호의 예시도이다. 우선, 국부적으로 다른 재료로 구성되어 있는 재료2의 부분에서는 이 재료의 마찰계수가보다 더 크면, 이 부분의 마찰력 F는 F0보다 더 크게 나타난다. 한편, 기하학적 형상에 대한 마찰력은, 평탄한 표면에 대한 마찰력을 F0 =W (: 마찰계수, W : 수직하중)라 하고 이웃하는 표면상의 두 지점에서의 기울기 각을 θ1, θ2라 하면, 다음 식으로 나타내어 질 수 있다.FIG. 5 is an exemplary diagram of a surface in which any material composed of two materials (for example, in the case of FIG. 3) has a shape step with a height change, and a friction signal obtained for the surface. First, the friction coefficient of this material in the part of Material 2 composed of locally different materials end If larger, the frictional force F of this part is larger than F0. On the other hand, the frictional force on the geometric shape, the frictional force on the flat surface F0 = W ( : Friction coefficient, W: vertical load), and the angles of inclination at two points on neighboring surfaces are θ1 and θ2, they can be expressed by the following equation.
(+ : 양의 기울기, - : 음의 기울기 ) (+: Positive slope,-: negative slope)
즉, 도 3과 같은 형상에서이 되고,가 된다.That is, in the shape as shown in FIG. Become, Becomes
이와같은 원리를 이용하면, 마찰력신호를 이용하여 표면의 형상을 재현할 수 있을 뿐만아니라, 표면에서의 여러재료의 분포를 알수 있게 된다.Using this principle, not only the shape of the surface can be reproduced by using the friction signal, but also the distribution of various materials on the surface can be known.
따라서, 미리 알고 있는 높이를 갖는 기준 형상높이에 대한 마찰력크기를 교정(calibration)해 놓으면, 측정된 마찰력의 크기 및 변화를 통하여 표면의 다양한 형상높이 및 모양을 예측할 수 있다. 또한, 여러 재료에 대해 각각의 마찰력을 측정하여 데이터베이스화하면, 측정시편의 재료성분을 알고 있지 않더라도 마찰력으로부터 재료를 예측할 수 있다.Therefore, if the friction force size is calibrated with respect to the reference shape height having a known height, various shape heights and shapes of the surface can be predicted through the magnitude and change of the measured friction force. In addition, if each friction force is measured and databased for various materials, the material can be predicted from the friction force without knowing the material composition of the test specimen.
여기서, 측정 대상 재료의 표면 형상 및 재료 분포의 측정은 아주 간단한 마찰력 측정장치를 이용하여 표면형상 및 표면을 구성하는 재료의 분포를 쉽게 알 수 있다.Here, the measurement of the surface shape and material distribution of the material to be measured makes it easy to know the surface shape and the distribution of materials constituting the surface by using a very simple friction force measuring device.
이렇게 측정대상 재료 표면을 마찰력 신호로 추출하는 경우 현재 알려진 표면형상 측정장비로는 측정이 어려운 수백 마이크로미터에서 수 밀리미터에 해당하는 높이차의 형상구조를 갖는 표면에 대해 정밀한 형상측정이 가능하고, 또 표면이 여러 가지 재료로 구성되어 있을 경우, 표면형상측정 기술로는 알 수 없는 표면에서의 재료의 분포에 대한 정보를 함께 알 수 있다.When the surface of the material to be measured is extracted as a frictional force signal, accurate shape measurement is possible on surfaces having a height structure ranging from several hundred micrometers to several millimeters, which are difficult to measure with currently known surface shape measuring equipment. If the surface is made up of different materials, information about the distribution of the material on the surface, which is unknown to the surface shaping technique, can be obtained.
또한, 측정하고자 하는 측정대상 재료 표면에 접촉하는 프로브의 크기 및 마찰력 측정 해상도만을 조절함으로써 손쉽게 다양한 형상높이의 측정이 가능하다는 것과, 복잡한 설비 및 계산알고리즘을 필요로 하지 않아 비교적 빠르게 표면의 형상을 재현할 수 있게 된다.In addition, it is possible to easily measure various shape heights by adjusting only the size of the probe and the frictional force measurement resolution in contact with the surface of the material to be measured, and it does not require complicated equipment and calculation algorithms to reproduce the surface shape relatively quickly. You can do it.
이와 같은 본 발명의 재료 표면 형상 및 재료 분포 측정 방법은, 기존의 표면형상측정장치들의 측정방법 및 원리상 형상높이 측정범위의 한계로 측정이 불가능하였던 수백 마이크로미터부터 수 밀리미터의 형상높이차이를 갖는 표면을 정확하게 측정할 수 있으며, 간단한 마찰력 측정장치로 표면형상 및 표면을 구성하는 재료의 분포를 정확하고 신뢰성 있게 알 수 있는 효과가 있다.The material surface shape and the material distribution measuring method of the present invention has a shape height difference of several hundred micrometers to several millimeters, which was impossible to measure due to the limitation of the measurement height and the principle of the shape height measurement. The surface can be measured accurately, and the simple friction force measuring device has the effect of accurately and reliably knowing the surface shape and the distribution of materials constituting the surface.
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| JPH11237239A (en) * | 1998-02-19 | 1999-08-31 | Nec Corp | Apparatus and method for evaluating surface |
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2001
- 2001-05-25 KR KR10-2001-0028830A patent/KR100416440B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
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| KR20020089869A (en) | 2002-11-30 |
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