KR101314530B1

KR101314530B1 - 접촉각 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101314530B1
Application number: KR1020120020014A
Authority: KR
Inventors: 양성; 이동희
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-10-04

Abstract

접촉각 측정 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 접촉각 측정 장치는, 접촉각 측정의 대상인 액적의 상면 이미지를 제공하는 제1 광학부, 상기 액적의 측면 이미지를 제공하는 제2 광학부 및 상기 상면 이미지와 상기 측면 이미지를 동시에 획득하는 영상부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 액적의 접촉각을 보다 정확하게 측정할 수 있다.

Description

접촉각 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING CONTACT ANGLE}

본 발명은 접촉각 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액적으로부터 획득한 이미지를 이용하여 접촉각을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

접촉각이란 액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 이루는 각을 말하며, 접촉각은 고체 표면의 젖음성을 나타내는 척도로서, 대부분 고착된 물방울, 즉 액적으로 측정한다.

종래에는 이러한 접촉각을 측정하기 위하여, 소정 부피를 가지는 액적을 공급하는 공급부, 공급부에서 공급된 액적이 위치하는 스테이지 및 스테이지에 위치한 액적을 촬영하는 카메라 등을 포함하는 측정 장치를 이용하였다.

이러한 측정 장치를 통해, 주로 공급부에서 스테이지로 공급된 액적의 측면 이미지를 카메라로 촬영하고, 촬영한 측면 이미지로부터 액적의 끝단에서 접선각을 측정하고, 측정한 접선각을 액적의 접촉각으로 사용하였다. 또한, 20도 미만의 접촉각을 갖는 높은 친수성 영역과 120도 이상의 접촉각을 갖는 높은 소수성 영역에 있어서, 액적의 접선각을 정량화하고 자동화하는 데 어려움이 있어 수작업을 통해 접촉각을 측정해야 하는 어려움이 있었다.

이와 같이, 종래 접촉각 측정 장치는 액적의 측면 이미지의 영상 처리를 통해 액적의 끝단에서 접촉각을 측정하므로, 표면의 젖음성을 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 액적의 측면 이미지를 획득하기 위하여 액적을 공급하는 공급부, 스테이지, 카메라 등을 포함하는 고가의 시스템을 필요로 하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 액적의 상면 및 측면 이미지를 기반으로 접촉각을 측정하는 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 현미경과 같은 기존의 광학 장치를 활용하여 액적의 접촉각을 간편하고 효율적으로 측정하기 위한 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 액적의 상면 및 측면 이미지를 기반으로 넓은 범위의 젖음성을 갖는 표면의 접촉각을 측정하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 접촉각 측정의 대상인 액적의 상면 이미지를 제공하는 제1 광학부, 상기 액적의 측면 이미지를 제공하는 제2 광학부 및 상기 상면 이미지와 상기 측면 이미지를 동시에 획득하는 영상부를 포함한다.

여기서, 상기 접촉각 측정 장치는, 상기 영상부가 동시에 획득한 상기 상면 이미지와 상기 측면 이미지를 기반으로 상기 액적의 접촉각을 획득하는 처리부를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 광학부는, 상기 액적의 상방에 위치하며, 상기 액적으로부터 제공되는 상기 상면 이미지의 전송 방향을 변경하는 제1a 반사부 및 상기 제1a 반사부와 마주보게 위치하며, 상기 제1a 반사부에서 제공되는 상기 상면 이미지를 상기 영상부에 제공하는 제1b 반사부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제2 광학부는, 상기 액적의 측방에 위치하며, 상기 액적으로부터 제공되는 상기 측면 이미지의 전송 방향을 변경하는 제2a 반사부, 상기 제2a 반사부와 마주보게 위치하며, 상기 제2a 반사부에서 제공되는 상기 측면 이미지의 전송 방향을 변경하는 제2b 반사부 및 상기 제2b 반사부와 마주보게 위치하며, 상기 제2b 반사부에서 제공되는 상기 측면 이미지를 상기 영상부에 제공하는 제2c 반사부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 광학부 및 상기 제2 광학부는, 상기 액적에서 상기 제1 광학부를 거쳐 상기 영상부에 이르는 광축 거리와 상기 액적에서 상기 제2 광학부를 거쳐 상기 영상부에 이르는 광축 거리가 동일하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 영상부는, 현미경, CCD(Charge-Coupled Device) 카메라, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 카메라 중 하나를 사용하는 것을 특징으로 하며, 영상부로 현미경을 사용하는 것이 대표적인 사용예이다.

여기서, 상기 처리부는, 상기 상면 이미지로부터 상기 액적의 직경을 획득하고, 상기 측면 이미지로부터 상기 액적의 높이를 획득하고, 상기 액적의 직경과 상기 액적의 높이를 기반으로 상기 액적의 접촉각을 획득하는 것을 특징으로 한다.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는, 접촉각 측정의 대상인 액적의 상면 이미지와 측면 이미지를 동시에 획득하는 단계, 상기 상면 이미지로부터 상기 액적의 직경을 획득하는 단계, 상기 측면 이미지로부터 상기 액적의 높이를 획득하는 단계 및 획득한 상기 액적의 크기 정보를 기반으로 상기 액적의 형상에 따라 상기 액적의 접촉각을 획득하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 액적의 직경을 획득하는 단계는, 상기 액적의 측면 이미지로부터 직경이 가장 큰 위치를 검출하는 단계, 직경이 가장 큰 위치가 상기 액적의 밑면인 경우, 상기 액적의 부피 및 직경을 기반으로 상기 액적의 접촉각을 획득하는 단계 및 직경이 가장 큰 위치가 상기 액적의 밑면보다 높은 위치인 경우, 상기 액적의 부피 및 높이를 기반으로 상기 액적의 접촉각을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 액적의 상면 및 측면 이미지를 동시에 획득할 수 있고, 액적의 상면 이미지로부터 획득한 액적의 직경과 액적의 측면 이미지로부터 획득한 액적의 높이를 기반으로 액적의 접촉각을 측정한다. 액적의 높이와 직경은 획득한 이미지의 영상처리, 렌즈의 배율 및 거리를 기반으로 정확한 값을 측정할 수 있으나, 액적의 접촉각을 측정하는 것은 접선을 형성하는 두 점의 선정에 따라 오차가 존재하는 문제점이 있고, 초친수성 및 초소수성의 표면 특성을 갖는 재료의 접촉각 측정에 있어서 상당히 부정확한 문제점이 있었다. 액적의 높이와 직경을 이용한 접촉각 측정방식은 영상처리 과정에서의 오차가 작은 값을 이용하여 쉽게 산출할 수 있기 때문에 액적의 측면 이미지를 기반으로 액적의 끝단에서 접촉각을 측정하는 방식보다 다양한 범위의 표면 젖음성을 더 정확하게 평가할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 접촉각 측정 장치는 영상부를 별도로 구비하지 않고서도 액적의 접촉각을 측정할 수 있으므로 종래 접촉각 측정 장치에 비하여 경제적이다. 아울러, 영상부 없이도 본 발명에 따른 접촉각 측정 장치를 구현할 수 있으므로 접촉각 측정 장치를 소형화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 접촉각 측정 장치를 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 접촉각 측정 장치를 도시한 개념도이다.
도 3은 액적의 측면 이미지를 도시한 개념도이다.
도 4는 액적의 다른 측면 이미지를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 접촉각 측정 방법을 도시한 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 접촉각 측정 장치를 도시한 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 접촉각 측정 장치는 제1 광학부(10), 제2 광학부(20), 영상부(30) 및 처리부(40)를 포함할 수 있다. 제1 광학부(10)는 접촉각 측정의 대상인 액적의 상면 이미지를 영상부(30)에 제공할 수 있고, 제2 광학부(20)는 액적의 측면 이미지를 영상부(30)에 제공할 수 있다. 영상부(30)는 제1 광학부(10)로부터 액적의 상면 이미지를 제공 받는 것과 동시에 제2 광학부(20)로부터 액적의 측면 이미지를 제공받을 수 있다. 즉, 영상부(30)는 액적의 상면 이미지와 측면 이미지를 동시에 획득할 수 있다. 처리부(40)는 영상부(30)가 획득한 액적의 상면 이미지와 측면 이미지를 기반으로 액적의 접촉각을 획득할 수 있다. 이때, 처리부(40)는 소정의 영상 처리 과정을 거친 액적의 상면 이미지로부터 액적의 직경을 획득하고, 소정의 영상 처리 과정을 거친 액적의 측면 이미지로부터 액적의 높이를 획득하고, 획득한 액적의 직경과 높이를 기반으로 액적의 접촉각을 획득할 수 있다.

본 발명에서는 영상부(30)와 처리부(40)가 서로 독립된 부분으로서 개시되지만, 영상부(30)와 처리부(40)는 하나의 단일한 형태, 하나의 물리적인 장치 또는 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 이뿐만 아니라, 영상부(30)와 처리부(40)가 각각 하나의 물리적인 장치 또는 집단이 아닌 복수의 물리적 장치 또는 집단으로 구현될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 접촉각 측정 장치를 도시한 개념도이다.

도 2를 참조하면, 액적은 시린지(Syringe)(미도시)를 통해 스테이지(50)로 공급되고, 제1 광학부(10)는 스테이지(50)에 위치한 액적의 상면 이미지를 영상부(30)에 제공하고, 제2 광학부(20)는 스테이지(50)에 위치한 액적의 측면 이미지를 영상부(30)에 제공한다.

제1 광학부(10)는 제1a 반사부(11), 제1b 반사부(12)를 포함할 수 있고, 제1 광원(미도시)을 더 포함할 수 있다. 제1 광원은 액적의 하측, 즉 스테이지(50)의 내부에 위치할 수 있으며, 제1 광원은 광을 발생시켜 액적의 상면 이지미가 제1a 반사부(11), 제1b 반사부(12)를 거쳐 영상부(30)로 제공되도록 할 수 있다. 여기서, 제1 광원으로 할로겐 램프, 형광 램프, 수은 램프, 형광수은 램프, 메탈할라이드 램프, 크세논 램프, 저압나트륨 램프, 고압나트륨 램프, LED(Light Emitting Diode) 등을 사용할 수 있다.

제1a 반사부(11)는 액적 또는 스테이지(50)의 상방(上方)에 위치하며, 액적의 상면 이미지를 제1b 반사부(12)에 제공하기 위하여 액적의 상면 이미지의 진행 방향(또는, 전송 방향)을 변경한다. 즉, 제1a 반사부(11)는 액적으로부터 제공된 '광축 A'가 '광축 B'방향으로 진행하도록 진행 방향을 변경할 수 있다. 제1a 반사부(11)는 '광축 A'의 진행 방향에 위치할 수 있으며, 제1a 반사부(11)는 '광축 A'와 '광축 B'가 이루는 각이 직각이 되도록 형성될 수 있다.

제1b 반사부(12)는 제1a 반사부(11)와 마주보게 위치하며, 액적의 상면 이미지를 영상부(30)에 제공하기 위하여 제1a 반사부(11)로부터 제공된 액적의 상면 이미지의 진행 방향을 변경한다. 즉, 제1b 반사부(12)는 제1a 반사부(11)로부터 제공된 '광축 B'가 '광축 C'방향으로 진행하도록 진행 방향을 변경할 수 있다. 제1b 반사부(12)는 '광축 B'의 진행 방향에 위치할 수 있으며, 제1b 반사부(12)는 '광축 B'와 '광축 C'가 이루는 각이 직각이 되도록 형성될 수 있다.

제1a 반사부(11)와 제1b 반사부(12)로 거울을 사용할 수 있으며, 이로 인해 제1a 반사부(11)로 입사되는 '광축 A'는 거울반사 또는 정반사되어 '광축 B'와 같이 진행하고, 제1b 반사부(12)로 입사되는 '광축 B'는 거울반사 또는 정반사되어 '광축 C'와 같이 진행한다.

제2 광학부(20)는 제2a 반사부(21), 제2b 반사부(22), 제2c 반사부(23)를 포함할 수 있고, 제2 광원(미도시)을 더 포함할 수 있다. 제2 광원은 액적의 측방(側方)에 위치할 수 있으며, 제2 광원은 광을 발생시켜 액적의 측면 이지미가 제2a 반사부(21), 제2b 반사부(22), 제2c 반사부(23)를 거쳐 영상부(30)로 제공되도록 할 수 있다. 여기서, 제2 광원으로 할로겐 램프, 형광 램프, 수은 램프, 형광수은 램프, 메탈할라이드 램프, 크세논 램프, 저압나트륨 램프, 고압나트륨 램프, LED 등을 사용할 수 있다.

제2a 반사부(21)는 액적의 측방에 위치하며, 액적의 측면 이미지를 제2b 반사부(22)에 제공하기 위하여 액적의 측면 이미지의 진행방향을 변경한다. 즉, 제2a 반사부(21)는 액적으로부터 제공된 '광축 c'가 '광축 d'방향으로 진행하도록 진행 방향을 변경할 수 있다. 제2a 반사부(21)는 '광축 c'의 진행 방향에 위치할 수 있으며, 제2a 반사부(21)는 '광축 c'와 '광축 d'가 이루는 각이 직각이 되도록 형성될 수 있다.

제2b 반사부(22)는 제2a 반사부(21)와 마주보게 위치하며, 액적의 측면 이미지를 제2c 반사부(23)에 제공하기 위하여 제2a 반사부(21)로부터 제공된 액적의 측면 이미지의 진행방향을 변경한다. 즉, 제2b 반사부(22)는 제2a 반사부(21)로부터 입사된 '광축 c'가 '광축 d'방향으로 진행하도록 진행 방향을 변경할 수 있다. 제2b 반사부(22)는 '광축 d'의 진행 방향에 위치할 수 있으며, 제2b 반사부(22)는 '광축 d'와 '광축 e'가 이루는 각이 직각이 되도록 형성될 수 있다.

제2c 반사부(23)는 제2b 반사부(22)와 마주보게 위치하며, 액적의 측면 이미지를 영상부(30)에 제공하기 위하여 제2b 반사부(22)로부터 제공된 액적의 측면 이미지의 진행방향을 변경한다. 즉, 제2c 반사부(23)는 제2b 반사부(22)로부터 입사된 '광축 e'가 '광축 f'방향으로 진행하도록 진행 방향을 변경할 수 있다. 제2c 반사부(23)는 '광축 e'의 진행 방향에 위치할 수 있으며, 제2c 반사부(23)는 '광축 e'와 '광축 f'가 이루는 각이 직각이 되도록 형성될 수 있다.

제2a 반사부(21), 제2b 반사부(22), 제2c 반사부(23)로 거울을 사용할 수 있으며, 이로 인해 제2a 반사부(21)로 입사되는 '광축 c'는 거울반사 또는 정반사되어 '광축 d'와 같이 진행하고, 제2b 반사부(22)로 입사되는 '광축 d'는 거울반사 또는 정반사되어 '광축 e'와 같이 진행하고, 제2c 반사부(23)로 입사되는 '광축 e'는 거울반사 또는 정반사되어 '광축 f'와 같이 진행한다.

제1 광학부(10) 및 제2 광학부(20)는, 액적에서 제1 광학부(10)를 거쳐 영상부(30)에 이르는 제1 광축 거리(A+B+C+D+E)와 액적에서 제2 광학부(20)를 거쳐 영상부(30)에 이르는 제2 광축 거리(a+b+c+d+e+f)가 동일하도록 형성된다. 즉, 제1 광축 거리와 제2 광축거리가 동일하도록 제1a 반사부(11), 제1b 반사부(12), 제2a 반사부(21), 제2b 반사부(22), 제2c 반사부(23)를 접촉각 측정 장치에 위치시킴으로써, 제1 광학부(10)를 통해 영상부(30)로 제공되는 액적의 상면 이미지와 제2 광학부(20)를 통해 영상부(30)로 제공되는 액적의 측면 이미지의 초점 및 스케일이 동일하게 된다.

구체적으로 '제1 광축 거리 = 제2 광축 거리(즉, A+B+C+D+E = a+b+c+d+e+f)'의 관계에서, '광축 A = 광축 C', '광축 B = 광축 a', '광축 D = 광축 d', '광축 E= 광축 f', '광축 c = 광축 e'이고 액적의 높이 'H'는 무시할 수 있으므로, 결국 '2A = b + 2c'로 나타낼 수 있다. 따라서, '광축 A', '광축 C', '광축 b', '광축 c', '광축 e'의 조절을 통해 제1 광축 거리와 제2 광축 거리가 동일하도록 구성할 수 있고, 이에 따라 제1a 반사부(11), 제1b 반사부(12), 제2a 반사부(21), 제2b 반사부(22), 제2c 반사부(23)를 위치시킴으로써, 제1 광학부(10)를 통해 영상부(30)로 제공되는 액적의 상면 이미지와 제2 광학부(20)를 통해 영상부(30)로 제공되는 액적의 측면 이미지의 초점 및 스케일을 동일하게 할 수 있다.

영상부(30)는 제1 광학부(10)로부터 제공된 액적의 상면 이미지와 제2 광학부(20)로부터 제공된 액적의 측면 이미지를 동시에 획득할 수 있다. 영상부(30)는 제1 광학부(10)에 의해 제공되는 '광축 E'와 제2 광학부(20)에 의해 제공되는 '광축 f'의 진행 방향에 위치할 수 있으며, 영상부(30)로 현미경, CCD(Charge-Coupled Device) 카메라, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 카메라 중 하나를 사용할 수 있다.

이와 같이 영상부(30)로 현미경을 사용할 수 있으므로, 제1 광학부(10) 및 제2 광학부(20)를 포함하는 접촉각 측정 장치를 현미경 위에 올려놓고 사용할 수 있다. 이때 현미경으로 도립현미경(Inverted Microscope)을 사용할 수 있다.

따라서, 제1 광학부(10) 및 제2 광학부(20)를 포함하는 접촉각 측정 장치와 현미경을 이용하여 액적의 접촉각을 측정할 수 있으므로, 즉 본 발명에 따른 접촉각 측정 장치는 영상부(30)를 별도로 구비하지 않고서도 액적의 접촉각을 측정할 수 있으므로, 종래 접촉각 측정 장치에 비하여 경제적이다. 또한, 영상부(30) 없이도 본 발명에 따른 접촉각 측정 장치를 구현할 수 있으므로, 접촉각 측정 장치를 소형화할 수 있다.

처리부(40)는 영상부(30)가 획득한 액적의 상면 이미지와 측면 이미지를 기반으로 액적의 접촉각을 획득할 수 있다. 이때, 처리부(40)는 소정의 영상 처리 과정을 거친 액적의 상면 이미지로부터 액적의 직경을 획득할 수 있고, 소정의 영상 처리 과정을 거친 액적의 측면 이미지로부터 액적의 높이를 획득할 수 있다. 예를 들어, 액적의 상면 이미지(또는, 측면 이미지)에 콘트라스트 스트레칭(Contrast Stretching)을 적용하여 명암대비를 향상시키고, 문턱값(Threshold)을 적용하여 상면 이미지(또는, 측면 이미지) 중에서 배경 이미지를 제외한 상면 이미지(또는, 측면 이미지)만을 추출할 수 있다. 또한, 처리부(40)는 액적의 상면 이미지에 허프 변환(hough transform) 기반의 원형 피팅(circle fitting) 기법을 적용하여 액적의 중심점 및 직경을 획득할 수 있다.

처리부(40)는 아래 수학식을 이용하여 액적의 접촉각을 측정할 수 있다.

도 3은 액적의 측면 이미지를 도시한 개념도로, 액적의 접촉각이 90도 보다 작은 경우를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 점으로 표현된 영역은 액적이고, 'r'은 액적의 상면 이미지 또는 측면 이미지로부터 획득한 액적의 반경이고, 'R'은 액적을 일부분으로 하는 구의 반경이고, 'h'는 액적을 일부분으로 하는 구의 중심에서 액적의 밑면까지의 길이이다.

수학식 1은 액적의 부피를 획득하기 위한 알고리즘으로, 여기서 'V'는 액적의 부피이다. 수학식 1에서 'h'는 '

'로 나타낼 수 있으므로, 'h'에 '

'를 대입하면 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 2에서 'V', 'r'은 이미 알고 있는 값이므로(여기서, 'V'는 공급부를 통해 측정할 수 있고, 'r'은 액적의 상면 이미지 또는 측면 이미지로부터 획득할 수 있음), 수학식 2를 통해 'R'을 획득할 수 있다.

수학식 3은 액적의 접촉각을 획득하기 위한 알고리즘으로, 여기서 'r'은 이미 알고 있는 값이고 'R'은 수학식 2를 통해 획득한 값이므로, 'r'과 'R'을 수학식 3에 대입하면 액적의 접촉각을 획득할 수 있다.

이와 같이 액적의 접촉각이 90도 보다 작은 경우, 수학식 1, 2, 3을 이용하면 액적의 접촉각을 정확하게 획득할 수 있다.

도 4는 액적의 다른 측면 이미지를 도시한 개념도로, 액적의 접촉각이 90도 이상인 경우를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 점으로 표현된 부분은 액적이고, 'H'는 액적의 측면 이미지로부터 획득한 액적의 높이이고, 'R'은 액적을 일부분으로 하는 구의 반경이고, 'h'는 액적을 일부분으로 하는 구의 중심에서 액적의 밑면까지의 길이이다.

수학식 4는 액적의 부피를 획득하기 위한 알고리즘으로, 여기서 'V'는 액적의 부피이다. 여기서, 'V', 'H'는 이미 알고 있는 값이므로(여기서, 'V'는 공급부를 통해 측정할 수 있고, 'H'는 액적의 측면 이미지로부터 획득할 수 있음), 수학식 4를 통해 'R'을 획득할 수 있다.

수학식 5는 액적의 접촉각을 획득하기 위한 알고리즘으로, 여기서 'H'은 이미 알고 있는 값이고 'R'은 수학식 4를 통해 획득한 값이므로, 'H'와 'R'을 수학식 5에 대입하면 액적의 접촉각을 획득할 수 있다.

이와 같이 액적의 접촉각이 90도 이상인 경우, 수학식 4, 5를 이용하면 액적의 접촉각을 정확하게 획득할 수 있다.

이상 본 발명에 따른 접촉각 측정 장치에 대해 상세하게 설명하였다. 이하 본 발명에 따른 접촉각 측정 방법에 대해 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 접촉각 측정 방법을 도시한 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 접촉각 측정 방법은 접촉각 측정의 대상인 액적의 상면 이미지와 측면 이미지를 동시에 획득하는 단계(S100), 액적의 상면 이미지로부터 액적의 직경을 획득하는 단계(S200), 액적의 측면 이미지로부터 액적의 높이를 획득하는 단계(S300) 및 획득한 액적의 크기 정보를 기반으로 액적의 형상에 따라 액적의 접촉각을 획득하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.

단계 S100은 액적의 상면 이미지 및 측면 이미지를 동시에 획득하는 단계로, 제1 광학부로부터 제공되는 액적의 상면 이미지를 획득할 수 있고, 제2 광학부로부터 제공되는 액적의 측면 이미지를 획득할 수 있다. 여기서, 액적에서 제1 광학부를 거쳐 제공되는 액적의 상면 이미지에 대한 제1 광축 거리와 액적에서 제2 광학부를 거쳐 제공되는 액적의 측면 이미지에 대한 제2 광축 거리가 동일하도록 한다. 이와 같이, 제1 광축 거리와 제2 광축 거리를 동일하게 함으로써, 제1 광학부를 통해 제공되는 액적의 상면 이미지와 제2 광학부를 통해 제공되는 액적의 측면 이미지의 초점 및 스케일을 동일하게 할 수 있다. 단계 S100은 상술한 도 1의 영상부(30)에서 수행될 수 있다.

단계 S200은 단계 S100에서 획득한 액적의 상면 이미지로부터 액적의 직경을 획득하는 단계이다. 여기서, 단계 S200은 단계 S100에서 획득한 액적의 상면 이미지가 원 형상을 가지는지 판단하고, 액적의 상면 이미지가 원 형상을 가지는 경우에 상면 이미지로부터 액적의 직경을 획득할 수 있다.

또한, 단계 S200은 단계 S100에서 획득한 액적의 상면 이미지에 소정의 영상 처리를 수행한 후, 이를 통해 추출한 상면 이미지가 원 형상을 가지는지 판단할 수 있다. 예를 들어, 단계 S100에서 획득한 액적의 상면 이미지에 콘트라스트 스트레칭을 적용하여 명암대비를 향상시키고, 문턱값을 적용하여 상면 이미지 중에서 배경 이미지를 제외한 상면 이미지만을 추출할 수 있다. 그 후, 추출한 액적의 상면 이미지에 허프 변환 기반의 원형 피팅 기법을 적용하여 액적의 중심점을 획득하고, 획득한 중심점으로부터 소정 길이 내에 액적의 상면 이미지가 위치하는지 여부에 따라 상면 이미지가 원 형상을 가지는지 판단할 수 있다. 단계 S200은 상술한 도 1의 처리부(40)에서 수행될 수 있다.

단계 S300은 단계 S100에서 획득한 액적의 측면 이미지로부터 액적의 높이를 획득하는 단계이다. 여기서, 단계 S300은 단계 S100에서 획득한 액적의 측면 이미지에 소정의 영상 처리를 수행한 후, 이를 통해 추출한 측면 이미지를 기반으로 액적의 높이를 획득할 수 있다. 예를 들어, 단계 S100에서 획득한 액적의 측면 이미지에 콘트라스트 스트레칭을 적용하여 명암대비를 향상시키고, 문턱값을 적용하여 측면 이미지 중에서 배경 이미지를 제외한 측면 이미지만을 추출할 수 있다. 단계 S300은 상술한 도 1의 처리부(40)에서 수행될 수 있다.

본 발명에서 단계 S200, 단계 S300 순서로 설명하였으나, 이와 역순인 단계 S300, 단계 S200 순서로 수행될 수 있고, 단계 S200과 단계 S300이 동시에 수행될 수도 있다.

단계 S400은 획득한 액적의 크기 정보를 기반으로 액적의 형상에 따라 상기 액적의 접촉각을 획득하는 단계이다. 단계 S400은 액적의 측면 이미지로부터 직경이 가장 큰 위치를 검출하는 단계(S410), 직경이 가장 큰 위치가 액적의 밑면인 경우에 액적의 부피 및 직경을 기반으로 액적의 접촉각을 획득하는 단계(S420) 및 직경이 가장 큰 위치가 액적의 밑면보다 높은 위치인 경우에 액적의 부피 및 높이를 기반으로 액적의 접촉각을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 액적의 크기 정보는 단계 S200에서 획득한 액적의 직경, 단계 S300에서 획득한 액적의 높이, 액적의 부피 등을 포함할 수 있다. 액적의 형상은 액적의 성질에 따라 달라지며, 예를 들어, 액적의 성질이 친수성인 경우에 액적은 90도 이하의 접촉각을 가질 수 있고 액적의 성질이 소수성인 경우에 액적은 90도 이상의 접촉각을 가질 수 있다.(접촉각이 90도 인 경우에 액적의 성질은 친수성일 수 있고 소수성일 수 있음)

단계 S410은 액적의 측면 이미지로부터 직경이 가장 큰 위치를 검출하는 단계이다. 즉, 액적의 형상에 있어서, 직경이 가장 큰 위치가 액적의 밑면(액적의 최하단부)에 위치하는지 밑면보다 높은 위치(액적의 중심부)에 위치하는지 판단한다. 여기서, 직경이 가장 큰 위치가 액적의 밑면인 경우에 액적은 90도 이하의 접촉각을 가질 수 있고, 직경이 가장 큰 위치가 액적의 밑면 보다 높은 경우에 액적은 90도 이상의 접촉각을 가질 수 있다.

단계 S420은 직경이 가장 큰 위치가 액적의 밑면인 경우, 즉 액적의 접촉각이 90도 이하인 경우에 액적의 부피 및 직경을 기반으로 액적의 접촉각을 획득하는 단계로, 상술한 수학식 1, 2, 3을 통해 액적의 접촉각을 획득할 수 있다.

단계 S430은 직경이 가장 큰 위치가 액적의 밑면보다 높은 위치인 경우, 즉 액적의 접촉각이 90도 이상인 경우에 액적의 부피 및 높이를 기반으로 액적의 접촉각을 획득하는 단계로, 상술한 수학식 4, 5를 통해 액적의 접촉각을 획득할 수 있다. 액적의 접촉각이 90도인 경우, 단계 S420 또는 단계 S430을 통해 액적의 접촉각을 획득할 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 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.

10 : 제1 광학부
11 : 제1a 반사부
12 : 제1b 반사부
20 : 제2 광학부
21 : 제2a 반사부
22 : 제2b 반사부
23 : 제2c 반사부
30 : 영상부
40 : 처리부
50 : 스테이지

Claims

접촉각 측정의 대상인 액적의 상면 이미지를 제공하는 제1 광학부;
상기 액적의 측면 이미지를 제공하는 제2 광학부; 및
상기 상면 이미지와 상기 측면 이미지를 동시에 획득하는 영상부를 포함하고,
상기 제1 광학부 또는 상기 제 2광학부는 제공하는 해당 이미지의 전송 방향을 변경하는 하나 이상의 반사부를 포함함으로써 상기 상면 이미지와 상기 측면 이미지가 상기 영상부로 동시에 제공되는 것인,
접촉각 측정 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 접촉각 측정 장치는,
상기 영상부가 동시에 획득한 상기 상면 이미지와 상기 측면 이미지를 기반으로 상기 액적의 접촉각을 획득하는 처리부를 더 포함하는 접촉각 측정 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 광학부는,
상기 액적의 상방에 위치하며, 상기 액적으로부터 제공되는 상기 상면 이미지의 전송 방향을 변경하는 제1a 반사부; 및
상기 제1a 반사부와 마주보게 위치하며, 상기 제1a 반사부에서 제공되는 상기 상면 이미지를 상기 영상부에 제공하는 제1b 반사부를 포함하는 접촉각 측정 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 광학부는,
상기 액적의 측방에 위치하며, 상기 액적으로부터 제공되는 상기 측면 이미지의 전송 방향을 변경하는 제2a 반사부;
상기 제2a 반사부와 마주보게 위치하며, 상기 제2a 반사부에서 제공되는 상기 측면 이미지의 전송 방향을 변경하는 제2b 반사부; 및
상기 제2b 반사부와 마주보게 위치하며, 상기 제2b 반사부에서 제공되는 상기 측면 이미지를 상기 영상부에 제공하는 제2c 반사부를 포함하는 접촉각 측정 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 광학부 및 상기 제2 광학부는,
상기 액적에서 상기 제1 광학부를 거쳐 상기 영상부에 이르는 광축 거리와 상기 액적에서 상기 제2 광학부를 거쳐 상기 영상부에 이르는 광축 거리가 동일하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 영상부는,
현미경, CCD(Charge-Coupled Device) 카메라, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 카메라 중 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 처리부는,
상기 상면 이미지로부터 상기 액적의 직경을 획득하고, 상기 측면 이미지로부터 상기 액적의 높이를 획득하고, 상기 액적의 직경과 상기 액적의 높이를 기반으로 상기 액적의 접촉각을 획득하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 장치.
접촉각 측정 장치에서 접촉각을 측정하는 방법에 있어서,
접촉각 측정의 대상인 액적의 상면 이미지와 측면 이미지를 동시에 획득하는 단계;
상기 상면 이미지로부터 상기 액적의 직경을 획득하는 단계;
상기 측면 이미지로부터 상기 액적의 높이를 획득하는 단계; 및
획득한 상기 액적의 크기 정보를 기반으로 상기 액적의 형상에 따라 상기 액적의 접촉각을 획득하는 단계를 포함하고,
이미지의 전송방향을 변경하는 하나 이상의 반사부를 포함하는 광학부를 이용하여 상기 상면 이미지 또는 상기 측면 이미지의 전송방향을 변경하여 영상부를 통해 상기 상면 이미지와 상기 측면 이미지를 동시에 획득하는 것인,
접촉각 측정 방법.
청구항 8에 있어서, 상기 액적의 접촉각을 획득하는 단계는,
상기 액적의 측면 이미지로부터 직경이 가장 큰 위치를 검출하여,
직경이 가장 큰 위치가 상기 액적의 밑면인 경우 상기 액적의 부피 및 직경을 기반으로 상기 액적의 접촉각을 획득하고, 직경이 가장 큰 위치가 상기 액적의 밑면보다 높은 위치인 경우 상기 액적의 부피 및 높이를 기반으로 상기 액적의 접촉각을 획득하는 것인,
접촉각 측정 방법.