KR100980502B1 - 표면에너지 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

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Abstract

표면에너지 측정방법 및 측정장치가 개시된다. 고유 물성치를 갖는 액체를 이용하여 측정 대상체의 표면에너지를 측정하기 위한 장치로서, 대상체의 표면에 모세관을 구현하기 위한 플레이트; 플레이트의 일측에 배치되며, 대상체의 표면에 액체를 공급하는 액체공급부; 플레이트의 타측에 배치되며, 액체가 플레이트의 일측으로부터 타측에 도달하는 데에 걸리는 소요시간을 감지하는 센서부; 고유 물성치와 소요시간을 입력 받아 측정 대상체의 표면에너지를 산출하는 산부를 포함하는 표면에너지 측정장치는, 적시적소에서 표면에너지의 측정이 가능하며, 샘플 이송에 따른 표면의 변화에 기인한 표면에너지의 왜곡을 방지할 수 있고, 신속한 데이터 획득이 가능하다.
표면에너지, 접촉각, 모세관

Description

표면에너지 측정장치 및 측정방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING SURFACE ENERGY}
본 발명은 표면에너지 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
표면 에너지는 표면 상태를 나타내는 파라미터 중의 하나로서, 코팅 등의 작업에서 이종(異種)물질간 결합력, 접촉면적 등을 예측하는 기준으로 사용되고 있다. 이러한 표면에너지는 물질 고유의 물성이나, 표면 처리 방식, 표면의 오염 정도에 따라 그 값이 달라지게 되므로, 현장에서 표면에너지를 측정해야 할 필요성이 대두되고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 표면에너지 측정방법을 나타내는 도면이다. 종래기술에 따른 표면에너지 측정방법에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 표면장력을 알고 있는 액체의 일정량을 측정 표면 위에 떨어뜨린 다음, 표면과 높이를 맞춘 CCD 카메라를 이용하여 액체-표면을 촬영하고, 캡쳐 및 연산시스템을 통해 접촉각을 측정한다. 토출된 액체는 측정 표면의 표면에너지의 크기에 따라 특정한 접촉각을 형성하게 되는데, 이러한 접촉각을 바탕으로 일련의 연산과정을 통해 표면에너 지를 산출하게 된다.
표면에너지는 온도, 습도, 측정 대상체의 표면상태, 표면의 오염 정도 등 주변환경에 따라 값이 달라지므로, 대상체의 표면에너지를 측정하기 위하여 대상체의 샘플을 이송하는 것은 표면에너지 데이터를 왜곡시킬 수 있는 가능성이 있다.
즉, 왜곡되지 않은 데이터를 취득하기 위해서는, 측정이 필요한 현장에서 신속하게 측정하여 데이터를　획득하는 것이 바람직하나, 도 1에 도시된 바와 같이 CCD 카메라, 컴퓨터 등을 수반된 측정장치의 경우, 표면에너지 측정을 위한 샘플 이송이 불가피하며, 이는 데이터의 왜곡을 야기할 수 있다는 단점이 있는 것이다.
본 발명은 샘플 이송에 따른 표면의 변화에 기인한 표면에너지의 왜곡을 방지할 수 있고, 신속한 데이터 획득이 가능한 표면에너지 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고유 물성치를 갖는 액체를 이용하여 측정 대상체의 표면에너지를 측정하기 위한 장치로서, 대상체의 표면에 모세관을 구현하기 위한 플레이트; 플레이트의 일측에 배치되며, 대상체의 표면에 액체를 공급하는 액체공급부; 플레이트의 타측에 배치되며, 액체가 플레이트의 일측으로부터 타측에 도달하는 데에 걸리는 소요시간을 감지하는 센서부; 고유 물성치와 소요시간을 입 력 받아 측정 대상체의 표면에너지를 산출하는 산부를 포함하는 표면에너지 측정장치를 제공할 수 있다.
연산부에 연결되는 입력장치를 더 구비할 수도 있으며, 센서부는 액체공급부와 전기적으로 연결되어 연동될 수도 있다.
여기서, 고유 물성치는, 초기 점도와 점도 변화율 상수 및 표면장력을 포함하며, 연산부는 하기의 수학식을 이용하여 상기 표면에너지를 산출할 수도 있다.
Figure 112008059365998-pat00001
h는 모세관의 높이; Lf는 모세관의 길이; τ는 점도 변화율 상수; θ는 접촉각; μ0는 초기 점도; tf는 소요 시간; γ는 표면장력이다.
또한, 플레이트의 일면에는 플레이트를 대상체로부터 이격시키는 지지체와, 플레이트와 대상체 사이의 거리를 조절하는 높이조절수단이 형성될 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 고유 물성치를 갖는 액체를 이용하여 측정 대상체의 표면에너지를 측정하기 위한 방법으로서, 대상체의 표면에 인접하도록 플레이트를 배치하여 플레이트의 표면에 모세관을 구현하는 단계; 모세관의 일측에 액체를 공급하는 단계; 액체가 모세관의 일측으로부터 타측에 도달하는 데에 걸리는 소요시간을 측정하는 단계; 및 고유 물성치와 소요시간을 이용한 연산을 수행하여, 측정 대상체의 표면에너지를 산출하는 단계를 포함하는 표면에너지 측정방법을 제공할 수 있다.
고유 물성치는 초기 점도와 점도 변화율 상수 및 표면장력을 포함하며, 표면에너지를 산출하는 단계는 하기의 수학식을 이용하여 수행될 수 있다.
Figure 112008059365998-pat00002
여기서,
h는 모세관의 높이; Lf는 모세관의 길이; τ는 점도 변화율 상수; θ는 접촉각; μ0는 초기 점도; tf는 소요 시간; γ는 표면장력이다.
한편, 모세관을 구현하는 단계 이후에, 모세관의 높이를 측정하는 단계를 별도로 수행할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 적시적소에서 표면에너지의 측정이 가능하며, 샘플 이송에 따른 표면의 변화에 기인한 표면에너지의 왜곡을 방지할 수 있고, 신속한 데이터 획득이 가능하다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 표면에너지 측정장치 및 측정방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 표면에너지 측정장치를 나타내는 도면이며, 도 4는 도 3의 플레이트를 나타내는 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 대상체(10), 플레이트(20), 지지체(22), 높이조절부(24), 모세관(25), 액체공급부(30), 액체(32, 32'), 센서부(40), 연산부(50), 입력장치(52)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 표면에너지 측정장치는 액체가 모세관(25)을 통과하는 경우, 피표면의 표면에너지에 따라 흐름속도가 달라지는 원리를 적용한 것이다.
플레이트(20)는 대상체(10)의 표면으로부터 수십 um 정도의 간격으로 배치되어, 대상체(10)의 표면에 모세관(25)을 구현하기 위한 수단으로서, 플라스틱 또는 유리와 같은 재질로 이루어질 수 있다. 필요에 따라 상기한 재질 이외의 다양한 재질이 적용될 수도 있음은 물론이다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 플레이트(20)의 일면에는 플레이트(20)를 대상체(10)로부터 이격시키는 지지체(22)와 플레이트(20)와 대상체(10) 사이의 거리를 조절하는 높이조절부(24)이 형성될 수도 있다. 이를 통해 플레이트(20)와 대상체(10) 사이의 간격을 필요에 따라 변경/설정할 수 있게 된다.
액체공급부(30)는 플레이트(20)의 일측에 배치되어 대상체(10)의 표면에 표면에너지 측정을 위한 액체(32)를 제공하는 기능을 수행하는 수단이다. 플레이트(20)가 대상체(10)의 표면에 배치되어 모세관(25)이 구현된 경우, 액체공급부(30)에 의해 대상체(10)의 표면에 토출된 액체는 모세관(25)의 일측에 제공될 수 있게 되며, 이 후 액체(32')는 모세관(25) 현상에 의해 모세관(25)의 타측 방향으로 이동하게 된다.
이러한 액체공급부(30)는 저장하는 기능을 수행함과 아울러, 조절밸브 등과 같은 구조를 이용하여 일정량의 액체(32)만이 대상체(10)의 표면에 토출되도록 하는 기능을 수행할 수 있다.
한편, 액체공급부(30)는 플레이트(20)의 일측에 결합되는 구조를 가질 수도 있으며, 도면에 도시되지는 않았으나, 플레이트(20)를 지지하는 별도의 프레임에 결합될 수도 있다.
센서부(40)는 플레이트(20)의 타측에 배치되어 플레이트(20)의 일측에 제공된 액체(32, 32')가 플레이트(20)의 타측에 도달하는 데에 걸리는 소요시간을 감지하는 기능을 수행하는 수단이다. 이러한 기능을 수행하기 위하여, 센서부(40)는 액체(32')의 도달을 감지할 수 있는 센서(미도시)와 소요시간을 측정하는 타이머(미도시) 등으로 이루어질 수 있다.
한편, 센서부(40)가 액체공급부(30)와 전기적으로 연결되어 연동되도록 함으로써, 액체(32, 32')가 이동하는 데에 소요된 시간을 보다 정확하게 측정할 수 있다. 즉, 액체(32)가 대상체(10)의 표면에 떨어짐과 동시에 타이머가 작동되게 하고, 센서가 액체(32')의 도달을 감지함과 동시에 타이머의 작동이 중단되도록 함으로써, 보다 정확한 측정을 구현할 수 있는 것이다.
물론, 이러한 센서부(40)가 이하에서 설명할 연산부(50)와 연결되도록 함으로써, 측정된 소요시간이 자동으로 연산부(50)에 전송되도록 할 수도 있다.
연산부(50)는 액체(32)의 고유 물성치와 액체가 이동하는 데에 소요된 시간을 입력 받아 상기 측정 대상체(10)의 표면에너지를 산출하는 기능을 수행하는 수단이다. 이러한 연산부(50)는, 액체의 고유물성치와, 액체의 이동 소요시간 및 그 밖의 여러 인자들을 미리 입력 받은 후, 연산처리 하여 대상체(10)의 표면에너지를 산출하게 된다. 연산부(50)에서 대상체(10)의 표면에너지를 산출하는 방법의 일 예 에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
모세관(25)에서 액체의 흐름성은, Ignatius J. Rasiah 가 제안한 하기의 공식으로 표현될 수 있다. (Rheology of the Underfill Flow Process in a Flip Chip Package, Electronics Manufacturing Technology Symposium, 2000, 26th IEEE/CPMT International, P.221-228)
Figure 112008059365998-pat00003
여기서, h는 모세관의 높이; Lf는 모세관의 길이; τ는 점도 변화율 상수; θ는 접촉각; μ0는 초기 점도; tf는 소요 시간; γ는 표면장력이다.
상기 공식을 바탕으로, 모세관의 길이, 액체의 점도 및 점도변화율, 표면장력, 모세관 높이(플레이트(20)와 대상체(10) 사이의 간격)이 주어지면, 액체의 모세관 통과 소요 시간을 측정함으로써, 접촉각으로 표현되는 피 표면의 표면에너지를 산출해낼 수 있게 되는 것이다.
여기서, 모세관(25)의 길이와 모세관(25)의 높이는 미리 설정될 수도 있고, 대상체(10)의 표면에 플레이트(20)를 배치하여 모세관(25)을 형성한 다음, 별도의 측정 절차를 통해 취득될 수도 있다. 별도의 측정 절차를 통해 취득된 데이터를 연산부(50)에 입력할 수 있도록, 키보드와 같은 별도의 입력장치(52)가 구비될 수도 있다.
이상과 같은 방법을 이용하게 되면, 점도, 점도변화율 및 표면장력을 알고, 뉴토니안(Newtonian) 흐름성을 보이는 액체는 모두 적용될 수 있으므로, 표면에너지 측정을 위한 액체의 확보가 용이해질 수 있게 된다.
이상에서, 본 발명의 일 측면에 따른 표면에너지 측정장치에 대해 설명하였으며, 이하에서는 본 발명의 다른 측면에 따른 표면에너지 측정방법에 대해, 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
본 실시예에 따른 표면에너지 측정방법은, 전술한 구조의 표면에너지 측정장치 또는 이와 유사한 기능을 수행하는 장치를 통해 구현될 수도 있으므로, 이하에서는 이해의 편의를 위해, 전술한 구조의 표면에너지 측정장치를 이용하는 경우를 예로 들어 설명하도록 한다.
우선, 대상체(10)의 표면에 인접하도록 플레이트(20)를 배치하여 플레이트(20)의 표면에 모세관(25)을 구현한 다음(S110), 모세관(25)의 일측에 액체를 공급한다(S120). 이렇게 공급된 액체는 모세관(25) 현상에 의해 모세관(25)의 타측 방향으로 이동하게 된다.
그 다음, 액체가 모세관(25)의 일측으로부터 타측에 도달하는 데에 걸리는 소요시간을 측정한다(S130). 이를 위하여, 액체의 도달을 감지할 수 있는 센서와 소요시간을 측정하는 타이머 등을 이용할 수도 있다. 이 때, 액체가 모세관(25)의 일측에 공급됨과 동시에 타이머가 작동되게 하고, 센서가 액체의 도달을 감지함과 동시에 타이머의 작동이 중단되도록 함으로써, 보다 정확한 측정을 구현할 수도 있다.
이 후, 고유 물성치와 소요시간을 이용한 연산을 수행하여, 측정 대상체(10)의 표면에너지를 산출한다(S140). 표면에너지를 산출하기 위하여, Ignatius J. Rasiah 가 제안한 하기의 공식을 이용할 수 있음은 전술한 바와 같다.
Figure 112008059365998-pat00004
여기서, h는 모세관의 높이; Lf는 모세관의 길이; τ는 점도 변화율 상수; θ는 접촉각; μ0는 초기 점도; tf는 소요 시간; γ는 표면장력이다.
모세관(25)의 길이와 모세관(25)의 높이는 미리 설정될 수도 있고, 대상체(10)의 표면에 플레이트(20)를 배치하여 모세관(25)을 형성한 다음, 별도의 측정 절차를 통해 취득될 수도 있다. 별도의 측정 절차를 통해 데이터를 취득한 경우, 키보드와 같은 별도의 입력장치(52)를 이용하여 해당 데이터를 연산부(50)에 입력할 수도 있음은 전술한 바와 같다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 종래기술에 따른 표면에너지 측정방법을 나타내는 도면.
도 2는 대상물의 표면에 액체가 토출된 모습을 나타내는 사진.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 표면에너지 측정장치를 나타내는 도면.
도 4는 도 3의 플레이트를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 측면에 따른 표면에너지 측정방법을 나타내는 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 대상체 20: 플레이트
22: 지지체 24: 높이조절수단
30: 액체공급부 32, 32' 액체
40: 센서부 50: 연산부
52: 입력장치

Claims (8)

  1. 고유 물성치를 갖는 액체를 이용하여 측정 대상체의 표면에너지를 측정하기 위한 장치로서,
    상기 대상체의 표면에 모세관을 구현하기 위한 플레이트;
    상기 플레이트의 일측에 배치되며, 대상체의 표면에 액체를 공급하는 액체공급부;
    상기 플레이트의 타측에 배치되며, 상기 액체가 상기 플레이트의 일측으로부터 타측에 도달하는 데에 걸리는 소요시간을 감지하는 센서부;
    상기 고유 물성치와 상기 소요시간을 입력 받아 상기 측정 대상체의 표면에너지를 산출하는 연산부를 포함하는 표면에너지 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연산부에 연결되는 입력장치를 더 포함하는 표면에너지 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고유 물성치는, 초기 점도와 점도 변화율 상수 및 표면장력을 포함하며,
    상기 연산부는 하기의 수학식을 이용하여 상기 표면에너지를 산출하는 것을 특징으로 하는 표면에너지 측정장치.
    Figure 112008059365998-pat00005
    여기서,
    h는 모세관의 높이, Lf는 모세관의 길이,
    τ는 점도 변화율 상수, θ는 접촉각,
    μ0는 초기 점도, tf는 소요 시간,
    γ는 표면장력이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 액체공급부와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 표면에너지 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트의 일면에는,
    상기 플레이트를 상기 대상체로부터 이격시키는 지지체와,
    상기 플레이트와 상기 대상체 사이의 거리를 조절하는 높이조절수단이 형성되는 것을 특징으로 하는 표면에너지 측정장치.
  6. 고유 물성치를 갖는 액체를 이용하여 측정 대상체의 표면에너지를 측정하기 위한 방법으로서,
    상기 대상체의 표면에 인접하도록 플레이트를 배치하여 상기 플레이트의 표면에 모세관을 구현하는 단계;
    상기 모세관의 일측에 액체를 공급하는 단계;
    상기 액체가 상기 모세관의 일측으로부터 타측에 도달하는 데에 걸리는 소요시간을 측정하는 단계; 및
    상기 고유 물성치와 상기 소요시간을 이용한 연산을 수행하여, 상기 측정 대상체의 표면에너지를 산출하는 단계를 포함하는 표면에너지 측정방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고유 물성치는, 초기 점도와 점도 변화율 상수 및 표면장력을 포함하며,
    상기 산출하는 단계는 하기의 수학식을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하 는 표면에너지 측정방법.
    Figure 112008059365998-pat00006
    여기서,
    h는 모세관의 높이, Lf는 모세관의 길이,
    τ는 점도 변화율 상수, θ는 접촉각,
    μ0는 초기 점도 tf는 소요 시간,
    γ는 표면장력이다.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모세관을 구현하는 단계 이후에,
    상기 모세관의 높이를 측정하는 단계를 더 포함하는 표면에너지 측정방법.
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