KR101125613B1 - 교류 신호의 위상 측정을 이용한 도체의 결함 검사 장치 및 방법 - Google Patents

교류 신호의 위상 측정을 이용한 도체의 결함 검사 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신속하고 간단하게 도체의 연결 부위의 결함을 검출하고 그 크기를 추정할 수 있는 검사 장치와 방법을 제공한다. 본 발명의 검사 장치는 전류 경로 유도부에 연결되는 제1 프로브, 제2 프로브를 포함하며, 제1 프로브는 검사 대상 도체의 제1 위치, 제2 프로브는 검사 대상 도체의 제2 위치에 접촉한다. 전류 경로 유도부는 검사 대상 도체와 평행하게 배치되며, 검사 대상 도체의 검사 대상 영역을 가로지르도록 배치된다. 전류 경로 유도부 및 제1 프로브에 고주파 교류 전압이 인가되며 제2 프로브로부터 응답 전류가 검출된다. 반대로 제2 프로브에 고주파 교류 전압이 인가되고 제1 프로브를 통하여 응답 전류가 검출될 수도 있다.
인가 전압과 응답 전류 간의 위상 차이에 기초하여 검사 대상 영역의 결함 존재 여부를 판정한다.
도체 결함 검사, 위상 측정, 고주파 교류 신호, skin depth, skin effect, 표면 효과

Description

교류 신호의 위상 측정을 이용한 도체의 결함 검사 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR DEFECT INSPECTION OF CONDUCTOR USING PHASE MEASUREMENT OF ALTERNATIVE CURRENT SIGNAL}
본 발명은 도체(conductor) 및 도체를 용접 등의 방법으로 연결한 연결 부위의 결함(defect) 여부를 검사하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 검사 대상 부위를 파괴하지 않는 비파괴 검사 방법 및 장치에 관한 것이다.
도체를 용접 등의 방법으로 연결한 연결 부위는 구멍(hole), 틈새, 내부의 공동(cavity) 등의 결함(defect)을 포함할 수 있고, 이러한 결함은 도체의 연결 부위의 전도성을 저하시키거나 강도를 저하시켜 원하는 성능을 얻지 못하게 하는 원인이 된다.
따라서 이처럼 도체의 연결 부위를 검사하는 방법에 대하여 꾸준히 연구가 진행되고 있으며 특히 신속하게 저렴한 비용으로 도체의 연결 부위의 결함 여부를 검사하는 방법에 대한 요구가 높아지고 있다.
종래의 결함 검사 방법으로 가장 일반적인 것은 카메라, 현미경 등을 통한 시각적인 검사 방법이다. 그러나 시각적인 검사 방법은 검사 시간이 매우 길고 자 동화가 용이하지 않으며, 정밀한 검사를 위해서는 고가의 장비를 필요로 하는 문제점이 있다.
종래의 결함 검사 방법 중 또 다른 하나로 자기장의 교란을 이용한 방법을 들 수 있다. 그러나 자기장의 교란을 이용한 방법은 검사에 영향을 주는 요소들이 많아 해석이 용이하지 않고, 자기장의 측정 위치에 민감하다는 단점이 있다.
도체의 결함을 검사하는 방법과 관련성을 가지는 것으로 전도성 박판의 두께를 비접촉식으로 정량 평가할 수 있는 방법이 있다. 종래에는 두께 측정을 위하여 초음파, 맴돌이 전류(eddy current) 및 방사선 등을 활용하여 측정해 왔다. 그러나, 초음파 방식은 측정 정밀도는 뛰어나나, 액체 커플런트를 필요로 하는 접촉식 방법이므로, 피검체 표면을 사전에 처리하여야 하고, 피검체의 표면이 울퉁불퉁하거나 고온인 경우에는 적용이 곤란한 문제점이 있다.
또한, 재래식 맴돌이 전류 방식은 코일과 피검체 사이의 거리인 리프트오프(Lift - Off) 값에 민감하므로, 비접촉식으로 적용하기가 어려울뿐만 아니라 측정 원시 신호를 임피던스 (impedance) 도면에 표시하여야 하므로, 정량화시킬 수 없는 문제점이 있다.
또한, 방사선 투과 방식은 수증기 및 분진 등의 환경에서 상대적으로 내구성과 적용성은 좋으나 인체에 대한 방사선 피폭 문제 등으로 환경 친화성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 도출된 것으로서, 도체(conductor)의 연결 부위의 결함(defect) 여부를 신속하게 검사하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 상대적으로 저렴한 비용으로 구현할 수 있는 검사 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 도체의 검사 대상 부위에 고주파 교류 신호를 인가하고 인가된 신호와 응답 신호와의 위상 차이(phase difference)로부터 빠르게 결함 여부를 판정할 수 있는 도체 검사 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 고주파 교류 신호에 대한 인덕턴스를 최소화하는 특정 경로에 검사 대상 도체에서의 전류 밀도가 집중되도록 제어함으로써 검사 대상 도체의 결함을 발견하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 예상되는 결함의 크기와 형태를 고려하여 검사 대상 영역을 가변적으로 설정할 수 있도록 하는 검사 장치 및 방법을 제공하며, 검사의 민감도(sensitivity)를 가변적으로 조절할 수 있다. 본 발명은 표면 효과(skin effect 또는 skin depth)를 고려하여 도체 외부에 결함이 존재하는 경우와 도체 내부에 결함이 존재하는 경우에도 모두 적용될 수 있는 검사 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도체 검사 장치는 전류 경로 유도부에 연결된 제1 프로브(probe), 제2 프로브를 포함한다. 제1 프로브의 일측은 검사 대상 도체의 제1 위치에 접촉하고, 제2 프로브의 일측은 검사 대상 도체의 제2 위치에 접촉한다. 제1 프로브의 타측은 전류 경로 유도부에 연결되는데, 전류 경로 유도부는 제1 프로브의 타측에서 검사 대상 도체의 검사 대상 영역 위를 평행하게 가로지르도록 형성된다.
전류 경로 유도부는 간단한 형태의 도선(conducting wire)일 수 있다. 도선은 제1 프로브의 높이 또는 상대적으로 짧은 거리만큼 검사 대상 영역에서 이격되며, 고주파 입력 전압이 인가되는 도선은 검사 대상 영역에 흐르는 전류의 경로를 도선과 가장 가까운 영역으로 유도할 수 있다.
검사 대상 영역은 검사 대상 도체의 일부분의 영역으로서, 제1 위치와 제2 위치 간의 직선 경로를 포함하는 영역이다.
신호 입력부는 제1 프로브 또는 제2 프로브 중 어느 하나에 고주파 교류 입력 전압을 인가하고, 위상 측정부는 제1 프로브 또는 제2 프로브 중 나머지 하나로부터 출력 전류를 검출한다. 위상 측정부는 검출된 출력 전류와 인가된 고주파 교류 입력 전압 간의 위상 차이를 측정한다.
검출된 출력 전류는 고주파 교류 입력 전압에 대한 검사 대상 도체의 응답이며, 검사 대상 도체와 본 발명의 도체 검사 장치의 물성 및 토폴로지 (topology)에 의하여 결정되는 특성 임피던스 (characteristic impedance)를 반영한다. 특성 임피던스에 의하여 입력 전압과 출력 전류의 위상 차이가 결정되며, 본 발명의 도체 검사 장치는 특성 임피던스에 의하여 생성되는 위상 차이를 측정한다.
이 때 결함이 없을 경우에 예상되는 레퍼런스 (reference) 위상 차이와, 실제 측정된 위상 차이가 비교될 수 있다. 이러한 비교는 검사자가 직접 수행할 수도 있고, 검사 장치에 부가된 결함 판정 모듈에 의하여 수행될 수도 있다. 검사자 또는 결함 판정 모듈은 결함이 없을 경우에 예상되는 레퍼런스 위상 차이와 실제 측정된 위상 차이가 무시할 수 없을 만큼 크면 검사 대상 도체에 결함이 존재한다고 판정할 수 있다. 레퍼런스 위상 차이와 실체 측정된 위상 차이가 클수록 결함은 크다고 추정될 수 있다.
본 발명의 검사 장치는 고주파 입력 전압의 주파수를 낮은 주파수에서 높은 주파수로, 또는 높은 주파수에서 낮은 주파수로 스윕(sweep)하며 응답 신호를 검출할 수 있다. 각 주파수 대역에 대하여 레퍼런스 위상 차이가 미리 계산되고, 측정된 위상 차이와 레퍼런스 위상 차이가 비교된다.
기본적으로는 입력 전압의 주파수가 수백 kHz 또는 수 MHz 이상의 높은 주파수 대역인 것이 전제되지만, 본 발명의 검사 장치는 도체의 표면 효과(skin effect 또는 skin depth)를 고려하여 도체의 내부에 공동(cavity)과 같은 형태로 존재하는 결함을 검출하기 위하여 (고주파 대역 내에서) 상대적으로 낮은 주파수를 선택할 수도 있다.
본 발명의 검사 장치는 도체의 표면에서 작은 결함까지도 검출할 수 있도록 검사의 민감도를 높이기 위해서는 위상 차이가 현저하게 나타나야 하므로 주파수를 높일 수 있다. 도체 내부의 결함을 검출하면서도 검사의 민감도를 높이기 위하여 본 발명의 검사 장치는 고주파 대역 내에서 상대적으로 높은 주파수와 상대적으로 낮은 주파수에 대한 응답 신호의 위상 차이를 각각 검출하여 각각의 주파수에 대한 레퍼런스 위상 차이와 비교할 수 있다.
본 발명에 따르면 입력 전압 신호와 출력 전류 신호 사이의 위상 차이를 측정하여 도체의 연결 부위의 결함 여부를 신속하게 검사하는 장치 및 방법의 구현이 가능하다. 또한 본 발명에 따르면 도체 결함 검사 장치 및 방법을 상대적으로 저렴한 비용으로 구현할 수 있다.
본 발명에 따르면 고주파 교류 신호의 검사 대상 도체에서의 전류 밀도가 특정 영역에 집중되도록 제어함으로써 검사 대상 도체의 결함을 발견할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 고주파 교류 신호의 특성을 이용하여 검사의 민감도를 향상시킬 수 있고 검사 대상 영역을 조정할 수 있다. 본 발명에 따르면 예상되는 결함의 크기와 형태를 고려하여 검사 대상 영역을 설정할 수 있다. 본 발명의 검사 장치 및 방법은 도체에서의 표면 효과(skin effect 또는 skin depth)를 고려하여 도체 외부에 결함이 존재하는 경우와, 도체 내부에 결함이 존재하는 경우에도 모두 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면 인가되는 고주파 교류 신호의 주파수를 스윕(sweep)하고 각각의 주파수에 대하여 응답 신호의 위상 차이를 측정함으로써 검사 대상 도체의 표면에 대한 민감도를 높이면서 검사 대상 도체 내부의 결함도 검출할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도체 결함 검사 시스템을 도시하는 도면이다.
신호 발생기(110)는 고주파 교류 입력 신호 V1을 발생한다. 고주파라 함은 본 명세서에서는 수백 kHz 이상의 주파수 대역을 말하며 인덕턴스(inductance)가 임피던스(impedance)의 크기에서 차지하는 비중이 크거나 도미넌트(dominant)한 주파수 대역을 가리킨다.
신호 발생기(110)에서 생성된 고주파 교류 입력 신호 V1은 신호 인가 장치(120) 및 위상 비교기(130)로 전달된다. 신호 인가 장치(120)는 검사를 위한 입력 도선(140)에 고주파 교류 입력 신호 V1을 인가한다.
입력 도선(140)은 검사 대상 물체(100)의 제1 위치에 접촉하고, 응답 도선(141)은 검사 대상 물체(100)의 제2 지점에 접촉한다. 제1 위치와 제2 지점은 검사 대상 영역(101)의 양 끝으로 선택된다.
입력 도선(140)에 인가된 고주파 교류 입력 신호 V1은 검사 대상 영역(101)을 경유하여 응답 도선(141)에 흐르는 출력 전류(응답 전류) I2를 생성한다. 이 때 응답 전류 I2는 고주파 교류 입력 신호 V1과 검사 대상 물체(100), 검사 대상 영역(101), 입력 도선(140) 및 응답 도선(141)이 형성하는 특성 임피던스(characteristic impedance)에 의하여 결정된다. 응답 전류 I2의 크기 및 위상은 V1과 특성 임피던스의 크기 및 위상에 의하여 결정된다.
위상 비교기(130)는 응답 전류 I2와 고주파 교류 입력 신호 V1의 위상을 비교하여 위상 차이를 측정한다.
입력 도선(140) 또는 응답 도선(141) 중 적어도 하나는 검사 대상 영역(101)과 평행하게 검사 대상 영역(101)을 가로지르도록 배치된다. 이렇게 배치된 도선(입력 도선(140) 또는 응답 도선(141) 중 적어도 하나)은 응답 전류 I2의 경로를 검사 대상 영역(101)의 특정 영역으로 유도할 수 있다.
검사 대상 영역(101)에 결함이 없는 경우, 응답 전류 I2는 제1 위치와 제2 위치의 최단 경로를 가로질러 흐르도록 유도된다. 이 때 응답 전류 I2의 위상은 검사 대상 물체(100)의 물리적 성질(전도도, 두께 등)과 제1 위치와 제2 위치 간의 거리에 기초하여 예상 가능하다. 결함이 없는 경우에 예상되는 응답 전류 I2의 위상과 V1의 위상 간의 차이를 레퍼런스 위상 차(reference phase difference)라 하기로 한다.
검사 대상 영역(101)에 결함이 있는 경우, 응답 전류 I2의 경로는 결함에 의하여 변경된다. 이 때 응답 전류 I2의 위상과 V1의 위상 간의 차이는 레퍼런스 위상 차와는 다른 값을 가지게 되며 위상 비교기(130)의 비교 결과로 측정되는 V1과 I2 간의 위상 차이를 기초로 검사 대상 영역(101)의 결함의 존재 여부를 판정할 수 있다.
위상 비교기(130)의 비교 결과로 결함의 존재 여부를 판정하는 과정은 검사자에 의하여 직접 수행될 수도 있고, 별도의 결함 판정 모듈(도시되지 않음)에 의하여 수행될 수도 있다. 결함 판정 모듈이 결함의 존재 여부를 판정하는 경우, 결 함 판정 모듈은 V1의 입력 주파수에 대응하는 레퍼런스 위상 차의 값을 미리 저장하고 있거나 미리 계산하고 있을 수 있다. 결함 판정 모듈은 실제 측정된 V1과 I2 간의 위상 차이를 V1의 입력 주파수에 대응하는 레퍼런스 위상 차와 비교하여 실제 측정된 위상 차가 레퍼런스 위상 차와 동일하면 검사 대상 영역(101)에 결함이 없는 것으로 판정하고, 실제 측정된 위상 차가 레퍼런스 위상 차와 상이하면 검사 대상 영역(101)에 결함이 있는 것으로 판정한다. 실제 측정된 위상 차와 레퍼런스 위상 차 간의 차이가 클수록 결함의 크기가 큰 것으로 판정될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도체 결함 검사 장치를 상세히 도시하는 도면이다. 도 2는 결함이 없는 경우의 검사 과정을 도시하고, 도 3은 결함이 있는 경우의 검사 과정을 도시한다.
도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 도체 검사 장치는 도선(conducting wire) (240)에 연결된 제1 프로브(probe) (210), 제2 프로브(220)를 포함한다. 제1 프로브(210)의 일측은 검사 대상 도체(200)의 제1 위치에 접촉하고, 제2 프로브의 일측(220)은 검사 대상 도체(200)의 제2 위치에 접촉한다. 제1 프로브(210)의 타측은 도선(240)에 연결되는데, 도선(240)은 제1 프로브(210)의 타측에서 검사 대상 도체(200)의 검사 대상 영역 위를 평행하게 가로지르도록 형성된다.
도선(240)은 제1 프로브(210)의 높이만큼 검사 대상 도체(200)에서 이격되며, 고주파 입력 전압이 인가되는 도선(240)은 검사 대상 도체(200)에 흐르는 전류의 경로를 도선(240)과 가장 가까운 경로(230)로 유도할 수 있다. 이 때 도 선(240)은 도체(200)와 직접 접촉하지는 않으며, 도선(240)이 도체(200)로부터 이격되는 거리는 상대적으로 매우 짧은 거리일 수 있다(예를 들어, 1 mm 이하).
교류 전기 신호는 임피던스(impedance)가 작은 경로를 통해 흐르려는 경향이 있다. 고주파 교류 신호의 경우에는 임피던스의 크기는 인덕턴스 (inductance)에 의하여 주로 결정된다. 고주파 교류 신호의 경로가 루프(loop)를 형성하고, 루프의 면적을 S라고 하면, 인덕턴스는 루프의 면적 S에 비례하는 특성을 가진다. 인덕턴스 L은 하기 수학식 1과 같이 나타내어질 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112009067114967-pat00001
B는 전류 I의 변화에 따른 자속 밀도(magnetic flux density)이며, ds는 루프의 면적의 적분 요소이다.
전류 I의 변화가 특정 주파수 성분에 의하여 발생하는 경우, 루프를 관통하는 B는 위치에 관계 없는 값을 가진다고 근사되므로, 상기 수학식 1은 하기 수학식 2와 같이 근사될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112009067114967-pat00002
도 2에서는 전류 I2가 지나는 경로가 형성하는 루프는 도선(240), 제1 프로 브(210), 경로(230), 제2 프로브(220)에 의하여 이루어지는 직사각형에 유사한 형태이다.
도 2의 도체(200)에 결함이 없는 조건에서, 인덕턴스가 최소가 되기 위해서는 경로(230)는 도체(200) 내에서 도선(240)의 바로 아래, 도선(240)과 가장 가까운 직선 경로를 따라 형성될 수 있다. 이 때 만일 도선(240)이 제1 프로브(210)의 타측과 제2 프로브(220)의 타측을 잇는 최단 경로의 직선을 따라 배치된다면, 경로(230)는 제1 위치와 제2 위치를 잇는 직선 경로가 될 수 있다. 이 때 도선(240)이 제2 프로브(220)와 직접 접촉하지는 않는다.
고주파 교류 신호는 루프의 면적을 최소화하는 경로를 따라 흐르려 하므로 검사 대상 도체(200)에서는 신호가 인가된 도선(240) 바로 아래에 전류 밀도가 집중된다.
도 3에서는 도체(300)에 결함이 있는 경우가 도시된다. 제1 프로브(310)의 일단은 도체(300)의 제1 위치에 접촉되고, 제2 프로브(320)는 도체(300)의 제2 위치에 접촉된다. 도선(340)은 제1 프로브(310)의 타단에 연결된다.
도선(340)은 도체(300)와 평행하게 도체(300)의 검사 대상 영역을 가로질러 배치된다. 도선(340)이 도체(300)로부터 이격되는 거리는 매우 짧은 거리이며, 제1 프로브(310)의 길이와 동일할 수 있다.
결함이 제1 위치와 제2 위치 사이에 놓인 경우, 응답 전류 I2는 제1 위치와 제2 위치 간의 직선 경로를 따라 흐를 수 없으므로 결함의 주위를 돌아 흐르는 경로(330)를 따라 흐르게 된다. 경로(330)는 응답 전류 I2가 취할 수 있는 최소 거 리 의 경로이며, 도선(340), 제1 프로브(310), 경로(330), 제2 프로브(320)가 형성하는 전류 경로 루프의 면적을 최소화하는 경로이다.
도 6은 도 3의 전류 루프를 위에서 내려다 본 간략화된 평면도이다.
제1 프로브(310)의 타단을 향해 흐르는 전류 경로는 도선(340)을 따라 형성된다. 제1 위치에서 제2 위치로 흐르는 전류는 결함 때문에 직선으로 흐를 수 없으므로 도선(340)에 가장 가까운 경로인 결함 주위의 경로(330)를 따라 흐른다.
도 6에서는 간단한 설명을 위하여 도선(340)과 도체(300) 간의 이격 거리는 도선(340)의 길이 및 경로(330)의 길이에 비하여 무시할 수 있을 만큼 작다고 가정한다. 응답 전류 I2의 경로가 형성하는 루프는 경로(330)에 의하여 형성되며, 따라서 도 3 및 도 6의 예에서 얻어지는 최소 인덕턴스는 경로(330)에 의하여 형성되는 원의 면적에 근사된다.
도 3 및 도 6에서는 결함의 크기가 상대적으로 커서 제1 위치와 제2 위치 간의 거리와 거의 동일한 수준인 경우가 도시되었다. 도 4에서는 제1 위치와 제2 위치의 사이에 상대적으로 작은 결함(410)이 존재하는 경우가 도시된다.
도체(400)의 제1 위치와 제2 위치 사이에 결함(410)이 존재하는 경우, 응답 전류 I2의 경로는 제1 위치와 제2 위치 간의 직선 경로와, 결함(410)의 주위를 따라 형성되는 곡선 경로(420)의 합성에 의하여 형성된다.
도 2 내지 도 5에서, 응답 전류의 경로는 최소 인덕턴스를 가지도록 형성된다. 응답 전류는 도선(240, 340)으로부터의 거리가 가까운 경로를 따라 흐른다. 이러한 응답 전류의 경로는 기생 저항 (parasitic resistance) R과 인덕턴스 L이 직렬 연결(series connected)된 형태로 나타낼 수 있다.
도 6은 응답 전류의 경로가 나타내는 등가 회로를 도시하는 도면이다. 입력 신호 V1의 주파수를 ω라고 할 때 인덕턴스 L과 주파수 ω에 의한 임피던스는 위상자(phasor) 표현법에 따르면 jωL로 나타내어진다.
전체 임피던스는 기생 저항 R과 인덕턴스에 의한 jωL의 복소수 합으로 표시되므로, 응답 전류 I2는 하기 수학식 3과 같이 나타내어진다.
[수학식 3]
Figure 112009067114967-pat00003
또한 전압 V1과 전류 I2 간의 위상 차이
Figure 112009067114967-pat00004
는 하기 수학식 4와 같이 나타내어진다.
[수학식 4]
Figure 112009067114967-pat00005
상기 수학식 4에 따르면 위상 차이는 인덕턴스 L의 크기에 따라 변하게 되며, 주파수 ω의 크기가 클수록 검사의 민감도(sensitivity)가 높아진다.
다시 도 2 내지 도 5를 참조하면, 결함이 존재하지 않는 경우 인덕턴스의 크기는 검사 장치의 기하(geometry), 즉, 도선(240), 제1 프로브(210), 제2 프로브(220), 도체(200)의 토폴로지(topology)에 의하여 결정된다. 이 때의 위상 차이 를 레퍼런스 위상 차이라고 할 수 있으며, 도체(200)의 성분 및 특성과 주파수 ω에 의하여 미리 예상할 수 있다.
결함이 존재하는 경우 결함 주변에서 발생하는 전류 경로의 교란에 의하여 루프의 면적이 크다. 결함의 크기가 클수록 루프의 면적이 커지며 인덕턴스의 크기도 커진다. 따라서 결함의 크기가 클수록 측정되는 위상 차이가 커진다.
따라서 결함에 의한 위상 차이를 최대화하기 위해서는 검사 장치의 도선(240, 340)이 도체(200, 300)로부터 이격된 거리를 최소화하고, 검사 장치의 구성 요소로 인한 전류 경로 루프의 면적이 최소화되도록 검사 장치를 구성할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 측정되는 위상 차이와 주파수 ω에 대한 레퍼런스 위상 차이를 비교하여 동일하거나 차이가 무시할 수 있을 만큼 작은 경우 검사 대상 영역(101) 내에 결함이 존재하지 않는 것으로 판정할 수 있다. 또한 측정되는 위상 차이와 레퍼런스 위상 차이 간의 차이가 클수록 검사 대상 영역(101) 내의 결함의 크기가 큰 것으로 판정할 수 있다.
신호 인가 장치(120)는 제1 프로브 또는 제2 프로브 중 어느 하나에 고주파 교류 입력 전압 V1을 인가하고, 위상 비교기(130)는 제1 프로브 또는 제2 프로브 중 나머지 하나로부터 출력 전류 I2를 검출한다. 위상 비교기(130)는 검출된 출력 전류 I2와 인가된 고주파 교류 입력 전압 V1 간의 위상 차이를 측정한다.
본 발명의 검사 장치는 고주파 입력 전압 V1의 주파수 ω를 낮은 주파수에서 높은 주파수로, 또는 높은 주파수에서 낮은 주파수로 스윕(sweep)하며 응답 신호를 검출할 수 있다. 주파수 ω의 값 각각에 대하여 레퍼런스 위상 차이가 미리 계산되고, 측정된 위상 차이와 레퍼런스 위상 차이가 비교된다.
기본적으로는 입력 전압의 주파수가 수백 kHz 또는 수 MHz 이상의 높은 주파수 대역인 것이 전제된다. 하지만, 고주파 신호는 표면 효과에 의하여 검사 대상 도체(100)의 표면을 따라 주로 흐르게 되므로 도체(100)의 내부에 발생한 결함이 검출되지 않을 수도 있다. 따라서, 본 발명의 검사 장치는 도체의 표면 효과(skin effect 또는 skin depth)를 고려하여 도체의 내부에 공동(cavity)과 같은 형태로 존재하는 결함을 검출하기 위하여 (고주파 대역 내에서) 상대적으로 낮은 주파수를 선택할 수도 있다.
한편, 도체(100)의 표면에서 작은 결함까지도 검출할 수 있도록 검사의 민감도를 높이기 위해서는 위상 차이가 현저하게 나타나야 하므로 주파수 ω가 높아야 한다.
도체(100) 내부의 결함을 검출할 가능성을 높이면서도 검사의 민감도를 높이기 위하여 신호 발생기(110)는 고주파 대역 내에서 상대적으로 높은 주파수와 상대적으로 낮은 주파수에 대한 응답 신호의 위상 차이를 각각 검출하여 각각의 주파수에 대한 레퍼런스 위상 차이와 비교할 수 있다.
따라서 신호 발생기(110)는 주파수 ω를 낮은 주파수에서 높은 주파수로, 또는 높은 주파수에서 낮은 주파수로 sweep함으로써 도체(100)의 내부에 존재하는 결함의 검출 가능성을 높이면서 표면에 대한 민감도를 높일 수 있다.
위상 비교기(130)는 위상 측정을 다양한 방법으로 수행할 수 있다.
예를 들어 가장 간단한 방법으로는 출력 전류 I2를 작은 저항 Rx를 통해 위상 변화 없이 전압 V2로 변경하거나 전류 센서로 직접 측정한 후 센서의 출력 전압 V2를 획득한다. 그리고, 입력 신호 V1와 출력 신호 V2를 위상 검출기(phase detector)에 입력하면 두 신호의 위상 차이를 측정할 수 있다. 보다 정밀하게는 인가된 신호의 주파수 ω를 고려하여 충분히 빠른 샘플링 속도를 가지는 A/D converter로 입력 신호 V1과 출력 전압 V2를 변환하여 변환된 디지털 데이터를 수집하고 마이크로프로세서가 탑재된 연산 장치에서 두 신호의 위상 차이를 추출할 수 있다.
검사 대상 영역(101)은 제1 위치와 제2 위치 간의 직선 경로를 포함하는 영역으로서, 결함이 제1 위치와 제2 위치 간의 직선 경로를 벗어나 위치하는 경우 그 영향이 약하게 나타날 수도 있다. 이 때 제1 위치 또는 제2 위치 중 적어도 하나를 조정하여 검사 과정을 재수행함으로써 결함의 위치를 추적할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도체의 검사 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 예를 들어 상기 방법은 도체의 검사 장치를 제어하는 컨트롤러, 또는 신호 발생기(110), 신호 인가 장치(120), 위상 비교기(130)를 제어하는 컨트롤러의 메모리에 미리 프로그램되는 소프트웨어/펌웨어의 형태로 제공될 수도 있으며, 프로그램된 순서에 따라 순차적으로 수행될 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령 은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도체 검사 시스템을 도시하는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도체 검사 장치 및 방법을 도시하는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 원리에 따라 전류 경로가 유도되는 모습을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 도체 검사 장치와 검사 대상 도체의 등가 회로를 도시하는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300, 400: 검사 대상 물체 101: 검사 대상 영역
110: 신호 발생기 120: 신호 인가 장치
130: 위상 비교기
140, 141: 도선
210, 310: 제1 프로브, 220, 320: 제2 프로브
240, 340: 전류 경로 유도부(도선) 230, 330, 420: 전류 경로
410: 결함

Claims (8)

  1. 일측은 검사 대상 도체의 제1 위치에 접촉하는 제1 프로브;
    상기 검사 대상 도체의 제2 위치에 접촉하는 제2 프로브;
    상기 제1 프로브의 타측에 연결되며 상기 검사 대상 도체의 검사 대상 영역 위를 평행하게 가로지르도록 형성되는 전류 경로 유도부;
    상기 제1 프로브 또는 상기 제2 프로브 중 어느 하나에 교류 입력 전압을 인가하는 신호 입력부; 및
    상기 제1 프로브 또는 상기 제2 프로브 중 나머지 하나로부터 출력 전류를 검출하고, 상기 검출된 출력 전류와 상기 인가된 교류 입력 전압 간의 위상 차이를 측정하는 위상 측정부
    를 포함하는 도체의 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정된 위상 차이에 기초하여 상기 검사 대상 영역의 결함의 존재 여부 및 상기 결함의 크기를 판정하는 결함 판정부
    를 더 포함하는 도체의 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전류 경로 유도부는
    상기 제1 프로브의 길이만큼 상기 검사 대상 도체로부터 이격되고,
    상기 제1 위치 및 상기 제2 위치 사이에서 상기 검사 대상 영역을 경유하여 흐르는 상기 출력 전류의 경로를 상기 전류 경로 유도부와 가장 가까운 영역으로 유도하는 도체의 검사 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 입력부는
    상기 교류 입력 전압의 주파수를 낮은 주파수에서 높은 주파수로 순차적으로 변경하여 인가하거나, 또는 상기 교류 입력 전압의 주파수를 높은 주파수에서 낮은 주파수로 순차적으로 변경하여 인가하고,
    상기 위상 측정부는
    상기 인가된 각 주파수에 대하여 상기 출력 전류를 검출하고, 상기 검출된 출력 전류와 상기 인가된 교류 입력 전압 간의 위상 차이를 측정하는 도체의 검사 장치.
  5. 검사 대상 도체의 제1 위치에 제1 프로브의 일측을 접촉하는 단계;
    상기 검사 대상 도체의 제2 위치에 제2 프로브의 일측을 접촉하는 단계;
    상기 제1 프로브에 교류 입력 전압을 인가하는 단계;
    상기 제2 프로브로부터 출력 전류를 검출하는 단계;
    상기 검출된 출력 전류와 상기 인가된 교류 입력 전압 간의 위상 차이를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 위상 차이에 기초하여 상기 검사 대상 영역의 결함의 존재 여부 및 상기 결함의 크기를 판정하는 단계
    를 포함하는 도체의 검사 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 프로브에 상기 교류 입력 전압을 인가하는 단계는
    상기 제1 프로브의 타측 또는 상기 제2 프로브의 타측에 연결된 도선이 상기 검사 대상 도체의 검사 대상 영역 위를 평행하게 가로지르도록 유지되고, 상기 검사 대상 영역을 경유하여 흐르는 상기 출력 전류의 경로가 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치를 잇는 최단 경로로 유도된 상태에서 수행되는 도체의 검사 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 프로브에 교류 입력 전압을 인가하는 단계는
    상기 교류 입력 전압의 주파수를 낮은 주파수에서 높은 주파수로 순차적으로 변경하여 인가하거나, 또는 상기 교류 입력 전압의 주파수를 높은 주파수에서 낮은 주파수로 순차적으로 변경하여 인가하고,
    상기 출력 전류를 검출하는 단계 및 상기 위상 차이를 측정하는 단계는
    상기 순차적으로 변경되어 인가된 각 주파수에 대하여 순차적으로 수행되는 도체의 검사 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.
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