KR101717591B1 - 열팽창계수 측정장치 - Google Patents

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KR101717591B1
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Abstract

본 발명은 시편이 지지되는 홀더부에 열풍을 공급하는 가열유닛; 및 상기 시편의 열팽창계수를 측정하는 측정유닛;을 포함하는 열팽창계수 측정장치에 있어서, 상기 홀더부는 시편에 열풍이 직접적으로 공급되는 것을 차단하도록, 상기 시편의 후면과 전면에 후면가림막 및 전면가림막이 각각 구비되어, 열풍에 의한 시편의 흔들림 방지를 기술적 특징으로 한다.

Description

열팽창계수 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING THERMAL EXPANSION COEFFICIENT}
본 발명은 열팽창계수 측정장치에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 포장지(foil)나 필름(film) 타입 또는 막대기(bar) 타입으로 이루어진 시편의 열팽창계수를 각각 측정할 수 있는 장치에 관한 것으로, 비접촉방식에 의해 길이 변형값에 대한 보정을 필요로 하지 않으며, 다수의 시편을 동시에 측정할 수 있는 열팽창계수 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 열팽창계수를 측정하는 장치는 열기계 분석장치(Thermal Mechanical Analyzer; 이하 TMA) 또는 딜라토미터(Dilatometer)를 이용하여 다양한 시편들의 크기 변화, 부피 변화를 시간, 온도 및 힘에 대한 함수로 측정함으로써, 열팽창계수를 측정할 수 있도록 한다.
이러한 TMA는 다양한 측정값을 산출하기 위해서 그 내부에 다수의 구성부재가 내장되어 있으며, 열팽창계수를 측정하기 위해서는 열이 가해진 시편의 길이가 늘어나는 원리를 이용함으로써, 온도에 종속된 시편 크기의 변화를 탐지하여 열팽창계수를 측정한다.
이러한 TMA를 이용하여 열팽창계수를 측정하는 기술 중 하나로, 공개특허공보 제10-1995-0019717호에 시료(시편)의 열팽창계수 측정 방법이 개시되었다.
종래 시료(시편)의 열팽창계수 측정 방법은 열팽창측정기(TMA)를 이용하여 시료의 열팽창계수를 측정하는 방법에 있어서, 시료튜브 및 프루브(probe)와 같은 재질과 이미 열팽창계수를 알고 있는 표준물질의 열팽창값을 측정하여 그 표준시료의 팽창거동을 기준으로 시료튜브의 추정열팽창계수(atube)를 구하고, 튜브에 대한 프루브의 상대 열팽창값 f(T)을 상기 시료튜브의 추정열팽창계수(atube)과 함께 측정값에 대한 보정인자로 사용하여 시료의 열팽창계수를 구하는 것을 특징으로 한다.
이러한 시료(시편)의 열팽창계수 측정 방법은 기존의 열팽창측정기(TMA)를 이용하는 것으로, 시편의 양 끝점 각각을 0.01N 내지 0.1N 범위의 힘으로 당겨 시편이 곧게 펼쳐지도록 한 상태에서, 온도가 변함에 따라 상기 시편의 길이(변위)가 변화한 정도를 측정하여 열팽창계수를 측정한다.
그러나 종래 시료(시편)의 열팽창계수 측정 방법은 시편의 양 끝점을 구속하고, 양 끝점에 힘을 가하여 당기기 때문에 온도 변화에 따라 상기 시편을 구속하는 그립 및 챔버(열이 공급되어 시편을 가열하는 공간) 자체의 크기도 변하므로 이에 대한 보정(보정인자)이 필요하며, 상온에서는 시편을 당기는 힘이 매우 작아 시편의 길이 변화가 미비하지만, 고온에서는 시편의 강성이 매우 작아 시편의 길이 변화가 크게 발생함으로써, 측정 오차가 커지는 문제점이 있다.
또한 TMA의 경우 다수 개의 시편을 측정하기 위해서는 각각 측정해야 하므로, 시편의 개수에 비례하여 측정시간이 증대되는 문제점이 있다. 이에, 측정을 위한 시간 뿐만 아니라 비용이 증대되는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-1995-0019717호(1995.07.24.)
본 발명은 위와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 비접촉방식에 의해 시편의 한쪽 끝점 만을 구속하고, 한 쌍의 측점을 포인트로 하여 상기 한 쌍의 측점간의 거리 차를 실시간으로 측정함으로써, 기존의 TMA와 같이 시편의 양 끝점 구속에 따른 시편 크기 변화를 보정할 필요가 없으며, 다수의 시편을 동시에 측정할 수 있는 열팽창계수 측정장치를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 가열유닛 내부를 가열하는데 필요한 열풍에 의해 시편이 흔들리는 것을 방지하기 위해, 시편의 정면과 후면 각각에 가림막을 구비하고, 상기 가림막과 가림막 사이에 스페이서가 구비되어 가림막과 가림막 사이의 측면을 개방시킴으로써, 시편이 위치하는 가림막 사이의 공간과 외부의 온도 차를 최소화할 수 있는 열팽창계수 측정장치를 제공하는 데 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 시편이 지지되는 홀더부에 열풍을 공급하는 가열유닛; 및 시편의 열팽창계수를 측정하는 측정유닛;을 포함하는 열팽창계수 측정장치에 있어서, 홀더부는 시편에 열풍이 직접적으로 공급되는 것을 차단하도록, 시편의 후면과 전면에 후면가림막 및 전면가림막이 각각 구비되어, 열풍에 의해 시편이 흔들리는 것을 방지하는 열팽창계수 측정장치를 제공함으로써, 기술적 과제를 해결하고자 한다.
본 발명은 비접촉방식에 의해 한쪽 끝점을 구속하고, 한 쌍의 측점을 포인트로 하여 상기 한 쌍의 측점간의 거리차를 실시간으로 측정함으로써, 기존의 TMA에서 시편의 양 끝점 구속에 따른 시편의 크기 변화에 따른 보정을 필요로 하지 않으며, 시편이 곧게 펴진 상태가 되도록 별도의 하중이 필요하지 않고, 다수의 시편을 동시에 측정할 수 있는 현저한 효과를 보유하고 있다.
또한 본 발명은 열풍에 의한 시편의 흔들림을 방지하기 위해, 시편의 정면과 후면 각각에 가림막을 구비하여 열풍이 시편에 직접적으로 닿지 않게 하고, 상기 가림막과 가림막 사이에 스페이서가 구비되어 가림막과 가림막 사이의 측면을 개방시킴으로써, 시편이 위치하는 가림막 사이의 공간과 가림막 외부의 온도 차를 최소화할 수 있는 현저한 효과를 보유하고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치의 전체적인 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 막대기(bar) 타입으로 이루어진 제1시편의 열팽창계수를 측정하는 예를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 막대기(bar) 타입으로 이루어진 제1시편의 열팽창계수를 측정하는 예를 나타낸 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 막대기(bar) 타입으로 이루어진 제1시편의 열팽창계수를 측정하는 예를 나타낸 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 가열유닛 내부의 온도 증가율과 시편의 온도 증가율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 시편에 한 쌍의 측점을 형성하고 이를 디스플레이상에 인식화하는 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 다수 개의 시편이 동시에 측정되는 예를 나타낸 정면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 포장지(foil)나 필름(film) 타입으로 이루어진 제2시편의 열팽창계수를 측정하는 예를 나타낸 측면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 제1시편이 구비된 다른 예를 나타낸 측면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 제2시편이 구비된 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 MD방향과 TD방향에 따른 시편의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치를 통해 Cu foil의 열팽창계수를 측정한 예를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치는 포장지(foil)나 필름(film) 타입 또는 막대기(bar) 타입으로 이루어진 시편의 열팽창계수를 각각 측정할 수 있는 장치에 관한 것으로, 비접촉방식에 의해 시편의 길이 변형에 대한 보정을 필요로 하지 않으며, 다수의 시편을 동시에 측정할 수 있는 열팽창계수 측정장치에 관한 것이다.
먼저, 시편(10, 20)은 사전적 의미로, 시험 분석에 쓰기 위하여 골라낸 광석이나 광물의 조각을 뜻하며, 본 명세서에서는 열팽창계수를 측정하기 위한 대상을 의미한다. 예를 들어, 막대기(bar) 타입과 같은 시편을 제1시편(10)이라 하고, 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입과 같은 시편을 제2시편(20)이라 한다.
이때, 포장지(foil)나 필름(film) 타입 또는 막대기(bar) 타입의 시편은 일 예에 불과할 뿐, 다양한 재질의 시편이 구비될 수 있다.
즉 시편(10, 20)은 열팽창계수를 측정하기 위한 재료를 의미하는 것으로, 제1시편(10)과 제2시편(20)의 구분은 시편(10, 20)이 갖는 물리적 특성에 의해 구분할 수 있다.
여기에서, 물리적 특성은 시편(10, 20)이 갖는 굳기 또는 두께를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치의 전체적인 개략도이다.
본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치는 가열유닛(100) 및 측정유닛(200)을 포함하여 구성된다.
가열유닛(100)은 시편(10, 20)이 지지되는 공간을 제공하고, 상기 공간에 열풍을 공급하여 시편(10, 20)의 크기 변화에 따른 열팽창계수를 측정하는 챔버(Chamber) 기능을 수행하는 것으로, 유리창(110), 도어(120), 컨트롤러(130) 및 홀더부(140)를 포함하여 구성된다.
이러한 가열유닛(100)은 전체적인 박스 형태로 이루어질 수 있으며, 일측면에 유리창(110)이 구비되어 후술되는 측정유닛(200)의 단말기(210)가 상기 가열유닛(100) 내부에 구비된 시편(10, 20)의 열팽창계수를 측정할 수 있도록 한다.
도어(120)는 가열유닛(100)을 개폐시키는 출입문 기능을 수행하는 것으로, 설계조건에 따라서는 가열유닛(100) 내부가 밀폐되도록 구성될 수 있다.
컨트롤러(130)는 가열유닛(100)의 전체적인 제어를 수행하는 것으로, 후술되는 측정유닛(200)과 연계되어 상기 가열유닛(100)이 제어되도록 한다.
이러한 컨트롤러(130)는 가열유닛(100) 내부에 구비되는 시편(10, 20)의 온도를 제어할 수 있도록 열풍 량을 조절함으로써, 시편(10, 20)의 열팽창계수를 측정할 수 있도록 한다.
한편, 상기 열풍에 의한 가열유닛(100) 내부 승온시, 상기 가열유닛(100) 내부의 온도 증가율과 홀더부(140)에 지지되는 시편(10, 20)의 온도 증가율이 일치가 될수록 열팽창계수의 측정 오차를 최소화할 수 있다.
이에 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치는 시편(10, 20)이 지지되는 홀더부(140)에 후면가림막(141) 및 전면가림막(142)을 구비함으로써, 시편(10, 20)에 직접적으로 공급되는 열풍의 가림막 역할을 수행하여 열풍에 의한 직접적인 간섭을 최소화하고, 상기 후면가림막(141) 및 전면가림막(142)이 상호 이격되도록 설치됨으로써, 상기 후면가림막(141)과 전면가림막(142) 사이의 틈을 통해 시편(10, 20)에 열이 신속하게 전달되도록 하여 가열유닛(100) 내부와 시편(10, 20)의 온도 증가율이 일치가 되도록 한다.
이를, 도 2 내지 도 8을 참조하여 홀더부(140)에 대해 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4는 막대기(bar) 타입과 같이 굳기가 크고 두께가 두꺼운 재질로 이루어진 제1시편(10)의 열팽창계수를 측정하고자 하는 경우이며, 도 8은 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입과 같이 플렉시블한 성질을 갖고 두께가 막대기(bar) 타입의 제1시편(10)보다 상대적으로 매우 얇은 재질로 이루어진 제2시편(20)의 열팽창계수를 측정하고자 하는 경우이다.
도 2는 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 막대기(bar) 타입으로 이루어진 시편의 열팽창계수를 측정하는 예를 나타낸 사시도이며, 도 3는 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 막대기(bar) 타입으로 이루어진 시편의 열팽창계수를 측정하는 예를 나타낸 정면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 막대기(bar) 타입으로 이루어진 시편의 열팽창계수를 측정하는 예를 나타낸 측면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 제1시편(10)이 막대기(bar) 타입으로 이루어진 경우, 홀더부(140)는 후면가림막(141), 전면가림막(142), 스페이서(143) 및 가이드부재(144)를 포함하여 구성되되, 상기 제1시편(10)의 후면과 전면에 후면가림막(141) 및 전면가림막(142)이 각각 구비되어, 열풍이 막대기(bar) 타입의 제1시편(10)에 직접적으로 공급되지 않도록 한다. 즉 열풍의 영향에 의한 제1시편(10)의 흔들림을 방지할 수 있다.
이러한 후면가림막(141)과 전면가림막(142) 사이는 상호 이격되도록 구비됨으로써, 열풍에 의한 열이 상기 후면가림막(141)과 전면가림막(142) 사이의 측면에 형성된 틈을 통해 제1시편(10)에 신속하게 전달되도록 한다.
이에, 가열유닛(100) 내부의 온도 증가율과 제1시편(10)의 온도 증가율의 단차를 최소화하여 열팽창계수의 측정에 따른 정확성을 확보할 수 있다.
이때, 후면가림막(141)과 전면가림막(142)은 투명한 재료인 유리로 이루어질 수 있다.
이러한 유리 재질은 후술되는 측정유닛(200)에 의해 상기 후면가림막(141)과 전면가림막(142) 사이에 지지되는 제1시편(10)을 용이하게 측정할 수 있도록 한다.
설계조건에 따라, 후면가림막(141) 또는 전면가림막(142) 중 선택된 하나 이상의 외주면에는 내부가 비어있는 트레이(도면부호 미표시)가 더 구비될 수 있다.
이러한 트레이의 구성 예로, 도 3을 참조하여 설명하면, 전면가림막(142)의 외주면에 구비되고, 그 내부가 비어있는 사각형 트레이로 구비될 수 있으며, 이러한 트레이의 모서리 각각에 볼트 결합을 통해 후면가림막(141)과 전면가림막(142)이 상호 결합되도록 할 수 있다.
스페이서(143)는 후면가림막(141)과 전면가림막(142) 사이에 구비되되, 홀더부(140)에 지지되는 제1시편(10)의 하측에 위치되는 것으로, 후면가림막(141)과 전면가림막(142)이 상호 이격된 상태를 유지하도록 하는 기능을 수행한다.
즉 스페이서(143)에 의해 후면가림막(141)과 전면가림막(142)은 측면이 개구된 상태로 이격되어 그 사이에 제1시편(10)이 지지될 수 있는 공간이 확보되도록 한다.
가이드부재(144)는 후면가림막(141)과 전면가림막(142) 사이에 구비되되, 제1시편(11)의 상측을 물어 잡아 상기 제1시편(10)이 후면가림막(141)과 전면가림막(142) 사이에 지지되도록 하는 것으로, 도 2 내지 도 4에서와 같이, 제1시편(10)이 막대기(bar) 타입의 제1시편(10)이 후면가림막(141)과 전면가림막(142)이 이격되어 지지되도록 한다.
즉 가이드부재(144)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1시편(10)의 상측 일부분을 지지하되, 제1시편(10)의 전면과 후면 각각을 지지하여 시편(10, 20)이 후면가림막(141)과 전면가림막(142)에 접촉되지 않도록 한다.
설계조건에 따라, 가이드부재(144)는 실리콘웨이퍼(silicon wafer) 재질로 이루어질 수 있다.
여기에서, 실리콘웨이퍼 재질이란, 주로 반도체 산업분야에서 마이크로프로세서의 제조에 사용되는 것으로, 독성이 전혀 없어 환경적으로 우수하며, 대표적인 단결정 소재로 분류된다.
이러한 구성에 따라, 홀더부(140)에 구비되는 제1시편(10)은 가이드부재(144)에 지지되되, 스페이서(143)에 의해 일정간격 이격된 후면가림막(141)과 전면가림막(142) 사이에 구비된다.
또한 제1시편(10)이 지지된 홀더부(140)는 가열유닛(100) 내부에 구비되고, 상기 가열유닛(100) 내부로 공급되는 열풍에 의해 가열유닛(100) 내부와 제1시편(10)의 표면 온도가 증가된다.
이를, 도 5를 참조하여 설명하면, 가열유닛(100) 내부의 온도(a)와 시편(10, 20)의 온도(b)에서 알 수 있듯이, 시간에 비례하여 온도가 상승되는 것을 알 수 있다.
즉 도 5의 그래프상에 나타난 기울기가 서로 유사하게 측정됨으로써, 홀더부(140)의 구성에 의해 가열유닛(100)의 온도 증가율과 시편(10, 20)의 온도 증가율이 매우 유사하다고 판단할 수 있다.
한편, 도 5는 가열속도(Heating rate)를 6℃/min으로 한 결과로, 가열유닛(100) 내부의 온도(a)와 시편(10, 20)의 온도(b)가 많게는 약 10도씨 차이가 나지만, 가열속도(Heating rate)를 4℃/min으로 낮추면 상기 차이를 최소화할 수 있다.
이때, 제1시편(10)의 열팽창계수를 측정하는 것은, 후술되는 측정유닛(200)에 의해 이루어질 수 있다.
상세하게는, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 홀더부(140)에 지지된 막대기(bar) 타입의 제1시편(10)에 도 3에서와 같이, 상호 이격된 한 쌍의 측점(30)을 형성하고, 가열유닛(100) 내부에 열풍을 공급하게 되면, 온도 상승에 따라 한 쌍의 측점(30)간의 거리 증가량을 후술되는 측정유닛(200)을 통해 실시간으로 측정한다.
이에 따라, 막대기(bar) 타입과 같은 제1시편(10)의 열팽창계수를 측정할 수 있다.
설계조건에 따라, 한 쌍의 측점(30)은 수정액을 이용하여 제1시편(10)의 표면에 형성될 수 있다.
이는, 후술되는 측정유닛(200)을 통해 제1시편(10)의 표면에 형성된 한 쌍의 측점(30)을 도 6에서와 같이, 보다 명확하게 인식할 수 있도록 하기 위함이다.
측정유닛(200)은 가열유닛(100) 내부에 지지되는 제1시편(10) 및 제2시편(20)의 열팽창계수를 측정하는 기능을 수행하는 것으로, 단말기(210) 및 디스플레이기기(220)를 포함하여 구성된다.
단말기(210)는 화상인식을 통해 시편(10, 20)에 형성된 한 쌍의 측점(30)간 거리차를 측정하고, 이를 후술되는 디스플레이기기(220)로 수신하는 기능을 수행한다.
이러한 단말기(210)는 카메라 또는 스마트폰 등 화상인식을 통해 한 쌍의 측점(30)간 거리차를 측정할 수 있는 장치면 어떠한 장치로도 구성될 수 있다.
이때, 단말기(210)에는 화상인식을 통한 촬영이 가능하도록 별도의 소프트웨어가 구비될 수 있다.
이에, 온도 변화에 따른 한 쌍의 측점(30)간 거리의 변화는 단말기(210)를 통해 측정되고, 후술되는 디스플레이기기(220)로 전송되어 상기 디스플레이기기(220)를 통해 시편(10, 20)의 열팽창계수에 따른 결과가 영상 데이터로 출력되도록 한다.
디스플레이기기(220)는 명령어를 입력하거나 또는 영상 데이터를 출력할 수 있는 디스플레이 기능을 구비하고 있는 기기이면 모두 만족되는 것으로서, 영상 데이터를 구동하는 소프트웨어가 구비되어 있을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 그 이유는 단말기(210)에서 전송되는 화면 자체가 단말기(210) 내부에서 구현되도록 구성될 수 있기 때문이다.
예를 들어, 디스플레이기기(220)는 모니터, TV, 프로젝터, 노트북 또는 데스크탑 PC 등으로 이루어질 있다.
이러한 구성에 따라, 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치는 비접촉방식에 의해 한쪽 끝점을 구속하고, 한 쌍의 측점을 포인트로 하여 상기 한 쌍의 측점간의 거리차를 실시간으로 측정함으로써, 기존의 TMA와 같이 시편의 양 끝점 구속으로 인한 시편 길에에 대한 보정이 필요 없으며, 다수의 시편을 동시에 측정할 수 있어, 측정에 따른 작업시간을 최소화할 수 있다.
또한 열풍에 의한 시편의 흔들림을 방지하기 위해, 시편의 정면과 후면 각각에 가림막을 구비하고, 상기 가림막과 가림막 사이에 스페이서가 구비되어 가림막과 가림막 사이의 측면을 개방시킴으로써, 시편이 위치하는 가림막 사이의 공간과 외부의 온도 차를 최소화하여 열팽창계수의 측정에 따른 오차를 최소화할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 다수 개의 시편이 동시에 측정되는 예를 나타낸 정면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 다수의 시편(10, 20)이 홀더부(140)의 가이드부재(144)에 각각 지지되도록 하고, 각 시편(10, 20)에 한 쌍의 측점(30)을 형성한 후, 측정유닛(200)을 통해 각 시편(10, 20)의 열팽창계수를 측정한다.
이때, 시편(10, 20)은 막대기(bar) 타입의 스테인레스(Steel Use Stainless; 이하 sus) 등으로 이루어질 수 있으며, 다양한 재질의 시편(10, 20)을 홀더부(140)에 지지함으로써, 동시에 다수의 시편(10, 20) 측정이 가능하다.
즉 다수의 시편(10, 20)에 형성된 한 쌍의 측점(30)간 거리차를 각각 측정함으로써, 시편(10, 20) 각각의 열팽창계수를 측정할 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여, 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입과 같이 플렉시블한 성질을 가지며, 그 두께가 막대기(bar) 타입의 제1시편(10)보다 상대적으로 매우 얇은 재질로 이루어지는 제2시편(20)의 열팽창계수를 측정하기 위한 장치에 대해 설명한다.
도 2 내지 도 7에서 언급한 내용 중 중복되는 내용은 언급하지 않았음을 밝힌다.
도 8은 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 포장지(foil)나 필름(film) 타입으로 이루어진 시편의 열팽창계수를 측정하는 예를 나타낸 측면도이다.
한편, 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입과 같은 제2시편(20)은 도 2 내지 도 6에 도시된 제1시편(10)과 같이, 제2시편(20)의 후면과 전면에 각각 이격되도록 후면가림막(141) 및 전면가림막(142)이 구비되면, 가열유닛(100) 내부로 공급되는 열풍이 직접적으로 제2시편(20)에 닿는 것은 차단되지만 제2시편(20) 주변에 약간의 열 유동이 발생됨에 따라 플렉시블한 성질로 이루어진 제2시편(20)이 휘어지거나 비틀어지는 등 형태가 흐트러질 수 있다.
이에, 형태가 흐트러지게 되면, 제2시편(20)의 열팽창계수를 측정할 수 없게 되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 보완하고자, 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치는 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입과 같은 제2시편(20)의 열팽창계수를 측정하고자 하는 경우, 상기 제2시편(20)의 형태가 흐트러지지 않도록 지지할 수 있는 구성으로 이루어진다.
도 8을 참조하여 설명하면, 제2시편(20)을 지지하는 홀더부(140)가 구비되되, 상기 홀더부(140)는 후면가림막(141), 전면가림막(142), 스페이서(143) 및 가이드부재(144)를 포함하여 구성되는 한편, 제2시편(20)은 후면가림막(141)의 내주면에 면접촉되도록 구비되어, 열풍에 의한 형태 변형을 최소화할 수 있도록 한다.
즉 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입과 같은 제2시편(20)은 후면가림막(141)의 내주면에 지지된다.
한편, 제2시편(20)은 후면가림막(141)에 면접촉됨에 따라, 후면가림막(141)의 열팽창계수에 영향을 받아 정확한 측정이 어려울 수 있다. 따라서 제2시편(20)의 열팽창계수 측정시 후면가림막(141)은 인바(Invar)로 이루어지고, 전면가림막(142)은 투명한 재료인 유리로 구성될 수 있다.
인바(Inver)는 Fe-Ni 합금으로, 열변형이 아주 적으며, 그 팽창계수(약 0.0000008/℃)가 매우 낮아 저열팽창 특성을 갖는다.
또한 인바로 이루어진 후면가림막(141)의 내주면은 세라믹 코팅으로 이루어질 수 있다.
이에, 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입과 같은 제2시편(20)과 세라믹 코팅된 후면가림막(141)의 내주면 사이의 마찰계수, 즉 수직방향으로 면접촉되는 수직방향 마찰계수는 0에 가까워지므로, 상기 제2시편(20)과 후면가림막(141)이 면접촉된 상태에서도 승온에 의한 제2시편(20)의 크기 변화에 영향을 미치지 못하게 된다.
또한 인바로 이루어진 후면가림막(141)의 내주면이 세라믹 코팅으로 이루어짐에 따라, 세라믹 코팅된 면과 유리로 이루어진 전면가림막(142) 사이에 정전기가 발생되어 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입과 같은 제2시편(20)이 세라믹 코팅된 면에 접촉되는 동시에, 펴진 상태가 유지될 수 있도록 한다.
따라서 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입과 같이 그 두께가 얇은 제2시편(20)의 열팽창계수를 측정하고자 하는 경우, 인바로 이루어지되 내주면이 세라믹 코팅된 후면가림막(141)에 제2시편(20)이 면접촉되도록 구성됨으로써, 후면가림막(141)이 제2시편(20)에 미치는 영향을 최소화하여, 제2시편(20)의 열팽창계수를 보다 정확하고 용이하게 측정할 수 있다.
설계조건에 따라, 후면가림막(141)은 인바 이외에, 스테인리스 스틸 또는 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
나아가, 후면가림막(141)은 인바, 스테인리스 스틸 및 알루미늄 중 선택된 하나 이상의 재료로 이루어질 수 있다.
이때, 후면가림막(141)에 면접촉되는 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입과 같은 제2시편(20)의 상측에는 상기 후면가림막(141)과 전면가림막(142) 사이에 구비되되, 제2시편(20)이 후면가림막(141)의 내주면에 면접촉되도록 지지하는 가이드부재(144)가 구비될 수 있다.
이러한 가이드부재(144)는 제2시편(20)의 일측면을 지지하되, 상세하게는 가이드부재(144)와 후면가림막(141) 사이에 제2시편(20)이 도 8에서와 같이 위치하도록 한다.
도 9는 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 제1시편이 구비된 다른 예를 나타낸 측면도이며, 도 10은 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치에서 제2시편이 구비된 다른 예를 나타낸 도면이다.
설계조건에 따라, 시편(10, 20)의 후면과 전면에 각각 구비되는 후면가림막(411) 및 전면가림막(142) 사이의 간격은 상측에서 하측으로 갈수록 점점 좁아지도록 구성될 수 있다.
도 9를 참조하여 설명하면, 막대기(bar) 타입과 같은 제1시편(10)의 후면과 전면에 각각 구비되는 유리 재질의 후면가림막(411) 및 전면가림막(142)이 도 9에 도시된 바와 같이, 측면이 'V'자 형태가 되도록 구비되어 상측에서 하측으로 갈수록 후면가림막(411)과 전면가림막(412) 사이의 간격이 점점 좁아지도록 구성될 수 있다.
또한 도 10을 참조하여 설명하면, 포장지(foil)나 필름(film) 타입과 같은 제2시편(20)의 후면에 구비되는 인바 재질의 후면가림막(411)과, 전면에 구비되는 유리 재질의 전면가림막(142)이 도 10에 도시된 바와 같이, 측면이 'V'자 형태가 되도록 구비되어 상측에서 하측으로 갈수록 상기 후면가림막(411)과 전면가림막(412) 사이의 간격이 점점 좁아지도록 구성될 수 있다.
한편, 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입과 같은 제2시편(20)을 홀더부(140)에 지지하는 경우, 제조에 따른 MD방향과 TD방향 각각의 측정 결과가 다르게 나타날 수 있다.
여기에서, MD방향(Machine Direction)은 롤을 이용하여 제조되는 제2시편(20)의 길이방향과 상기 롤의 진행방향이 같은 경우를 의미하는 것으로, 도 2 내지 도 10을 참조하여 설명하면, 홀더부(140)의 상측에서 하측으로 긴 형태로 이루어진 제2시편(20)의 길이방향과 롤의 진행방향이 같은 경우를 의미한다.
또한 TD방향(Transversal Direction)은 롤을 이용하여 제조되는 제2시편(20)의 길이방향과 상기 롤의 진행방향이 수직인 경우를 의미하는 것으로, 도 2 내지 도 10에서와 같이, 홀더부(140)의 상측에서 하측으로 긴형태로 이루어진 제2시편(20)의 길이방향과 롤의 진행방향이 수직이 되는 경우를 의미한다.
즉 MD방향의 제2시편(20)은 롤의 진행방향에 따라 형성될 수 있는 결이 상기 제2시편(20)의 길이방향과 수직이 되는 경우이며, TD방향의 제2시편(20)은 롤의 진행방향에 따라 형성될 수 있는 결이 상기 제2시편(20)과 같은 경우이다.
이를, 도 11을 참조하여 상세히 설명하면, MD방향의 제2시편(20)은 결의 방향이 홀더부(140)의 바닥면과 수평하게 형성되고, 상기 제2시편(20)은 롤에 의하여 길이방향으로 압축잔류응력이 형성되어 있으나, 상온의 온도에서는 상기 제2시편(20)의 강성에 의하여 변형이 발생하지 않도록 유지된다. 하지만, 온도가 상승함에 따라 상기 제2시편(20)의 강성은 줄어들게 되어 온도가 증가할수록 상기 압축응력에 의한 변형이 열팽창에 의한 변형보다 더 크게 발생하여 Strain 값이 전체적으로 ’이하로 이루어진다.
반면, TD 방향의 제2시편(20)은 결의 방향이 홀더부(140)의 바닥면과 수직하게 형성되고 압축잔류응력도 길이방향에 수직(상기 홀더부(140)의 바닥면과 수평)으로 형성됨에 따라, 온도가 상승하더라도 상기 압축잔류응력은 상기 제2시편(20)의 길이방향의 열팽창계수 측정과정에 영향을 미치지 않게 된다. 즉 도 11에서와 같이, TD 방향의 제2시편(20)은 온도 변화에 따른 Strain 값이 전체적으로 '0' 이상의 값을 갖는다.
이에 따라, 본 발명에서는 제2시편(20)이 제작되는 과정에서 롤의 방향에 따른 제2시편(20)의 특성을 정확하게 파악할 수 있으므로 열팽창계수 측정의 정확성을 향상시키고, 측정 오차를 최소화할 수 있다.
이와 같은 열팽창계수 측정장치는 막대기(bar) 타입과 같이 그 두께가 두꺼운 제1시편(10)과 포장지(foil)나 필름(film) 타입과 같이 그 두께가 상대적으로 매우 얇은 제2시편(20) 모두, 열팽창계수를 정확하고 용이하게 측정할 수 있도록 한다.
또한 홀더부(140)의 구성에 의해 시편(10, 20)의 양끝이 아닌 한쪽 끝점을 구속하는 비접촉방식을 채택함으로써, 시편(10, 20)의 길이 변형에 대한 보정을 필요로 하지 않아 작업효율이 향상된다. 나아가, 시편(10, 20)의 대면적 측정이 가능할 뿐 아니라, 다수 개의 시편(10, 20)을 동시에 측정할 수 있다.
이에, 측정에 소요되는 작업시간을 최소화할 수 있다.
<실험 예>
제안된 열팽창계수 측정장치의 성능을 검증하기 위해, 5종류의 재료를 실험대상으로 하여, 각 재료의 열팽창계수를 측정하였다.
이러한 실험은 도 1 내지 도 10에서 제안된 측정장치의 구성을 활용하여 진행되었음을 밝힌다.
예를 들어, 시편(10, 20)을 먼저, 막대기(bar) 타입과 같이 그 두께가 두꺼운 제1시편(10)과 포장지(foil)나 필름(film) 타입과 같이 그 두께가 상대적으로 얇은 제2시편(20)을 분류하고, 분류된 제1시편(10) 다수개와 제2시편(20) 다수개를 각각 도 7에 제안된 측정장치의 구성을 활용하여 실험을 진행할 수 있다.
실험에 사용된 5종류의 재료는 Si wafer, SUS 630, SUS 301, Cu foil 및 Al foil을 시편으로 하여 열팽창계수를 측정하였다.
상기 5종류의 재료 중에서 Cu foil의 열팽창계수를 측정한 그래프를 도 12에 도시하였다.
이와 같이, 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치를 이용하여, 5종류의 재료를 모두 측정한 후, 아래의 표 1과 같이 측정된 결과를 얻었다.
재료
(Material)		 열팽창계수 (CTE(ppm/℃) 오차율
(Error rate(%))
Reference Measured
Si wafer(500um) 3.5 3.43 2
SUS630(1.5mm) 11.6 11.7 0.9
SUS301(1.3mm) 17.6 17.1 2.8
Cu foil(95um) 16.5 16.85 2.1
Al foil(18um) 25.0 25.4 1.6
상기 표 1에서와 같이, 열팽창계수가 측정된 결과를 보면, 각 재료의 오차율이 최소는 0.9%에서부터 최대는 2.8%까지 발생되었음을 알 수 있으며, 상기와 같이 오차율이 현저히 낮은편에 속하므로, 측정에 따른 정확도가 높다는 것을 알 수 있다.
즉 본 발명에 따른 열팽창계수 측정장치는 측정에 따른 오차율을 최소화할 수 있으므로, 높은 정확도를 얻을 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 알 수 있다.
10 : 제1시편 20 : 제2시편
30 : 측점 100 : 가열유닛
110 : 유리창 120 : 도어
130 : 컨트롤러 140 : 홀더부
141 : 후면가림막 142 : 전면가림막
143 : 스페이서 144 : 가이드부재
200 : 측정유닛 210 : 단말기
220 : 디스플레이기기

Claims (11)

  1. 시편이 지지되는 공간을 제공하는 홀더부가 구비되며, 상기 공간에 열풍을 공급하는 가열유닛; 및 상기 시편의 열팽창계수를 측정하는 측정유닛;을 포함하는 열팽창계수 측정장치에 있어서,
    상기 홀더부는
    시편에 열풍이 직접적으로 공급되는 것을 차단하도록, 상기 시편의 후면과 전면에 후면가림막 및 전면가림막이 각각 구비되어, 열풍이 직접적으로 시편이 흔들리게 하는 것을 방지하면서 후면가림막과 전면가림막 사이 공간이 열풍과 동일한 온도를 유지하며,
    상기 후면가림막과 전면가림막 사이에 구비되어 후면가림막과 전면가림막이 상호 이격되도록 하는 스페이서; 및
    상기 후면가림막과 전면가림막 사이에 구비되며 시편의 상측을 고정시키는 가이드부재;를 포함하여 구성되며,
    상기 후면가림막 및 전면가림막 사이에 구비되는 시편에 상호 이격된 한 쌍의 측점을 형성하되, 열풍에 의한 승온시, 상기 측점 사이의 거리 변화량을 실시간으로 측정하고,
    상기 후면가림막은 인바(Invar)로 이루어지고, 전면가림막은 유리로 이루어지며,
    상기 가이드부재는
    시편이 포장지(foil) 또는 필름(film) 타입으로 이루어진 제2시편인 경우, 상기 제2시편 상측을 지지하되, 제2시편이 후면가림막의 내주면에 면접촉되도록 하고,
    상기 후면가림막의 내주면은 세라믹 코팅되며,
    세라믹 코팅된 후면가림막과 유리로 이루어진 전면가림막 사이에 발생되는 정전기에 의해, 제2시편이 후면가림막의 내주면에 면접촉되도록 하되, 펴진 상태가 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 열팽창계수 측정장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 후면가림막 및 전면가림막 사이에 다수 개의 시편이 구비되되,
    시편 각각에 상호 이격된 한 쌍의 측점을 형성하여, 열풍에 의한 승온시, 상기 측점 사이의 거리 변화량을 각각 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 하는 열팽창계수 측정장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 시편의 후면과 전면에 각각 구비되는 후면가림막 및 전면가림막 사이의 간격은 상측에서 하측으로 갈수록 점점 좁아지는 것을 특징으로 하는 열팽창계수 측정장치.
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