KR100871974B1 - 적외선 열화상 장치를 이용한 곡면 위 박막 두께 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적외선 열화상 장치를 이용한 곡면 위 박막 두께 측정방법에 관한 것으로, 그 목적은 코팅되어진 명의 재질과 코팅박막의 재질에 따른 지향 방사율을 각기 따로 적용하여, 곡면 위에 코팅된 박막의 두께 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있는 적외선 열화상 장치를 이용한 곡면 위 박막 두께 측정방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 곡면 위에 코팅된 박막의 두께를 측정하는 방법에 있어서, 적외선 열화상 카메라에 의해 대상 곡선면으로 부터 방사되는 전체 적외선 자발광 세기(ε_realisticσΤ⁴ )를 측정하고, 코팅 박막 표면으로부터의 자발광(ε_tε _BσΤ⁴ )에 코팅 박막 재질에 따른 지향 방사율을 곱하고, 코팅되어진 표면으로부터의 자발광(ε_fσΤ⁴ )에 코팅되어진 면의 재질에 따른 지향 방사율을 각각 곱한 후 이를 더하여 전체 적외선 자발광 세기를 산출하며, 상기 측정값과 산출값을 통해, 박막층의 두께에 따라 총방사율이 변화하는 것을 이용하여 곡면 위에 코팅된 박막의 두께를 측정하도록 되어 있다.

곡면 코팅두께, 적외선 열화상장치, 박막, 곡면, 방사율

Description

적외선 열화상 장치를 이용한 곡면 위 박막 두께 측정방법{Method of Measuring the Thickness of Thin Film Layer on Curved Substrate Using Infrared Thermal Image System}

도 1 은 본 발명의 개념도

도 2 는 박막에서의 적외선의 투과 및 흡수를 나타낸 예시도

도 3 은 방사율과 층 두께 사이의 관계를 나타낸 예시도

도 4 는 흑체와 실체의 지향 방사 특성을 나타낸 예시도

도 5 는 지향 방사에 의해 카메라에 인식되는 복사선 강도를 보인 예시도

도 6 은 도체와 부도체의 지향 방사 특징을 나타낸 예시도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

(1) : 적외선 열화상 카메라

(2) : 박막이 입혀진 대상면

(3) : 화상-두께 변환 계산용 컴퓨터

본 발명은 적외선 열화상 장치를 이용한 곡면 위 박막 두께 측정방법에 관한 것으로, 적외선에 대하여 반투명한 박막 층의 두께를 적외선 열화상 장치를 이용하여 한번에 2차원적으로 측정하는 기술에 있어서, 측정 대상면이 곡면인 경우 측정 대상 박막과 박막이 코팅된 면의 재질에 따른 복사선의 지향 방사 특성을 고려함으로써 곡면 위에 코팅된 박막 두께 측정의 정밀도를 향상시키는 이론에 관한 것이다.

종래의 박막 두께 측정 방법으로는 계측기를 대상면에 접촉시켜 측정하는 초음파 방식과 대상면으로부터 떨어진 계측기에서 조사한 복사선이 박막으로부터 반사되는 반사율을 측정하여 두께로 환산하는 광학적 방법이 주종을 이루었다. 그러나 계측기 접촉에 의한 막의 손상이 우려되는 경우나 막 자체의 탄성이 큰 경우에는 접촉식의 초음파 방식은 원천적으로 적용이 불가하다. 또한 이 두 방식들은 모두 점측정을 실시하므로 박막 두께의 분포를 얻는데는 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 코팅되어진 면과 코팅 면으로부터 방사되는 적외선 자발광을 측정하여 박막 두께에 따른 적외선의 흡수, 투과 관계를 적용하여 박막의 두께를 찾아내는 기술이 발명되어진 바 있으나, 코팅된 면의 곡률 변화가 큰 경우 대상면의 지향방사 특성에 의해 국부적으로 부정확한 측정이 이뤄지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 코팅되어진 명의 재질과 코팅박막의 재질에 따른 지향 방사율을 각기 따로 적용하여, 곡면 위에 코팅된 박막의 두께 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있는 적외선 열화상 장치를 이용한 곡면 위 박막 두께 측정방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 반사광 대신 대상면 전체로부터 자발적으로 방사되는 적외선 복사(Infrared Radiation)를 이용함으로써 박막의 2차원적 두께 분포를 간편히 얻어내고, 이때 관측되는 적외선 복사를 코팅되어진 표면으로부터의 자발광과 코팅 박막 표면으로부터의 자발광으로 분리한 후, 코팅되어진 면의 재질과 코팅 박막의 재질에 따른 지향 방사율을 각기 따로 적용함으로써 곡면 위에 코팅된 박막의 두께를 정밀하게 측정하도록 되어 있다.

즉, 본 발명은 곡면 위에 코팅된 박막의 두께를 측정하는 방법에 있어서, 적외선 열화상 카메라에 의해 대상 곡선면으로 부터 방사되는 전체 적외선 자발광 세기(ε_realisticσΤ⁴ )를 측정하고, 코팅 박막 표면으로부터의 자발광(ε_tε _BσΤ⁴ )에 코팅 박막 재질에 따른 지향 방사율을 곱하고, 코팅되어진 표면으로부터의 자발광(ε_fσΤ⁴ )에 코팅되어진 면의 재질에 따른 지향 방사율을 각각 곱한 후 이를 더하여 전체 적외선 자발광 세기를 산출하며, 상기 측정값과 산출값을 통해, 박막층의 두께에 따라 총방사율이 변화하는 것을 이용하여 곡면 위에 코팅된 박막의 두께를 측정할 수 있다.

모든 고체 면은 해당 면의 온도와 방사율에 따라 그 복사선의 세기가 정해지는 적외선을 외부로 방사한다. 그런데, 코팅이 되는 바닥 면은 그 재질에 따라 특정 방사율을 가지고 적외선에 반투명한 코팅 층은 그 재질과 두께에 따라 방사율이 결정된다. 또한 코팅이 되는 바닥면으로부터 방사된 적외선은 코팅 층을 통과하면서 흡수 및 투과에 의해 복사선 세기가 변하므로 관측된 복사선의 세기를 분석하여 코팅 층의 두께를 파악 할 수 있다. 그런데 대부분의 물체는 흑체와 같이 전방향으로 일정한 복사선을 방사하는 확산 방사의 특징을 가지지 않고, 방향에 따라 다른 방사율과 복사선 세기를 보이는 지향 방사의 특징을 보인다. 또한 지향 방사율의 분포도 물질에 따라 큰 차이를 보이며, 특히 전기적 도체인 경우와 부도체인 경우는 그 경향이 매우 다르다. 따라서 본 발명에서는 적외선 열화상 장치 렌즈와 측정 대상 지점의 법선들이 이루는 각도에 따라 물질의 지향 방사율 분포를 고려함으로써 곡면 위 박막의 정확한 두께 측정이 가능하도록 하였다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 개념도를 박막이 입혀진 대상면(2)으로부터 방사(Emission) 되는 적외선을 적외선 열화상 카메라(1)로 측정하고, 이를 통해 얻은 2차원 적외선 이미지를 컴퓨터(3)에 의해 2차원 이미지로 측정하여 두께분포로 변환하도록 되어 있다.

도 2 는 박막에서의 적외선의 투과 및 흡수를 나타낸 예시도를 도시한 것으로, 박막 층의 흡수를 l′라고 하면 그림과 같이 I 의 강도를 가지는 입사광이 두께 l 을 통과한 후에 가지는 빛의 강도는 I-I'이다. 이때, 흡수 I'는 층의 두께 l에 따라 커진다. 한편, 층 자체에서도 복사선을 방사하는데, 이 빛의 강도는 층 두께에 비례한다. 최종적으로 적외선 열화상 장치에서 측정되는 값은 박막 층을 투과한 빛과 박막 층으로부터 방사되는 빛의 합이다. 이 값이 박막 층의 두께에 따라 달라지므로 적외선의 세기로부터 두께를 측정할 수 있다.

도 3 은 방사율과 층 두께 사이의 관계를 나타낸 예시도를 도시한 것으로, 도 3 에서 점선으로 나타낸 것이 각각 박막 층을 통한 투과와 박막 층 표면에서의 방사를 나타내며, 실선은 이 둘에 합에 의한 총 방사율이다. ε_B는 박막 층이 입혀지기 전의 표면 방사율이고, ε_L은 박막 층의 두께가 충분히 두꺼워서 불투명한 경우의 박막 층 표면의 방사율이다. 총 방사율은 ε_B와 ε_L 사이에서 두께에 따라 변화하는 값을 가진다. 따라서 계측된 복사선의 세기에 대하여 복사선의 박막 투과 및 흡수관계로부터 박막 층의 두께를 정량적으로 측정하는 것이 가능하다.

코팅된 바닥면과 박막은 일반적으로 서로 견고히 밀착되어 있으므로 같은 온도를 가지는 것으로 가정할 수 있으나, 두 물체의 방사율은 분명히 틀린 값을 가진다. 적외선 카메라에 포착되는 복사선은 해당 고체 면에서 방사된 자발광 중 박막을 투과한 것과 박막 자체에서 방사된 복사선이다. 하지만 적외선 카메라는 두 물체에서 동시에 방사된 복사선의 세기를 마치 한 물체에서 방사된 것으로 인식하므 로 적외선 카메라가 읽은 복사선 강도는 아래의 [식 1]과 같이 표현되어진다.

[식 1]

ε_realisticσΤ⁴ = ε_tε_BσΤ⁴ + ε_fσΤ ⁴

여기서, Τ는 온도, σ 는 Stefan-Boltzman 상수, ε_realistic 는 두 복사선을 하나로 인식했을 경우의 실질적인 방사율, ε_t 는 코팅된 바닥면으로부터 방사된 복사선의 투과율이며, ε_f 는 코팅 박막의 방사율이다.

상기 ε_t 와ε_f 는 도 3 에 도시된 바와 같이, 두께에 따라 결정되어지므로 적외선 카메라에서 계측한 전체 복사선의 강도 ε_realisticσΤ⁴ 이 두 가지 복사선의 기여로 적절히 배분되어지는 ε_t 와ε_f 조합에 해당하는 두께를 찾을 수 있다.

도 4 는 흑체와 실체의 지향 방사 특성을 나타낸 예시도를, 도 5 는 지향 방사에 의해 카메라에 인식되는 복사선 강도를 보인 예시도를, 도 6 은 도체와 부도체의 지향 방사 특징을 나타낸 예시도를 도시한 것으로, 완전한 흑체가 아닌 모든 물체는 일반적으로 도 4 와 같이 지향 방사 특성을 가지므로 고정된 적외선 카메라에 의해 관측되는 복사선의 세기도 도 5 와 같이 각도의 영향을 받게된다. 또한, 도 6 과 같이 일반적으로 전기적 부도체의 경우 60^o까지는 방향에 따른 영향이 거의 없는 확산 방사 특성을 보이고 도체의 경우는 45^o 이상에서는 뚜렷이 지향 방사 특성을 보인다. 따라서 상기 [식 1]의 우변 각 항에 해당 복사면의 재질에 따른 지향 방사율비를 곱한 아래의 [식 2]를 통해 곡면에서 보다 정확하게 두께를 계측할 수 있다.

[식 2]

ε_realisticσΤ⁴ = αε_tε_BσΤ⁴ + βε_f σΤ⁴

여기서, α 는 코팅된 바닥면에서의 지향 방사율비이고, β 는 코팅 박막의 지향 방사율비이다.

이러한 표면에서의 적외선 자발광을 이용함에 있어서 주위 환경으로부터 발생하는 적외선이 대상 면에서 반사됨으로 인해 신호에 대한 잡음(Noise)로 작용하게 되어서 신호 대 잡음비를 떨어뜨리는 원인이 된다. 이 경우에 신호 대 잡음비를 증가시키기 위한 방법으로 대상 면을 가열하고 그 보다 낮은 균일 온도의 공간에 차폐하는 방법을 사용할 수 있다. 복사선의 강도는 방사율과 절대온도의 4제곱에 비례하므로 온도의 증가에 의해 신호광은 4제곱으로 늘어나서 주변으로부터의 적외선이 반사되는 것을 무시할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명은 박막 코팅 면의 적외선 자발광을 적외선 열화상 카메라를 써서 측정하여 박막 두께의 2차원 분포를 구하는 방법을 사용함으로써, 기존에는 많은 시간이 걸리는 점측정의 반복을 수행하여야만 구할 수 있었던 2차원 두께 분포를 한번에 얻을 수 있다.

또한, 기존의 2차원 두께 분포에 사용되었던 반사를 이용하는 방법에 비하여, 적외선 자발광을 사용함으로 별도의 광원이 필요 없게 되고, 이로 인해 장치의 구성이 간단해지며, 광원자체의 불균일성 등에 의해서 생기는 오차 등을 해결하기 위한 별도의 장치가 필요없다.

또한, 측정 대상 물체의 재질에 따른 지향 방사 특성을 고려함으로써 고정된 한 대의 카메라 장치를 이용하여 곡률이 크게 변하는 곡면 위 박막의 두께도 정밀하게 계측할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (1)

1. 곡면 위에 코팅된 박막의 두께를 측정하는 방법에 있어서;

   적외선 열화상 카메라에 의해 대상 곡선면으로 부터 방사되는 전체 적외선 자발광 세기(ε_realisticσΤ⁴ )가 측정되고,

   상기 측정된 전체 적외선 자발광 세기(ε_realisticσΤ⁴ )가 아래의 [식1]로 표현되며,

   [식 1]의 코팅 박막 표면으로부터의 자발광(ε_tε_BσΤ⁴ )에 코팅 박막 재질에 따른 지향 방사율(α)를, 코팅되어진 표면으로부터의 자발광(ε_fσΤ⁴ )에 코팅되어진 면의 재질에 따른 지향 방사율(β)을 각각 곱하여 표현되는 아래의 [식2]로 부터,

   박막층의 두께에 따른 총방사율의 변화를 통해 곡면 위에 코팅된 박막의 두께가 측정되는 것을 특징으로 하는 적외선 열화상 장치를 이용한 곡면 위 박막 두께 측정방법.

   [식 1]

   ε_realisticσΤ⁴ = ε_tε_BσΤ⁴ + ε_fσΤ⁴

   [식 2]

   ε_realisticσΤ⁴ = αε_tε_BσΤ⁴ + βε_fσΤ⁴

   단, Τ는 온도, σ 는 Stefan-Boltzman 상수, ε_realistic 는 두 복사선을 하나로 인식했을 경우의 실질적인 방사율, ε_t 는 코팅된 바닥면으로부터 방사된 복사선의 투과율, ε_f 는 코팅 박막의 방사율, α 는 코팅된 바닥면에서의 지향 방사율비, β 는 코팅 박막의 지향 방사율비, ε_B는 박막 층이 입혀지기 전의 표면 방사율이다.

Images