KR101289197B1 - 강판의 산화층 두께 측정 장치 및 방법 - Google Patents

강판의 산화층 두께 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

강판의 산화층 두께 측정 장치이 제공된다. 강판의 산화층 두께 측정 장치는, 하나의 광원과, 하나의 광원으로부터 출사된 광을 강판의 스펙트럼을 위한 분광용 측정광과 강판의 컬러 영상 획득을 위한 촬영용 측정광으로 분리하여 강판에 조사하는 광전송용 광섬유모듈과, 분광용 측정광에 의해 강판으로부터 반사된 반사광에 대한 스펙트럼을 얻는 분광기와, 촬영용 측정광에 의해 조사된 영역의 컬러 영상을 촬영하는 영상촬영모듈과, 분광기에 의해 얻어진 스펙트럼 또는 영상촬영모듈에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 강판에 형성된 산화층의 두께를 연산하는 연산모듈을 포함하며, 광전송용 광섬유모듈은, 중심부에 배치되어 분광용 측정광을 조사하는 단일의 광섬유와 단일의 광섬유의 외주면을 따라 배치되어 촬영용 측정광을 조사하는 광섬유다발을 포함할 수 있다. 이를 통해 미세한 박(薄)산화층으로부터 수백 nm 이상의 후(厚)산화층의 영역까지 정밀하게 측정할 수 있는 기술적 효과가 있다.

Description

강판의 산화층 두께 측정 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THICKNESS OF OXIDE LAYER FORMED ON A STEEL PLATE}
본 발명은 강판에 형성된 산화층의 두께를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 산화성 원소(Mn, Al, Si 등)를 다량으로 함유하는 자동차용 고강도 강판을 생산하는 용융아연도금공정에서는 강판의 도금성 향상을 위해 산화환원(pre-oxidation) 공정이 실시된다. 이러한 산화환원공정을 통해 도금성을 향상시키기 위해서는 최적 두께의 산화층을 형성할 필요가 있으며, 이러한 산화층의 두께 제어를 위해서 산화층의 두께를 정밀하게 측정할 필요성이 있다.
상술한 산화환원공정은 DEF(Direct Fired Furnace) 또는 DFI(Direct Fired Impingment) 설비에서 이루어지며, 이와 같은 열처리 설비의 직후단에서 산화층의 두께 측정이 이루어져야 한다. 이와 같은 산화층의 두께 측정을 위해서는 비접촉식 방식을 이용한 간접측정이 필수적이며, 이러한 방식으로 타원편광분광법(spectroscopic ellipsometry), 이중파장 고온계(two color pyrometer), 반사분광법(spectroscopic reflectivity) 등을 이용한 방법이 있다.
이들 중 반사분광법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(10)으로부터 출사된 광대역광을 산화층(11)이 형성된 강판(12)에 입사시킨 후, 강판(12)으로부터 반사되는 반사광을 분광기(13)로 입력시킨다. 이후 분광기(13)에서 얻은 반사스펙트럼의 최대값(보강 간섭) 또는 최소값(상쇄 간섭)에 해당하는 파장을 이용하여 산화층(11)의 두께를 연산하게 된다.
하지만, 상술한 반사분광법은 강판(12) 표면의 어느 특정 지점의 산화(11) 두께만을 측정할 수 있는 원 포인트 측정(one-point-measurement)방식을 채택하고 있으므로, 강판(12) 표면의 산화층(11) 두께가 균일하지 않고 위치에 따른 분포를 가지는 경우에는 한 지점에서의 측정값만으로는 대표성을 확보할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 산화층(11)의 두께가 매우 얇은 박막에 대해서는, 상술한 반사분광법에 의해 산화층(11)의 두께를 정확하게 연산할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 미세한 박(薄) 산화층으로부터 수백 nm 이상의 후(厚) 산화층의 영역까지 정밀하게 측정할 수 있는 강판의 산화층 두께 측정 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 측정 장치의 부피 및 단가를 줄일 수 있는 강판의 산화층 두께 측정 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 제1 실시 형태에 의하면, 하나의 광원; 상기 하나의 광원으로부터 출사된 광을 강판의 스펙트럼을 위한 분광용 측정광과 상기 강판의 컬러 영상 획득을 위한 촬영용 측정광으로 분리하여 강판에 조사하는 광전송용 광섬유모듈; 상기 분광용 측정광에 의해 상기 강판으로부터 반사된 반사광에 대한 스펙트럼을 얻는 분광기; 상기 촬영용 측정광에 의해 조사된 영역의 컬러 영상을 촬영하는 영상촬영모듈; 및 상기 분광기에 의해 얻어진 스펙트럼 또는 상기 영상촬영모듈에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 상기 강판에 형성된 산화층의 두께를 연산하는 연산모듈을 포함하며, 상기 광전송용 광섬유모듈은, 중심부에 배치되어 상기 분광용 측정광을 조사하는 단일의 광섬유; 및 상기 단일의 광섬유의 외주면을 따라 배치되어 상기 촬영용 측정광을 조사하는 광섬유다발을 포함하는 강판의 산화층 두께 측정 장치가 제공된다.
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본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 단일의 광섬유와 상기 광섬유 다발은,
개구수(NA: Numerical Aperture)에 기초하여 구별할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 광섬유다발은,
상기 단일의 광섬유로부터 조사되는 분광용 측정광의 정반사각을 기준으로 하여 다른 크기의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 연산모듈은,
상기 분광기에 의해 얻어진 스펙트럼에 기초하여 산화층의 두께를 연산하되, 연산된 산화층의 두께가 50nm 미만인 경우에는 상기 영상촬영모듈에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 산화층의 두께를 연산할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 연산모듈은,
상기 컬러 영상의 모든 R, G, B 출력값을 평균화하여 하나의 평균 R, G, B 값을 구하고, 상기 하나의 평균 R, G, B 값을 기준으로 상기 강판의 산화층의 두께를 연산할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 영상촬영모듈은,
상기 단일의 광섬유에 의해 상기 강판으로부터 반사된 반사광의 이미지를 제거하기 위한 산광기(diffuser)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 형태에 의하면, 광전송용 광섬유모듈에서, 하나의 광원으로부터 출사된 광을 강판의 스펙트럼을 위한 분광용 측정광과 상기 강판의 컬러 영상 획득을 위한 촬영용 측정광으로 분리하여 강판에 조사하는 단계; 분광기에서, 상기 분광용 측정광에 의해 상기 강판으로부터 반사된 반사광에 대한 스펙트럼을 얻는 단계; 영상촬영모듈에서, 상기 촬영용 측정광에 의해 조사된 영역의 컬러 영상을 촬영하는 단계; 및 연산모듈에서, 상기 분광기에 의해 얻어진 스펙트럼 또는 상기 영상촬영모듈에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 상기 강판에 형성된 산화층의 두께를 연산하는 단계;를 포함하며, 상기 광전송용 광섬유모듈은, 중심부에 배치되어 상기 분광용 측정광을 조사하는 단일의 광섬유; 및 상기 단일의 광섬유의 외주면을 따라 배치되어 상기 촬영용 측정광을 조사하는 광섬유다발을 포함하는 강판의 산화층 두께 측정 방법이 제공된다.
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본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 단일의 광섬유와 상기 광섬유 다발은,
개구수(NA: Numerical Aperture)에 기초하여 구별할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 광섬유다발은,
상기 단일의 광섬유로부터 조사되는 분광용 측정광의 정반사각을 기준으로 하여 다른 크기의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 산화층의 두께를 연산하는 단계는,
상기 컬러 영상의 모든 R, G, B 출력값을 평균화하여 하나의 평균 R, G, B 값을 구하고, 상기 하나의 평균 R, G, B 값을 기준으로 상기 강판의 산화층의 두께를 연산할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 산화층의 두께를 연산하는 단계는,
상기 분광기에 의해 얻어진 스펙트럼에 기초하여 산화층의 두께를 연산하되, 연산된 산화층의 두께가 50nm 미만인 경우에는 상기 영상촬영모듈에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 산화층의 두께를 연산할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 강판의 산화층 두께 측정 방법은,
상기 단일의 광섬유에 의해 상기 강판으로부터 반사된 반사광의 이미지를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 색도 촬상법을 이용하여 상대적으로 넓은 면적의 산화층 색도를 촬상하고 많은 수의 CCD 셀들의 평균값을 이용하면 미세한 산화층의 거동을 모니터링할 수 있다. 따라서, 고강도강과 일반강을 동시에 생산하는 용융아연도금 공정에서는 미세한 박(薄)산화층으로부터 수백 nm 이상의 후(厚)산화층의 영역까지 정밀하게 측정할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 하나의 광원으로부터 출사된 광을 강판의 스펙트럼을 위한 분광용 측정광과 강판의 컬러 영상 획득을 위한 촬영용 측정광으로 활용함으로써, 측정 장치의 부피 및 단가를 줄일 수 있는 기술적 효과가 있다.
도 1은 반사분광법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 강판의 산화층 두께 측정 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광전송용 광섬유모듈을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반사 스펙트럼에서 나타난 최대값과 최소값을 이용한 산화층의 두께 연산을 설명하는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 컬러 영상을 이용하여 산화층의 두께를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 분광기용 측정광에 의한 역광을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 강판의 산화층 두께 측정 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 강판의 산화층 두께 측정 장치의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광전송용 광섬유모듈을 설명하는 도면이다. 한편, 도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반사 스펙트럼에서 나타난 최대값과 최소값을 이용한 산화층의 두께 연산을 설명하는 도면이며, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 컬러 영상을 이용하여 산화층의 두께를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 마지막으로, 도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 분광기용 측정광에 의한 역광을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 강판의 산화층 두께 측정 장치는, 하나의 광원(100)과, 하나의 광원(100)으로부터 출사된 광을 강판(S)의 스펙트럼을 위한 분광용 측정광과 강판(S)의 컬러 영상 획득을 위한 촬영용 측정광으로 분리하여 강판(S)에 조사하는 광전송용 광섬유모듈(110)과, 분광용 측정광에 의해 강판(S)으로부터 반사된 반사광에 대한 스펙트럼을 얻는 분광기(140)와, 촬영용 측정광에 의해 조사된 영역의 컬러 영상을 촬영하는 영상촬영모듈(150)과, 분광기(140)에 의해 얻어진 스펙트럼 또는 영상촬영모듈(150)에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 강판(S)에 형성된 산화층(OL)의 두께를 연산하는 연산모듈(160)을 포함할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 강판의 산화층 두께 측정 장치를 상세하게 설명한다.
우선, 도 2를 참조하면, 광전송용 광섬유모듈(110)은, 하나의 광원(100)으로부터 출사된 광을 분광기(140)를 위한 분광용 측정광과 영상촬영모듈(150)을 위한 촬영용 측정광으로 분리하여 제1 광학모듈(L1)을 통해 강판에 조사할 수 있다.
이를 위해 광전송용 광섬유모듈(110)은, 중심부에 배치되어 분광용 측정광을 조사하는 단일의 광섬유와, 단일의 광섬유의 외주면을 따라 배치되어 촬영용 측정광을 조사하는 광섬유다발을 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시 형태에 의한 광전송용 광섬유모듈(110)을 더욱 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3의 도면부호 110a에 도시된 바와 같이, 광전송용 광섬유모듈(110)은 중심부에 배치되어 분광용 측정광을 조사하는 단일의 광섬유(OP1)와, 단일의 광섬유(OP1)의 외주면을 따라 배치되어 촬영용 측정광을 조사하는 광섬유다발(OP2)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 단일의 광섬유(OP1)와 광섬유다발(OP2)은 개구수(NA: Numerical Aperture)에 의해 구별될 수 있는데, 중심부에 위치한 단일의 광섬유(OP1)는 개구수가 작은 것을, 단일의 광섬유(OP1)의 외주면을 따라 배치되는 광섬유다발(OP2)은 개구수가 큰 것을 사용할 수 있다. 여기서, 개구수(NA)란 일반적으로 광섬유의 특성 파라미터들 중 하나로, 빛이 밖으로 굴절하지 않고 광섬유 내에서 전반사(全反射)하여 전파하는 최대 각도의 정현을 말하며, 개구수(NA)가 클수록 광섬유의 출구에서의 퍼짐각이 커지는 특성이 있다.
따라서, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 광전송용 광섬유모듈(110) 중 중심부에 있는 단일의 광섬유(OP1)는 개구수가 큰 값을 가진 광섬유를 사용하여 퍼짐각을 작게 함으로써, 단일의 광섬유(OP1)로부터 조사된 광이 작은 스폿 사이즈(spot size)로 강판(S) 표면에 집속된 후 반사되어 수광용 광섬유(130)에 높은 효율로 수광될 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 광전송용 광섬유모듈(110) 중 광섬유다발(OP2)은 개구수가 큰 값을 가진 광섬유를 사용하여 퍼짐각을 크게 함으로써, 영상촬영모듈(150)이 강판(S)의 넓은 영역을 고른 밝기를 가지고 촬영할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서는 개구수 0.2 이하는 단일의 광섬유(OP1)로, 0.2 이상은 광섬유다발(OP2)로서 사용하였으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 공정 등 실시 형태에 따라 다양한 기준의 개구수가 사용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 하나의 광원(100)으로부터 출사된 광을 강판(S)의 스펙트럼을 위한 분광용 측정광과 강판(S)의 컬러 영상 획득을 위한 촬영용 측정광으로 활용함으로써, 측정 장치의 부피 및 단가를 줄일 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 광섬유다발(OP2)은, 도 2 및 도 3의 도면부호 110b에 도시된 바와 같이, 단일의 광섬유(OP1)로부터 조사되는 분광용 측정광(SR)의 정반사각(θ1=θ2)을 기준으로 하여, 광섬유다발(OP21, OP22)의 직경을 달리할 수 있다. 예를 들면, 광섬유다발(OP2) 중 어느 하나의 광섬유로부터 조사되는 촬영용 측정광(NSR1, NSR2)의 입사각이 분광용 측정광(SR)의 정반사각(θ1=θ2)의 크기에 가까울수록 작은 직경을 가지도록 하며, 촬영용 측정광(NSR1, NSR2)의 입사각이 분광용 측정광(SR)의 정반사각(θ1=θ2)의 크기에 비해 상대적으로 크기가 작아질수록 큰 직경을 가지도록 할 수 있다. 여기서, 정반사각은 입사각(θ1)과 반사각(θ2)의 크기가 작은 경우의 각도를 말한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 광섬유다발(OP2)의 직경을 달리함으로써, 강판(S)의 넓은 면적에 걸쳐 고른 광이 조사시킬 수 있어 강판(S) 표면의 정확한 컬러 영상을 취득 가능한 기술적 효과가 있다.
다시 도 2를 참조하면, 분광기(140)는 분광용 측정광에 의해 강판(S)으로부터 반사된 반사광의 세기를 수광용 광섬유(130)를 통해 수광한 후 파장별로 구분하여, 도 4와 같은 반사 스펙트럼을 얻을 수 있다. 얻어진 반사광에 대한 반사 스펙트럼은 연산모듈(160)로 전달될 수 있다.
그리고, 영상촬영모듈(150)은 CCD 카메라와 같은 컬러 카메라로, 촬영용 측정광에 의해 조사된 영역의 컬러 영상을 촬영한다. 촬영된 컬러 영상은 연산모듈(160)로 전달될 수 있다.
필요한 경우 영상촬영모듈(150)의 전단에는 산광기(diffuser)(미도시)를 더 포함할 수 있는데, 이와 같은 산광기를 통해 영상촬영모듈(150)을 통해 촬영된 컬러 영상의 밝기 정도를 균일하게 할 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 영상촬영모듈(150)은 영상 처리 과정을 통해 영상의 밝기 정도를 균일하게 할 수 있다. 예를 들면, 영상촬영모듈(150)에서 촬영된 컬러 영상 중에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 분광용 측정광에 의해 강판(S)으로부터 반사된 반사광(R1)이 촬영될 수 있으며, 이 경우 영상촬영모듈(150)은 적절한 영상 처리 알고리즘에 의해 반사광(R1)을 제거할 수 있을 것이다. 상술한 영상 처리 알고리즘은 널리 알려진 기술이므로, 본 발명에서는 상세한 설명은 생략한다.
마지막으로, 연산모듈(160)은 분광기(140)에 의해 얻어진 스펙트럼 또는 영상촬영모듈(150)에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 강판(S)에 형성된 산화층(OL)의 두께를 연산할 수 있다. 구체적으로, 분광기(140)에 의해 얻어진 스펙트럼에 기초하여 산화층(OL)의 두께를 연산하되, 연산된 산화층(OL)의 두께가 50nm 미만인 경우에는 영상촬영모듈(150)에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 산화층(OL)의 두께를 연산할 수 있다.
종래 기술에서 상세하게 설명한 바와 같이, 일반적인 반사분광법에 의할 경우, 산화층(OL)의 두께가 매우 얇은 박막에 대해서는 산화층(OL)의 두께를 정확하게 연산할 수 없다. 따라서, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 산화층(OL)의 두께가 50nm인 경우를 기준으로, 50nm이상에는 분광기(140)에서 얻은 반사 스펙트럼에 기초하여 산화층(OL)의 두께를 연산하되, 50nm 미만의 박막의 경우에는 영상촬영모듈(150)을 통해 얻은 컬러 영상에 기초하여 산화층(OL)의 두께를 연산할 수 있다. 상술한 기준값인 50nm는 당업자의 필요에 따라 변경하여 실시할 수 있음은 물론이다.
이하에서는, 연산모듈(160)에서 산화층의 두께를 측정하는 과정을 상세하게 설명한다.
우선, 연산모듈(160)은, 분광기(140)에서 얻은 반사 스펙트럼에 기초하여 하기의 수학식 1에 따라 산화층(OL)의 두께를 연산할 수 있다.
Figure 112011092081253-pat00001
여기서, d는 산화층의 두께, n은 산화층의 굴절율, λ는 반사 스펙트럼이 최대 또는 최소가 되는 파장, m은 보강 간섭의 차수 또는 상쇄 간섭의 차수를 의미한다. 최소값의 경우 위 수학식 1에서 m=1, 3, 5,...를 대입하고, 최대값의 경우 위 수학식 1에서 m=2, 4, 6,..을 대입하여 산화층의 두께를 연산한다. 즉, m=1, 3, 5, ..는 각각 1차, 2차, 3차, ..의 상쇄 간섭을, m=2, 4, 6,..은 각각 1차, 2차, 3차, ..의 보강 간섭을 나타낸다.
예를 들면, 분광기(140)에서 얻은 반사 스펙트럼이 도 4에 도시된 바와 같다고 가정하면, 그 크기가 최소가 되는 파장(Min)은 700nm, 최대가 되는 파장(Max)이 400nm일 수 있다. 또한, 반사 스펙트럼의 보강 간섭 또는 상쇄 간섭의 차수가 1차라고 가정하면, 보강 간섭의 차수로부터 구한 산화층(OL)의 두께는 (1×700nm)/(4×2.2)=7.95nm이다. 또한, 상쇄 간섭의 차수로부터 구한 산화층(OL)이 두께는 (2×400nm)/(4×2.2)=9.09nm로 양 수치가 거의 유사하게 구해짐을 알 수 있다(여기서,산화층의 굴절율(n)은 2.2로 놓음).
하지만, 연산모듈(160)에서 연산된 산화층(OL)의 두께가 50nm미만인 경우에는 반사 스펙트럼으로부터 구한 산화층(OL)의 두께가 정확하지 않을 수 있다. 따라서, 연산모듈(160)은 영상촬영모듈(150)에서 획득한 컬러 영상으로부터 산화층(OL)의 두께를 연산할 수 있다. 이하 컬러 영상으로부터 산화층(OL)의 두께를 연산하는 방법을 상세하게 설명한다.
도 5의 (a)를 참조하면, 산화층(OL)의 두께에 따라 표면 색도가 변함을 알 수 있다. 이는 산화층(OL)에 의한 빛의 간섭에 의한 결과이며, 간섭 결과 가시광선 영역의 R(red), G(green),B(blue) 성분의 반사도가 산화층 두께에 따라 달라지기 때문이다.
산화층(OL)의 두께에 따른 색도 변화를 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다. 산화층(OL)이 얇을 경우에는 은회색을 띠며 산화층(OL)이 두꺼워 질수록 황색, 자색, 청색, 주황색, 황회색, 회색, 암회색 등으로 바뀐다. 산화층(OL)이 얇을 경우에는 두께에 따라 스펙트럼의 기울기만 변하므로 가시광선 영역의 R,G,B 성분의 변화가 서로 간단하고 해석적인 관계를 갖는다. 그러나 산화층이 두꺼워지면 이 R,G,B 성분의 변화가 매우 복잡하여 색도와 산화층 두께 간의 상관성을 확보가 매우 어렵다. 따라서 색도 관찰에 의한 방법은 극박 산화층에만 적용이 가능하다.
상기에서 설명한 바와 같이 극박 산화층은 간섭효과가 작기 때문에 산화층의 색도변화도 미세하다. 따라서 산화층 두께측정 분해능(resolution)을 높이기 위해서는 미세한 색도변화의 정량적 정밀 측정이 필수적이다. 측정 정도 향상에는 주로 평균화 기법이 많이 이용된다. 그리고 색도를 정량화하는 방법은 R(red),G(green),B(blue)로 분해한 후 각각의 함량을 수치화하는 것이다.
이와 같은 정량화와 평균화를 통한 정밀측정에 있어서 컬러 카메라와 같은 영상촬영모듈(150)를 이용하면 용이하게 그 목적을 달성할 수 있다. 컬러 카메라(150)는 많은 수의 CCD 셀로 구성되어 있으며 세 개의 그룹으로 구성되어 균일하게 분포되어 있다. 각각의 그룹의 셀들은 그룹별로 R,G,B 중 하나의 색의 세기를 출력한다. 컬러 카메라(150)의 각각의 셀들은 강판 산화층(OL)의 표면의 촬상 영역의 하나의 지점에 해당한다. 따라서 컬러 카메라(150)의 CCD 셀들의 출력 값들을 R,G,B 별로 평균하면 촬상 영역의 전체 면적의 색도를 평균한 결과를 얻을 수 있다. 이와 같은 평균화된 R,G,B 각각의 대표 값(평균값)을 이용하면 정밀하고 정량화된 색도를 얻을 수 있고, 연산모듈(160)는 이로부터 극박 산화층 두께를 정밀하게 측정할 수 있는 것이다.
이를 위해 생산라인에서 생산되는 강종 별로 산화층이 없는 표준시편(강판)을 제작하고 이 표준시편의 표면을 촬상한 후, 전술한 바와 같은 방법으로 평균 RF,GF,BF 값을 얻고 이를 색도 기준 값으로 사용한다. 이 색도 기준 값을 산화층(OL)이 있는 도금강판(S)에서 얻은 R,G,B 평균값에서 제외하면 더욱 정확한 두께측정이 가능해진다.
도 5의 (b) 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 산화층 두께 측정 장치의 색도 촬상법을 이용한 산화층의 두께 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 카메라(도 2의 150)에서 강판(S)의 이미지를 획득한 후(S600), 획득된 칼라 이미지를 강판(S)의 폭 방향으로 N등분한다(S601). 이때 각각의 분할된 영역(section n)의 색도를 평균화하고 정량화한다(S602). 즉, 각각의 분할된 영역 (예를 들어 n번째 분할 영역)들은 각각 하나의 R,G,B 평균값을 갖는다. 이와 같이 산출된 R,G,B 평균값에서 표준시편의 기준 색도 값(RF,GF,BF)값을 빼준 후 조명 광의 R,G,B 값(RL,GL,BL)으로 규격화한다(S603).
이로써 총 N개의 분할 영역(section)은 각각 최종적인 R,G,B 값을 얻게 되고 이를 통해 각각 산화층 두께 값을 얻을 수 있다(S604). 그리고 각각의 분할 영역이 갖는 최종 R,G,B 평균값을 이용하여, 그 색상을 표현(S605)하여 조업 참고용으로 제공한다.
합금원소 함량이 높은 고강도강 강판의 경우에는 상대적으로 두꺼운 Fe 산화층을 미리 형성시킨 후 다시 환원시킴으로써 도금성을 향상시키지만, 이외의 일반강의 경우에는 미세한 표면 산화층이 오히려 도금 결함의 원인이 된다.
따라서 일반강을 생산하는 경우에는 표면 산화층의 형성을 방지해야 하며 이를 위해 산화층 형성여부를 정밀하게 모니터링할 필요가 있다. 본 발명의 색도 촬상법은 얇은 산화층에 적용이 가능하며 상대적으로 넓은 영역에 대해 촬상할 수 있으므로 강판 폭 방향 분포를 측정하는데 용이한 장점이 있다.
한편, 종래의 기술은 강판 표면상 어느 특정 지점의 산화층 두께만을 측정할 수 있는 원 포인트 측정(one-point-measurement)방식을 채택하고 있으므로, 강판 표면의 산화층 두께가 균일하지 않고 위치에 따른 분포를 가지고 있는 경우에는 한 지점에서 측정 값만으로는 대표성을 확보할 수 없다. 실례로 CGL 라인에서 산화층을 제어하는 열처리 설비는 강판의 폭 방향으로 나열된 다수의 버너를 이용한다. 따라서 강판 폭 방향으로 산화층 두께가 다를 가능성이 상존한다. 적절한 두께의 산화층이 강판 전체에 걸쳐 고르게 형성되는 것이 최적이므로, 강판 폭 방향의 산화층 두께분포 측정은 열처리 설비의 제어에 매우 중요하다.
그러나 본 발명의 색도 촬상법은 칼라 이미지를 도금강판(S)의 폭 방향으로 획득하고 이들의 산화층 두께를 측정할 수 있도록 함으로써, 상기의 요구 조건을 충족시켜 줄 수 있다.
그리고 고강도강과 일반강을 동시에 생산하는 용융아연도금 공장에서는 미세한 박(薄)산화층으로부터 수백 nm 이상의 후(厚)산화층의 영역까지 측정할 수 있는 측정장치가 필요한데, 본 발명의 색도 촬상법은 상대적으로 넓은 면적의 산화층 색도를 촬상하고 많은 수의 CCD 셀들의 평균값을 이용하면 미세한 산화층의 거동을 모니터링할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 반사 갑섭광 분광법과 색도 촬상법을 융합하여, 박(薄)산화층으로부터 수백 nm 이상의 후(厚)산화층까지 측정이 가능케 함으로써 일반 강과 고강도강을 동시에 생산하는 생산라인에서의 보다 다양하고 높은 활용도로 적용할 수 있도록 한다.
마지막으로, 도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 강판의 산화층 두께 측정 방법을 설명하는 흐름도이다. 발명의 간명화를 위해 도 2 내지 도 7에서 설명된 사항과 중복된 설명은 생략한다.
도 2 및 도 8을 참조하면, 우선 광전송용 광섬유모듈(110)은 하나의 광원(100)으로부터 출사된 광을 강판(S)의 스펙트럼을 위한 분광용 측정광과 강판(S)의 컬러 영상 획득을 위한 촬영용 측정광으로 분리하여 강판에 조사할 수 있다(S800).
이후, 분광기(140)은 분광용 측정광에 의해 강판(S)으로부터 반사된 반사광에 대한 반사 스펙트럼을 얻을 수 있다(S801). 얻은 반사 스펙트럼은 연산모듈(160)로 전달될 수 있다.
그리고, 영상촬영모듈(150)은 CCD 카메라와 같은 컬러 카메라로, 촬영용 측정광에 의해 조사된 영역의 컬러 영상을 촬영한다. 촬영된 컬러 영상은 연산모듈(160)로 전달될 수 있다.
필요한 경우 영상촬영모듈(150)의 전단에는 산광기(diffuser)(미도시)를 더 포함할 수 있는데, 이와 같은 산광기를 통해 영상촬영모듈(150)을 통해 촬영된 컬러 영상의 밝기 정도를 균일하게 할 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 영상촬영모듈(150)은 영상 처리 과정을 통해 영상의 밝기 정도를 균일하게 할 수 있다. 예를 들면, 영상촬영모듈(150)에서 촬영된 컬러 영상 중에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 분광용 측정광에 의해 강판(S)으로부터 반사된 반사광(R1)이 촬영될 수 있으며, 이 경우 영상촬영모듈(150)은 적절한 영상 처리 알고리즘에 의해 반사광(R1)을 제거할 수 있을 것이다. 상술한 영상 처리 알고리즘은 널리 알려진 기술이므로, 본 발명에서는 상세한 설명은 생략한다.
마지막으로, 연산모듈(160)은 분광기(140)에 의해 얻어진 스펙트럼 또는 영상촬영모듈(150)에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 강판(S)에 형성된 산화층(OL)의 두께를 연산할 수 있다. 구체적으로, 분광기(140)에 의해 얻어진 스펙트럼에 기초하여 산화층(OL)의 두께를 연산하되, 연산된 산화층(OL)의 두께가 50nm 미만인 경우에는 영상촬영모듈(150)에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 산화층(OL)의 두께를 연산할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 하나의 광원으로부터 출사된 광을 강판의 스펙트럼을 위한 분광용 측정광과 강판의 컬러 영상 획득을 위한 촬영용 측정광으로 활용함으로써, 측정 장치의 부피 및 단가를 줄일 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 색도 촬상법을 이용하여 상대적으로 넓은 면적의 산화층 색도를 촬상하고 많은 수의 CCD 셀들의 평균값을 이용하면 미세한 산화층의 거동을 모니터링할 수 있다. 따라서, 고강도강과 일반강을 동시에 생산하는 용융아연도금 공정에서는 미세한 박(薄)산화층으로부터 수백 nm 이상의 후(厚)산화층의 영역까지 정밀하게 측정할 수 있는 기술적 효과가 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
10, 100: 광원 11, OL: 산화층
12, S: 강판 13: 분광기
110, 110a, 110b: 광전송용 광섬유모듈 130: 수광용 광섬유
140: 분광기 150: 영상촬영모듈
160: 연산모듈 400: 반사 스펙트럼
L1, L2: 광학계 OP1: 단일의 광섬유
OPP21, OPP22: 광섬유다발

Claims (14)

  1. 하나의 광원;
    상기 하나의 광원으로부터 출사된 광을 강판의 스펙트럼을 위한 분광용 측정광과 상기 강판의 컬러 영상 획득을 위한 촬영용 측정광으로 분리하여 강판에 조사하는 광전송용 광섬유모듈;
    상기 분광용 측정광에 의해 상기 강판으로부터 반사된 반사광에 대한 스펙트럼을 얻는 분광기;
    상기 촬영용 측정광에 의해 조사된 영역의 컬러 영상을 촬영하는 영상촬영모듈; 및
    상기 분광기에 의해 얻어진 스펙트럼 또는 상기 영상촬영모듈에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 상기 강판에 형성된 산화층의 두께를 연산하는 연산모듈을 포함하며,
    상기 광전송용 광섬유모듈은,
    중심부에 배치되어 상기 분광용 측정광을 조사하는 단일의 광섬유; 및 상기 단일의 광섬유의 외주면을 따라 배치되어 상기 촬영용 측정광을 조사하는 광섬유다발을 포함하는 강판의 산화층 두께 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단일의 광섬유와 상기 광섬유 다발은,
    개구수(NA: Numerical Aperture)에 기초하여 구별되는 강판의 산화층 두께 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유다발은,
    상기 단일의 광섬유로부터 조사되는 분광용 측정광의 정반사각을 기준으로 하여 다른 크기의 직경을 가지는 강판의 산화층 두께 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연산모듈은,
    상기 분광기에 의해 얻어진 스펙트럼에 기초하여 산화층의 두께를 연산하되, 연산된 산화층의 두께가 50nm 미만인 경우에는 상기 영상촬영모듈에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 산화층의 두께를 연산하는 강판의 산화층 두께 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연산모듈은,
    상기 컬러 영상의 모든 R, G, B 출력값을 평균화하여 하나의 평균 R, G, B 값을 구하고, 상기 하나의 평균 R, G, B 값을 기준으로 상기 강판의 산화층의 두께를 연산하는 강판의 산화층 두께 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 영상촬영모듈은,
    상기 단일의 광섬유에 의해 상기 강판으로부터 반사된 반사광의 이미지를 제거하기 위한 산광기(diffuser)를 더 포함하는 강판의 산화층 두께 측정 장치.
  8. 광전송용 광섬유모듈에서, 하나의 광원으로부터 출사된 광을 강판의 스펙트럼을 위한 분광용 측정광과 상기 강판의 컬러 영상 획득을 위한 촬영용 측정광으로 분리하여 강판에 조사하는 단계;
    분광기에서, 상기 분광용 측정광에 의해 상기 강판으로부터 반사된 반사광에 대한 스펙트럼을 얻는 단계;
    영상촬영모듈에서, 상기 촬영용 측정광에 의해 조사된 영역의 컬러 영상을 촬영하는 단계; 및
    연산모듈에서, 상기 분광기에 의해 얻어진 스펙트럼 또는 상기 영상촬영모듈에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 상기 강판에 형성된 산화층의 두께를 연산하는 단계;를 포함하며,
    상기 광전송용 광섬유모듈은,
    중심부에 배치되어 상기 분광용 측정광을 조사하는 단일의 광섬유; 및 상기 단일의 광섬유의 외주면을 따라 배치되어 상기 촬영용 측정광을 조사하는 광섬유다발을 포함하는 강판의 산화층 두께 측정 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 단일의 광섬유와 상기 광섬유 다발은,
    개구수(NA: Numerical Aperture)에 기초하여 구별되는 강판의 산화층 두께 측정 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 광섬유다발은,
    상기 단일의 광섬유로부터 조사되는 분광용 측정광의 정반사각을 기준으로 하여 다른 크기의 직경을 가지는 강판의 산화층 두께 측정 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 산화층의 두께를 연산하는 단계는,
    상기 분광기에 의해 얻어진 스펙트럼에 기초하여 산화층의 두께를 연산하되, 연산된 산화층의 두께가 50nm 미만인 경우에는 상기 영상촬영모듈에 의해 촬영된 컬러 영상에 기초하여 산화층의 두께를 연산하는 강판의 산화층 두께 측정 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 산화층의 두께를 연산하는 단계는,
    상기 컬러 영상의 모든 R, G, B 출력값을 평균화하여 하나의 평균 R, G, B 값을 구하고, 상기 하나의 평균 R, G, B 값을 기준으로 상기 강판의 산화층의 두께를 연산하는 강판의 산화층 두께 측정 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 강판의 산화층 두께 측정 방법은,
    상기 단일의 광섬유에 의해 상기 강판으로부터 반사된 반사광의 이미지를 제거하는 단계를 더 포함하는 강판의 산화층 두께 측정 방법.
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