KR101109050B1 - 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치 - Google Patents

형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치에 관한 것으로, 엑스선 발생장치에서 방출되는 콘빔 형태의 다색화된 엑스선을 콜리메이터나 슬릿과 같은 빔 제한장치로 제한하여 교정용 엑스선과 측정용 엑스선으로 분리하여 서로 다른 2개의 방향으로 통과시키고, 하나의 검출기를 이용하여 빔 제한장치에 평행한 교정용 타깃에 의해 단색화되고 교정용 타깃에 조사된 후 방사되는 교정용 형광엑스선의 광자량과 피측정체에 평행한 측정용 타깃에 의해 단색화되고 피측정체를 투과하여 측정용 타깃에 조사된 후 방사된 다음 피측정체를 재투과하는 측정용 형광엑스선의 광자량을 분리하여 검출하며, 검출기는 측정용 형광엑스선의 광자량을 이용하여 피측정체의 두께를 측정하면서 교정용 형광엑스선의 광자량의 변화에 기인하는 피측정체의 두께 측정 오차를 보정한다.
본 발명은 하나의 검출기를 이용하므로 종래의 제작 원가 상승 문제를 해결하여 제작비용을 최소화하고 측정장치의 구조를 단순화할 수 있으며, 특히 교정용 형광엑스선의 광자량을 기준으로 피측정체를 투과한 측정용 형광엑스선의 광자량 정보를 실시간으로 보정함으로써 피측정체의 두께를 정확하게 측정할 수 있다.

Description

형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치{CONTACTLESS THICKNESS GAUGE USING FLUORESCENCE X-RAYS}
본 발명은 두께 측정장치에 관한 것이며, 더욱 상세히는 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 금속 박판 또는 폴리머, 고분자 등으로 이루어진 필름이나 박막 등과 같은 피측정체의 두께 측정은 엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치에 의해 수행된다.
이러한 두께 측정은 단일의 피측정체를 대상으로 하거나, 혹은 생산 중에 있는 피측정체를 대상으로 하기도 한다. 예컨대, 통상 금속 박판이나 필름, 박막 등의 피측정체를 생산하기 위한 방법 중 하나인 롤러 압연 방법으로 일정한 두께의 피측정체를 생산하는 동안 그 두께를 실시간으로 측정하여 이상 여부를 판정한 결과에 따라 압연 롤러를 조절하면 두께가 일정한 양질의 제품을 생산할 수 있게 된다.
이러한 엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치는 피측정체를 투과하는 엑스선 광자량을 검출기로 검출하거나, 혹은 피측정체를 투과하는 형광엑스선 광자량을 검출기로 검출하여 피측정체의 두께 측정에 이용한다.
상기 검출기로 검출하는 엑스선 광자량 혹은 형광엑스선 광자량은 모두 피측정체의 재질에 따른 흡수계수, 밀도, 두께 등에 의해 변화하게 되는데, 피측정체가 없을 때 엑스선 타깃에 조사된 후 방사되는 광자량과 일정 두께의 피측정체가 있을 때 피측정체를 투과하여 엑스선 타깃에 조사된 후 방사되는 광자량을 상대적으로 비교하여 그 상대적인 차이를 확인하면 피측정체의 두께를 알 수 있다.
상기 엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치는 엑스선 발생장치에서 발생한 단색화된 엑스선이 피측정체를 투과하게 함으로써 가장 정확한 측정을 수행할 수 있으나, 모든 엑스선 발생장치는 연속선과 특성선이 다색화된 엑스선(Polychromatic X-Rays), 즉 다양한 에너지의 엑스선을 동시에 발생한다.
따라서, 피측정체를 투과하는 엑스선 광자량을 검출기로 검출하는 비접촉식 두께 측정장치는 피측정체를 투과하기 전의 엑스선 광자량과 투과한 후의 엑스선 광자량을 비교하는 방법을 사용하게 되는데, 이는 엑스선 발생장치에서 발생한 엑스선 중 낮은 에너지에서 공기 중에 흡수 또는 산란되어 사라지는 광자에 대한 오차를 동반하게 되며, 엑스선 발생장치 자체에서 발행하는 다양한 에너지 분포의 변화에 대해 능동적으로 보정하지 못하는 단점이 있다.
또한, 이러한 오차를 효과적으로 제거하기 위해서는 엑스선 발생장치에서 측정경로에서 산란 혹은 흡수를 일으키는 낮은 에너지 영역을 벗어난 에너지를 가진 단색화된 엑스선을 발생시켜 측정에 사용되도록 하는 것이 가장 효율적인 방법이나, 엑스선 발생장치의 구조에 있어서 단색화된 엑스선을 다양하게 발생시키는 것은 불가능하다.
따라서, 단색화된 엑스선을 사용하기 위해서는 엑스선 발생장치와 피측정체 사이에 단색화기(Monochromator)를 설치하여 엑스선 발생장치로부터 발생한 엑스선의 입사 각도를 변화함으로써 다양한 에너지의 단색화 빔을 얻을 수 있으나, 이를 구현하기 위해서는 많은 비용과 정교한 정렬이 필요하므로 상용화하기는 어렵다.
또한, 지금까지는 자체교정을 위해 피측정체를 투과하기 전의 엑스선 광자량과 피측정체를 투과한 엑스선 광자량을 비교하여 두께를 측정하는 방법이 이용되었으나 이를 위해서는 검출기를 2개 사용해야 하므로 제작 원가 상승 문제가 발생하고 측정장치의 구조를 단순화하는데 어려움이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 엑스선 발생장치에서 방출되는 콘빔 형태의 다색화된 엑스선을 콜리메이터나 슬릿과 같은 빔 제한장치로 제한하여 교정용 엑스선과 측정용 엑스선으로 분리하여 서로 다른 2개의 방향으로 통과시키고, 하나의 검출기를 이용하여 상기 빔 제한장치에 평행한 교정용 타깃에 의해 단색화되고 상기 교정용 타깃에 조사된 후 방사되는 교정용 형광엑스선의 광자량과 상기 피측정체에 평행한 측정용 타깃에 의해 단색화되고 상기 피측정체를 투과하여 상기 측정용 타깃에 조사된 후 방사된 다음 상기 피측정체를 재투과하는 측정용 형광엑스선의 광자량을 분리하여 검출하며, 상기 검출기는 상기 측정용 형광엑스선의 광자량을 이용하여 피측정체의 두께를 측정하면서 상기 교정용 형광엑스선의 광자량의 변화에 기인하는 피측정체의 두께 측정 오차를 보정하는 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 피측정체의 물성(예컨대, 재질에 따른 흡수계수, 밀도, 두께 등)에 따라 피측정체를 투과하여 조사되는 측정용 엑스선을 측정용 형광엑스선으로 단색화하는 측정용 타깃의 재질을 다양하게 변화함으로써 두께 측정에 최적화된 측정용 형광엑스선을 획득하는 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치는, 엑스선 광원을 이용해서 콘빔 형태의 다색화된 엑스선을 발생하는 엑스선 발생장치와; 상기 엑스선 발생장치로부터 일정 각도로 방출되는 엑스선을 수직 또는 수평 방향으로 제한함으로써 교정용 엑스선과 측정용 엑스선으로 분리하여 서로 다른 2개의 방향으로 통과시키고, 교정용 형광엑스선과 측정용 형광엑스선에 각각 포함된 스캐터 성분을 제한하여 교정용 형광엑스선과 측정용 형광엑스선을 서로 다른 2개의 방향으로 통과시키는 빔 제한장치; 상기 빔 제한장치에 평행하게 배치된 상태에서 상기 빔 제한장치를 통과하여 조사되는 상기 교정용 엑스선을 교정용 형광엑스선으로 단색화하는 교정용 타깃; 피측정체에 평행하게 배치된 상태에서 상기 피측정체의 물성(예컨대, 재질에 따른 흡수계수, 밀도, 두께 등)에 따라 상기 피측정체를 투과하여 조사되는 측정용 엑스선을 측정용 형광엑스선으로 단색화하는 측정용 타깃; 및 상기 교정용 타깃에 의해 단색화되고 상기 교정용 타깃에 조사된 후 방사되는 교정용 형광엑스선의 광자량과 상기 측정용 타깃에 의해 단색화되고 상기 피측정체를 투과하여 상기 측정용 타깃에 조사된 후 방사된 다음 상기 피측정체를 재투과하는 측정용 형광엑스선의 광자량을 분리하여 검출하고, 상기 측정용 형광엑스선의 광자량을 이용하여 피측정체의 두께를 측정하면서 상기 교정용 형광엑스선의 광자량의 변화에 기인하는 피측정체의 두께 측정 오차를 보정하는 검출기;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하나의 검출기를 이용하므로 종래의 제작 원가 상승 문제를 해결하여 제작비용을 최소화하고 측정장치의 구조를 단순화할 수 있으며, 특히 피측정체의 물성(예컨대, 재질에 따른 흡수계수, 밀도, 두께 등)에 따라 피측정체를 투과하여 조사되는 측정용 엑스선을 측정용 형광엑스선으로 단색화하는 측정용 타깃의 재질을 다양하게 변화함으로써 두께 측정에 최적화된 측정용 형광엑스선을 획득할 수 있고, 교정용 형광엑스선의 광자량을 기준으로 피측정체를 투과한 측정용 형광엑스선의 광자량 정보를 실시간으로 보정함으로써 피측정체의 두께를 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치의 구성을 나타낸 실시예.
도 2는 엑스선 발생장치에서 발생한 엑스선의 광자량이 일정할 때 크롬(Cr) 측정용 타깃과 납(Pb) 교정용 타깃에서 발생한 형광엑스선의 에너지 스펙트럼 그래프.
도 3은 측정용 형광엑스선의 광자량에 대응하는 피측정체의 두께를 측정한 그래프.
도 4는 엑스선 발생장치에서 발생한 엑스선의 광자량이 변화할 때 크롬(Cr) 측정용 타깃과 납(Pb) 교정용 타깃에서 발생한 형광엑스선의 에너지 스펙트럼 그래프.
도 5는 교정용 형광엑스선의 광자량에 대응하는 피측정체의 두께를 측정한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치의 작동 과정을 나타낸 플로차트.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 엑스선 발생장치(110)는 엑스선 광원을 이용해서 콘빔 형태의 다색화된 엑스선을 발생한다.
빔 제한장치(120)는 상기 엑스선 발생장치(110)로부터 일정 각도로 방출되는 엑스선을 수직 또는 수평 방향으로 제한함으로써 교정용 엑스선과 측정용 엑스선으로 분리하여 서로 다른 2개의 방향으로 통과시키고, 교정용 형광엑스선과 측정용 형광엑스선에 각각 포함된 스캐터(scatter) 성분을 제한하여 교정용 형광엑스선과 측정용 형광엑스선을 서로 다른 2개의 방향으로 통과시킨다.
상기 빔 제한장치(120)는 콜리메이터나 슬릿 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
교정용 타깃(130)은 상기 빔 제한장치(120)에 평행하게 배치된 상태에서 상기 빔 제한장치(120)를 통과하여 조사되는 상기 교정용 엑스선을 교정용 형광엑스선으로 단색화한다.
측정용 타깃(140)은 피측정체(200)에 평행하게 배치된 상태에서 상기 피측정체(200)의 물성(예컨대, 재질에 따른 흡수계수, 밀도, 두께 등)에 따라 상기 피측정체(200)를 투과하여 조사되는 측정용 엑스선을 측정용 형광엑스선으로 단색화한다.
상기 측정용 타깃(140)은 재질 변경이 가능하며, 상기 측정용 타깃(140)의 재질을 다양하게 변화함으로써 피측정체(200)의 두께 측정에 최적화된 측정용 형광엑스선을 획득할 수 있다.
상기 측정용 타깃(140)은 측정용 타깃 고정구(141)에 고정되는 것이 바람직하다.
검출기(150)는 상기 교정용 타깃(130)에 의해 단색화되고 상기 교정용 타깃(130)에 조사된 후 방사되는 교정용 형광엑스선의 광자량과 상기 측정용 타깃(140)에 의해 단색화되고 상기 피측정체(200)를 투과하여 상기 측정용 타깃(140)에 조사된 후 방사된 다음 상기 피측정체(200)를 재투과하는 측정용 형광엑스선의 광자량을 분리하여 검출한다.
상기 검출기(150)는 상기 측정용 형광엑스선의 광자량을 이용하여 피측정체의 두께를 측정하면서 상기 교정용 형광엑스선의 광자량의 변화에 기인하는 피측정체의 두께 측정 오차를 보정한다.
상기 검출기(150)는 상기 측정용 형광엑스선의 광자량과 상기 교정용 형광엑스선의 광자량을 이용하는 하기의 수학식 1, 즉 피측정체의 두께를 구하는 식과 하기의 수학식 2, 즉 피측정체의 두께 측정 시 오차를 보정하는 보정값을 구하는 식에 의해 상기 피측정체(200)의 두께를 측정하면서 상기 교정용 형광엑스선의 광자량이 정상 광자량 보다 많으면 -보정값으로 피측정체(200)의 두께 측정 오차를 보정하고, 상기 교정용 형광엑스선의 광자량이 정상 광자량 보다 적으면 +보정값으로 피측정체(200)의 두께 측정 오차를 보정한다.
Figure 112010021151296-pat00001
Figure 112010021151296-pat00002
상기 수학식 1과 수학식 2는 다음과 같이 구해진다.
도 2는 엑스선 발생장치(110)에서 발생한 엑스선의 광자량이 일정할 때 크롬(Cr) 측정용 타깃과 납(Pb) 교정용 타깃에서 발생한 형광엑스선의 에너지 스펙트럼 그래프이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 교정용 타깃(130)에서 방사된 납(Pb)의 형광엑스선 에너지(Kα)는 10.55 keV에서 발현되어 특정 광자량을 유지하게 되며, 측정용 타깃(140)을 크롬(Cr)으로 최적화했을 경우 크롬(Cr)의 형광엑스선 에너지(Kα)는 5.4keV에서 발현된다. 크롬의 형광엑스선은 폴리머 필름을 피측정체(200)로 하는 경우 필름 두께에 따라 광자량의 변화가 실시간으로 나타나게 되며, 엑스선 발생장치(110)의 엑스선 광원에서 발생하는 엑스선 광자량의 변화는 교정용 타깃(130)의 변화로 측정될 수 있으며 피측정체(200)의 두께 측정은 다음과 같은 절차를 거쳐 도 3에 나타낸 바와 같은 검량선 그래프로 구해진다. 도 3의 검량선 그래프는 측정용 타깃(140)의 측정용 형광엑스선의 광자량(CPS; 초당 카운트 수)과 피측정체(200)의 두께와의 상관관계를 나타내는 2차 방정식 함수의 그래프이다.
예컨대, 도 3에 나타난 것과 같이 측정하고자 하는 피측정체가 3um ± 0.5um의 변화 폭을 갖는다고 가정하면, 먼저 2um의 피측정체의 시료를 이용하여 측정용 타깃(140)의 광자량(CPS)을 얻고, 그 다음으로 3um의 피측정체의 시료를 이용하여 측정용 타깃(140)의 광자량(CPS)을 얻은 후, 4um 혹은 4.5um의 피측정체의 시료를 이용하여 측정용 타깃(140)의 광자량(CPS)을 얻는다, 이후 이들 피측정체의 시료의 광자량 대비 피측정체의 시료의 두께의 이차 방정식을 풀면 이차상수 및 일차상수, 절편(상수)을 얻을 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같은 검량선 그래프를 구하는 과정을 통해 얻은 3점을 잇는 추세선(검량선)의 방정식을 구하면, 상기한 수학식 1과 같이 측정용 타깃(140)의 광자량 강도 변화에 따른 피측정체의 두께를 구하는 식이 구해진다.
상기한 수학식 1을 이용하면, 실제로 피측정체(200)를 투과하는 측정용 엑스선이 측정용 타깃(140)에 조사됨에 따라 상기 측정용 타깃(140)에서 발생하는 측정용 형광엑스선의 광자량에 대응하는 피측정체(200)의 두께가 검출부(150)에서 실시간으로 산출된다.
한편, 상기한 수학식 2는 다음과 같이 구해진다.
상기 엑스선 발생장치(110)는 공급 전력의 불안정에 기인하거나, 혹은 엑스선 광원의 식각 등에 기인하여 엑스선 광원에서 발생하는 엑스선 광자량의 변화를 수반하는데, 이러한 엑스선 광자량의 변화는 교정용 타깃(130)의 변화로 측정될 수 있다.
도 4는 엑스선 발생장치(110)에서 발생한 엑스선의 광자량이 변화할 때 크롬(Cr) 측정용 타깃과 납(Pb) 교정용 타깃에서 발생한 형광엑스선의 에너지 스펙트럼 그래프이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 엑스선 발생장치(110)에서 발생되는 엑스선 광자량이 정상적인 경우 교정용 타깃(130)에서 방사된 납(Pb)의 형광엑스선 에너지(Kα)는 정상적으로 발현된다. 하지만, 엑스선 발생장치(110)에서 발생되는 엑스선 광자량이 정상보다 많이 발생하거나 혹은 적게 발생하게 되면 교정용 타깃(130)에서 방사된 납(Pb)의 형광엑스선 에너지(Kα)도 역시 정상보다 많게 혹은 적게 발현된다. 이러한 교정용 타깃(130)에서 방사된 납(Pb)의 형광엑스선 에너지(Kα)의 변화는 측정용 타깃(140)을 크롬(Cr)으로 최적화했을 경우 크롬(Cr)의 형광엑스선 에너지(Kα)에도 변화를 유발하여 측정용 타깃(140)에서 방사된 크롬(Cr)의 형광엑스선 에너지(Kα)도 역시 정상보다 많거나 적게 변화시켜, 결과적으로 피측정체(200)에 대한 두께 측정 결과를 변화시킨다. 즉, 엑스선 발생장치(110)에서 발생되는 엑스선 광자량의 변화에 기인하는 상기 교정용 타깃(130)에서 방사된 납(Pb)의 형광엑스선 에너지(Kα)의 변화분은 측정용 타깃(140)에서 발형된 측정용 형광엑스선에 대응하는 피측정체의 두께 변화분으로 검출될 수 있다.
이러한 피측정체의 두께 변화는 검측 범위 내로 교정하여 그 측정 상한의 교정용 형광엑스선의 광자량과 측정 하한의 교정용 형광엑스선의 광자량을 기준으로 그 사이 값을 가지게 되며, 피측정체의 두께 변화에 따른 교정용 형광엑스선의 광자량 변화는 상기한 수학식 2와 같은 특정 방정식으로 표현 가능하고 특정 단위(Unit)로 변환하여 수치화할 수 있다.
또한, 상기 수학식 1에서 계산한 피측정체(200)의 두께의 보정값은 교정용 타깃(130)에서 발생하는 교정용 형광엑스선의 광자량의 변화량을 기준으로 상수로 주어지며 이 상수의 결정은 엑스선 발생장치(110)에서 발생하여 변화되는 엑스선의 광자량에 대응하는 교정용 형광엑스선의 광자량으로 표현할 수 있다.
상기한 바에서 알 수 있듯이, 엑스선 발생장치(110)에서 발생되는 엑스선 광자량의 변화는 피측정체(200)의 두께 측정에 직접적인 영향을 끼치므로 이를 보정해 주어야만 정확한 두께를 산출할 수 있게 된다.
이를 반영하기 위해 본 발명에서는 측정용 타깃(140)과 병렬로 배치된 고정용 타깃(130)을 이용하여 엑스선 발생장치(110)의 엑스선 광자량을 지속적으로 모니터링하여 그 변화량을 기준으로 피측정체(200)의 두께를 보정하게 된다.
엑스선 발생장치(110)의 엑스선 광자량 변화가 피측정체(200)의 두께 변화에 미치는 영향을 측정하기 위해서는 측정 범위 안에 있는 피측정체(200)의 시료를 고정하고, 또한 엑스선 발생장치(110)에 공급되는 전압을 고정한 상태에서 엑스선 발생장치(110)의 엑스선 광원에 인가되는 전류를 변화시키면 엑스선 발생장치(110)에서 발생되는 엑스선 광자량의 변화를 측정할 수 있게 된다. 통상 엑스선 발생장치(110)의 전원 리플율이 1～10% 대로 다양하게 있기 때문에 이를 반영하기 위해 엑스선 광자량의 변화는 정상 ± 20% 범위를 기준으로 적용하는 것이 적당하다.
도 5는 피측정체(200)의 시료의 두께는 고정된 상태에서 엑스선 발생장치(110)의 엑스선 광자량 변화에 기인하여 피측정체(200)의 시료를 투과한 측정용 형광엑스선의 광자량의 변화에 대응하는 교정용 형광엑스선의 광자량이 변화함에 따른 피측정체(200)의 시료의 두께 변화를 나타낸 그래프이다.
이는 엑스선 발생장치(110)에서 발생한 엑스선 광자량의 변화가 피측정체(200)의 시료의 두께 변화에 직접적인 영향을 줌을 알 수 있다. 이를 보정하기 위해서는 같은 피측정체(200)의 시료를 고정하고 또한 엑스선 발생장치(110)의 광자량을 -20% 감소시킨 상태에서 피측정체(200)의 시료의 두께를 측정한 다음, 엑스선 발생장치(110)의 광자량을 정상으로 유지한 상태에서 피측정체(200)의 시료의 두께를 측정하고, 이어서 엑스선 발생장치(110)의 광자량을 +20% 증가시킨 상태에서 피측정체(200)의 시료의 두께를 측정하여 도 5에 도시된 것과 같이 3점을 잇는 추세선의 방정식을 구하면, 상기한 수학식 2와 같이 피측정체의 두께 측정 시 오차를 보정하는 보정값을 구하는 식이 구해진다.
상기 수학식 2와 같이 구해진 보정값은 상기 교정용 형광엑스선의 광자량이 정상 광자량 보다 많으면 -보정값으로 상기 수학식 1에 적용되어 피측정체(200)의 두께 측정 오차를 보정하고, 상기 교정용 형광엑스선의 광자량이 정상 광자량 보다 적으면 +보정값으로 상기 수학식 1에 적용되어 피측정체(200)의 두께 측정 오차를 보정한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치(100)는 다음과 같이 작동한다.
가장 먼저, 피측정체(110)에 따라 두께 측정에 최적화된 측정용 형광엑스선을 획득할 수 있는 측정용 타깃(140)을 설정하며, 바람직하게는 측정용 형광엑스선의 에너지가 두께 측정 범위 내에서 가장 비례적인 변화를 일으키는 측정용 타깃(140)을 설정한다(S100).
예컨대, 1um 대의 폴리머 필름의 두께를 측정하고자 하는 경우, 낮은 에너지의 측정용 형광엑스선을 사용하는 것이 바람직하므로, 측정용 타깃으로 형광엑스선 에너지가 1.49keV인 알미늄(Al)이나 형광엑스선 에너지가 4.51keV인 타이타늄(Ti)을 사용해야 하며, 철판의 두께를 측정하고자 하는 경우는 형광엑스선 에너지가 8.64keV인 아연(Zn)이나 형광엑스선 에너지가 17.4keV인 몰리브데늄(Mo)을 측정용 타깃으로 사용해야 한다.
참고로, 상기와 같이 설정된 측정용 타깃(140)에서 발생하는 측정용 형광엑스선에 대한 피측정체(200)의 흡수(투과) 특성은 피측정체(200)의 밀도(Density)와 구성원소의 원자번호(Z)에 의해달라지며, 실제로 밀도가 높을수록, 구성원소의 원자번호(Z)가 높을수록 흡수(투과)가 많이 되며, 피측정체(200)를 투과한 측정용 형광엑스선의 광자량도 낮아지게 된다.
상기와 같이 측정용 타깃(140)이 바람직하게 설정된 상태에서 피측정체(200)를 고정하고 엑스선 발생장치(110)를 구동하면 엑스선 광원에서 엑스선이 발생하여 일정 각도로 방출되며(S115), 이 엑스선 광원은 빔 제한장치(120)로 조사되어 교정용 엑스선과 측정용 엑스선으로 분리되면서 서로 다른 2개의 방향으로 통과된다(S120).
이때, 상기 교정용 엑스선은 교정용 타깃(130)으로 조사되며, 이에 따라서 상기 교정용 타깃(130)은 상기 교정용 엑스선을 교정용 형광엑스선으로 단색화하여 상기 검출기(150) 측으로 방사하며(S125), 이렇게 방사되는 교정용 형광엑스선은 상기 빔 제한장치(120)에 의해 스캐터 성분이 제한된다(S130).
또한, 이때 상기 측정용 엑스선은 피측정체(200)를 통과한 후 상기 측정용 타깃(140)으로 조사되며, 이에 따라서 상기 측정용 타깃(140)은 상기 피측정체(200)를 투과하여 조사되는 측정용 엑스선을 측정용 형광엑스선으로 단색화하여 상기 검출기(150) 측으로 방사하며(S135), 이렇게 방사되는 측정용 형광엑스선은 다시 피측정체(200)를 통과한 다음(S140), 상기 빔 제한장치(120)에 의해 스캐터 성분이 제한된다(S145).
상기와 같이 빔 제한장치(120)에 의해 스캐터 성분이 제한된 교정용 형광엑스선과 측정용 형광엑스선은 각각 검출기(150)에 의해 검출된다(S150).
이때, 상기 검출기(150)는 교정용 형광엑스선과 측정용 형광엑스선의 에너지 스펙트럼을 분리하여 상기 교정용 형광엑스선의 광자량과 상기 측정용 형광엑스선의 광자량을 검출한다(S155).
이때, 만약 상기 교정용 형광엑스선의 광자량의 강도가 정상보다 많이 발생하거나, 혹은 적게 발생하는 것으로 판별되면(S160), 상기 검출기(150)는 교정용 형광엑스선의 광자량을 상기 수학식 2에 대입하여 피측정체(200)의 두께 측정을 위한 보정값을 산출한 후(S165), 이 보정값과 측정용 형광엑스선의 광자량을 상기 수학식 1에 대입하여 피측정체(200)의 보정된 두께를 계산한다(S170).
반면에, 상기 교정용 형광엑스선의 광자량의 강도가 정상으로 판별되면(S160), 상기 검출기(150)는 측정용 형광엑스선의 광자량을 상기 수학식 1에 대입하여 피측정체(200)의 보정된 두께를 계산하며(S170), 이때 보정값은 O(zero)으로 둔다.
참고로, 이와 같이 피측정체(200)의 두께 정보가 종래 기술로 언급한 바와 같이 롤러 압연 방법 등을 통해 금속 박판이나 필름, 박막 등의 피측정체를 일정한 두께로 생산하는 공정 중에 있는 두께 조절 장치로 전달되면 피측정체를 생산하는 동안 두께의 이상 여부를 판정한 결과에 따라 압연 롤러를 조절함으로써 두께가 일정한 양질의 제품을 생산할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치는 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 그 기술적 정신이 있다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치
110: 엑스선 발생장치 120: 빔 제한장치
130: 교정용 타깃 140: 측정용 타깃
141: 측정용 타깃 고정구 150: 검출기
200: 피측정체

Claims (5)

  1. 엑스선 광원을 이용해서 콘빔 형태의 다색화된 엑스선을 발생하는 엑스선 발생장치(110)와;
    상기 엑스선 발생장치(110)로부터 일정 각도로 방출되는 엑스선을 수직 또는 수평 방향으로 제한함으로써 교정용 엑스선과 측정용 엑스선으로 분리하여 서로 다른 2개의 방향으로 통과시키고, 교정용 형광엑스선과 측정용 형광엑스선에 각각 포함된 스캐터 성분을 제한하여 교정용 형광엑스선과 측정용 형광엑스선을 서로 다른 2개의 방향으로 통과시키는 빔 제한장치(120);
    상기 빔 제한장치(120)에 평행하게 배치된 상태에서 상기 빔 제한장치(120)를 통과하여 조사되는 상기 교정용 엑스선을 교정용 형광엑스선으로 단색화하는 교정용 타깃(130);
    피측정체(200)에 평행하게 배치된 상태에서 상기 피측정체(200)의 물성에 따라 상기 피측정체(200)를 투과하여 조사되는 측정용 엑스선을 측정용 형광엑스선으로 단색화하는 측정용 타깃(140); 및
    상기 교정용 타깃(130)에 의해 단색화되고 상기 교정용 타깃(130)에 조사된 후 방사되는 교정용 형광엑스선의 광자량과 상기 측정용 타깃(140)에 의해 단색화되고 상기 피측정체(200)를 투과하여 상기 측정용 타깃(140)에 조사된 후 방사된 다음 상기 피측정체(200)를 재투과하는 측정용 형광엑스선의 광자량을 분리하여 검출하고, 상기 측정용 형광엑스선의 광자량을 이용하여 피측정체의 두께를 측정하면서 상기 교정용 형광엑스선의 광자량의 변화에 기인하는 피측정체의 두께 측정 오차를 보정하는 검출기(150);
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 제한장치(120)는 콜리메이터나 슬릿 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 측정용 타깃(140)은 재질 변경이 가능한 것을 특징으로 하는 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 측정용 타깃(140)은 측정용 타깃 고정구(141)에 고정되는 것을 특징으로 하는 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 검출기(150)는 상기 측정용 형광엑스선의 광자량과 상기 교정용 형광엑스선의 광자량을 이용하는 하기의 수학식
    [피측정체의 두께 = (이차상수×(측정용 형광엑스선의 광자량)2 + 일차상수×측정용 형광엑스선의 광자량 + 상수) ± 보정값]
    과, 하기의 수학식
    [보정값 = 이차상수×(교정용 형광엑스선의 광자량)2 + 일차상수×교정용 형광엑스선의 광자량 + 상수]
    에 의해 상기 피측정체(200)의 두께를 측정하면서 상기 교정용 형광엑스선의 광자량이 정상 광자량 보다 많으면 -보정값으로 피측정체(200)의 두께 측정 오차를 보정하고, 상기 교정용 형광엑스선의 광자량이 정상 광자량 보다 적으면 +보정값으로 피측정체(200)의 두께 측정 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 형광엑스선을 이용한 비접촉식 두께 측정장치.
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