KR101899154B1 - 다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 시스템(100)이 제공된다. 상기 시스템은 상기 다층 구조물의 제 1 표면과 접촉하여 배치되도록 구성되는 제 1 샘플 접촉 표면(126)을 갖는 제 1 전극(122)을 포함하는 샘플 결합 부재(108)와; 상기 다층 구조물의 제 2 표면과 접촉하여 배치되도록 구성되는 제 2 샘플 접촉 표면(128)을 갖는 제 2 전극(124)으로서, 상기 제 2 표면은 상기 제 1 표면에 대향하는, 상기 제 2 전극(124)과; 실질적으로 지정된 샘플링 압력에서 다층 구조물에 대해 상기 제 1 전극을 가압하도록 구성되는 압력 제어 장치(144)로서, 상기 샘플링 압력은 샘플의 전기적 임피던스가 샘플(102)과 연계된 기준 임피던스를 따르는 압력인, 상기 압력 제어 장치(144)와; 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 전기적으로 연결되는 측정 장치(160)로서, 상기 측정 장치는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 전기적 임피던스를 측정하도록 구성되는, 상기 측정 장치(160)를 포함한다.

Description

다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR USE IN DETERMINING THE THICKNESS OF A LAYER OF INTEREST IN A MULTI-LAYER STRUCTURE}
본 명세서에 개시되는 발명은 일반적으로 구조물 측정에 관한 것으로서, 특히, 다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
적어도 일부 알려진 측정 시스템들은 전극을 이용하여 구조물의 두 표면 사이의 임피던스를 결정한다. 전극은 은 페이스트(silver paste)와 같은 전도성 접촉 매체를 이용하여 구조물에 전기적으로 연결된다. 특히, 은 페이스트와 같은 매체의 이용은, 안정한 임피던스 측정이 달성될 수 있기 전에 상당한 지연을 야기한다. 더욱이, 측정이 이루어지고 전극이 제거된 이후에, 구조물로부터 잔류 은 페이스트를 제거해야 한다. 따라서, 이러한 측정 시스템은 상당한 시간 및 노동 비용을 수반하게 된다.
본 발명은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 개량된 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 형태에서, 다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 샘플 결합 부재를 포함한다. 샘플 결합 부재는 상기 다층 구조물의 제 1 표면과 접촉하여 배치되도록 구성되는 제 1 샘플 접촉 표면을 갖는 제 1 전극을 포함한다. 시스템은 상기 다층 구조물의 제 2 표면과 접촉하여 배치되도록 구성되는 제 2 샘플 접촉 표면을 갖는 제 2 전극을 또한 포함한다. 상기 제 2 표면은 상기 제 1 표면에 대향하여 놓인다. 이러한 시스템은 실질적으로 지정된 샘플링 압력에서 다층 구조물에 대해 상기 제 1 전극을 가압하도록 구성되는 압력 제어 장치를 더 포함한다. 샘플링 압력은 샘플의 전기적 임피던스가 샘플과 연계된 기준 임피던스를 따르는 압력이다. 시스템은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 전기적으로 연결되는 측정 장치를 또한 포함한다. 상기 측정 장치는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 전기적 임피던스를 측정하도록 구성된다.
다른 형태에서, 다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 샘플 결합 부재와, 상기 샘플 결합 부재에 연결된 힘 인가 장치를 포함한다. 샘플 결합 부재는 샘플 접촉 표면 및 상기 샘플 접촉 표면에 대향된 힘 인가 표면을 구비한 전극을 포함한다. 샘플 접촉 표면은 다층 구조물의 표면과 접촉하여 배치되도록 구성된다. 상기 샘플 결합 부재는 상기 다층 구조물의 온도를 조정하도록 구성되는 온도 조정 요소를 또한 포함한다. 상기 힘 인가 장치는 상기 전극의 상기 힘 인가 표면에 힘을 인가하도록 구성된다.
또 다른 형태에서, 다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 다층 구조물의 제 1 표면과 접촉하도록 제 1 전극을 배치하는 단계를 포함한다. 제 2 전극이 다층 구조물의 제 2 표면과 접촉하도록 배치된다. 제 2 표면은 제 1 표면과 실질적으로 대향된다. 제 1 전극은 지정된 샘플링 압력에서 다층 구조물에 대해 가압되고, 다층 구조물의 온도는 지정된 샘플링 온도로 조정된다. 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 전기적 임피던스가 측정된다.
여기서 설명되는 실시예는 첨부 도면과 연계하여 다음의 설명을 참조함으로써 더욱 쉽게 이해될 수 있다.
도 1은 다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하기 위한 예시적인 시스템의 다이어그램,
도 2는 도 1에 도시된 샘플 및 샘플 결합 부재의 확대도,
도 3은 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 예시적인 방법의 흐름도,
도 4는 원통형 구조물 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 예시적인 장치의 다이어그램.
본 명세서에서 설명되는 실시예는 은 페이스트와 같은 고착 전도성 매체의 이용없이 다층 구조물 내 관심층의 두께 결정을 용이하게 한다. 예시적인 실시예에서, 제 1 전극이 다층 구조물의 표면과 직접 접촉하도록 배치되고, 지정된 샘플링 압력에서 표면에 대해 가압된다. 더욱이, 구조물의 온도가 지정된 샘플링 온도로 조정될 수 있다. 구조물의 다른 표면에 제 2 전극이 배치되고, 두 전극 사이의 임피던스와 같은 전기적 특성이 측정된다.
관심층은 다층 구조물의 내부층일 수 있다. 예를 들어, 고온 작동용으로 설계된 구성요소는 열-유도 손상으로부터 금속 구조물을 보호하는 열 장벽 코팅(TBC: Thermal Barrier Coating)으로 덮힌 표면을 갖는 금속 구조물을 포함할 수 있다. 열 장벽 코팅은 본드 코트(bond coat)에 의해 금속 기판에 연결될 수 있다. 구조물이 고온에 노출됨에 따라, 본드 코트가 산화되어, 금속 기판에 열 장벽 코팅을 연결하기 위한 본드 코트의 기능을 저하시킬 수 있다. 본드 코트의 산화된 부분은 열-성장 산화물(TGO: Thermal Grown Oxide)이라 불릴 수 있다. 열-성장 산화물 두께의 정확한 결정은 구조물의 수리 및/또는 교체를 적시에 가능하게 할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 방법, 시스템, 장치의 예시적인 기술적 작용은, (a) 지정된 샘플링 압력에서 다층 구조물에 대해 제 1 전극을 가압하는 단계와, (b) 다층 구조물의 온도를 지정된 샘플링 온도로 조정하는 단계와, (c) 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 전기적 특성을 측정하는 단계와, (d) 측정된 전기적 특성에 적어도 기초하여 관심층의 두께를 결정하는 단계 중 적어도 하나를 포함한다.
도 1은 다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하기 위한 예시적인 시스템(100)의 블록도이다. 관심층의 두께는 다층 구조물의 적어도 일부분을 포함하는 하나 이상의 샘플(102)에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 다층 구조물은 빔일 수 있고, 샘플(102)은 빔의 길이의 일부분을 나타낼 수 있다. 샘플(102)은 제 1 표면(104)과, 제 1 표면(104)에 실질적으로 대향된 제 2 표면(106)을 포함한다. 시스템(100)은 제 1 샘플 결합 부재(108) 및 제 2 샘플 결합 부재(110)를 포함한다.
도 2는 샘플(102), 제 1 샘플 결합 부재(108), 및 제 2 샘플 결합 부재(110)의 확대도이다. 예시적인 실시예에서, 샘플(102)의 제 1 표면(104)은, 본드 코트층(116)에 의해 구조층 또는 기판(114)에 연결되는 표면층(112)에 의해 형성된다. 예를 들어, 표면층(112)은 열-유도 손상으로부터 구조층(114)을 보호하기 위해, 세라믹 물질과 같은 열 장벽 코팅(TBC)을 포함할 수 있다.
작동 시에, 본드 코트층(116)은 구조물이 열에 노출됨에 따라 열-성장 산화물(TGO)층(118)으로 전환될 수 있다. 따라서, 열-성장 산화물층(118)의 두께는 시간에 따라 변할 수 있다. 본드 코트층(116) 및 열-성장 산화물층(118)은 서로 다른 레벨의 임피던스 또는 일부 다른 전기적 특성을 나타내어서, 도 3을 참조하여 아래에서 설명되는 바와 같이, 열-성장 산화물층(118) 및/또는 본드 코트층(116)의 두께를 결정하게 할 수 있다. 열-성장 산화물층(118)의 두께가 지정된 임계치를 초과할 때, 또는, 대안적으로, 본드 코트층(116)의 두께가 지정된 임계치 미만으로 떨어질 때, 샘플(102)에 의해 대표되는 구조물은 수리 및/또는 교체될 수 있다. 샘플(102)이 특정 조성을 갖는 것으로 앞서 설명하였지만, 시스템(100)은 전기적 특성의 변화를 나타내는 임의의 크기의 층들을 갖는 구조물 내 관심층의 두께를 결정할 수 있게 한다.
예시적인 실시예에서, 제 1 샘플 결합 부재(108)는 제 1 전극(122)을 포함하고, 제 2 샘플 결합 부재(110)는 제 2 전극(124)을 포함한다. 제 1 전극(122)은 샘플(102)의 제 1 표면(104)과 접촉하여 배치되도록 구성되는 제 1 샘플 접촉 표면(126)을 포함한다. 제 2 전극(124)은 샘플(102)의 제 2 표면(106)과 접촉하여 배치되도록 구성되는 제 2 샘플 접촉 표면(128)을 포함한다.
일부 실시예에서, 제 1 샘플 접촉 표면(126)은 샘플(102)의 제 1 표면(104)의 형상에 대응하는 형상을 갖는다. 더욱이, 제 2 샘플 접촉 표면(128)은 샘플(102)의 제 2 표면(106)의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 제 1 표면(104) 및 제 2 표면(106)은 평탄하다. 따라서, 제 1 샘플 접촉 표면(126) 및 제 2 샘플 접촉 표면(128) 역시 평탄한다. 제 1 샘플 접촉 표면(126) 및/또는 제 2 샘플 접촉 표면(128)의 형상은 평탄하거나, (도 4를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이) 원호형이거나, 곡선형이거나, 각도를 갖거나, 오목하거나, 볼록하거나, 및/또는 제 1 표면(104) 및/또는 제 2 표면(106)에 대응하는(예를 들어, 상보적인) 다른 형태를 취할 수 있다. 샘플 표면(104, 106)에 대응하도록 샘플 접촉 표면(126, 128)을 성형함으로써, 전극(122, 124)과 샘플(102) 사이의 전기 전도도 및/또는 접촉 면적이 증가하게 된다.
제 1 전극(122)은 샘플 접촉 표면(126)에 대향한 힘 인가 표면(130)을 또한 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 전극(122)은, 도 1 및 도 2를 참조하여 아래 설명되는 바와 같이, 제 1 샘플 결합 부재(108)를 통해 힘 인가 표면(130)에 힘을 인가함으로써, 샘플(102)에 대해 가압된다.
일부 실시예는 샘플(102)의 적어도 일부분의 온도 조정을 촉진시킨다. 이러한 실시예에서, 제 1 샘플 결합 부재(108)는 하나 이상의 온도 조정 요소(132)를 포함하고, 온도 조정 요소(132)와 제 1 전극(122) 사이에 열전도층(134)을 포함할 수 있다. 열전도층(134)은 전기적으로 비전도체여서, 제 1 전극(122)을 제 1 샘플 결합 부재(108)로부터 전기적으로 절연시킬 수 있다.
온도 조정 요소(132)는, 제 1 표면(104)에 열 에너지를 인가하고 제 1 표면(104)으로부터 열 에너지를 추출함으로써, 샘플(102)의 온도를 상승 및/또는 하강시키도록 구성된다. 온도 조정 요소(132)는, 예를 들어, 열 전도체, 전기 가열 요소, 유체를 함유 및/또는 운반하도록 구성되는 채널, 및/또는 샘플(102)의 가열 및/또는 냉각에 적합한 임의의 구조물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 샘플 결합 부재(110)는, 제 2 표면(106)에 열 에너지를 인가하고 제 2 표면(106)으로부터 열 에너지를 추출함으로써, 샘플(102)의 온도를 조정하도록 구성되는 온도 조정 요소(136)를 또한 포함한다. 제 2 샘플 결합 부재(110)는 온도 조정 요소(136)와 제 2 전극(124) 사이에 위치하는 열전도층(138)을 또한 포함할 수 있다. 추가적으로, 또는, 대안적으로, 도 4를 참조하여 아래에서 설명되는 바와 같이, 제 2 전극(124) 위에 절연체가 위치한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 시스템(100)은 제 1 샘플 결합 부재(108) 및/또는 제 2 샘플 결합 부재(110)에 연결된 힘 인가 장치(140)를 포함한다. 힘 인가 장치(140)는 제 1 샘플 결합 부재(108)를 통해 제 1 전극(122)의 힘 인가 표면(130)에 힘을 인가하도록 구성된다. 힘 인가 장치(140)는, 일 실시예에서, 전동식 스크루 메커니즘, 유압 피스톤, 및/또는 샘플(102)에 대해 제 1 전극(122)을 가압하기에 적합한 다른 장치를 포함한다.
힘 인가 장치(140)에 의해 샘플(102)에 인가되는 힘을 측정하도록 하나 이상의 로드 셀(142)이 구성된다. 예를 들어, 도 1에서 도시되는 실시예에서, 힘 인가 장치(140)는 제 1 샘플 결합 부재(108)를 제 2 샘플 결합 부재(110)를 향하여 힘을 가하도록 구성된다. 따라서, 로드 셀(142)은 제 1 샘플 결합 부재(108) 및 제 2 샘플 결합 부재(110) 사이에 배치될 수 있다.
압력 제어 장치(144)는 힘 인가 장치(140) 및 로드 셀(142)과 통신 연결된다. 예를 들어, 압력 제어 장치(144)는 통신 케이블(146)에 의해 힘 인가 장치(140)에, 그리고, 통신 케이블(148)에 의해 로드 셀(142)에 연결된다. 대안으로서, 압력 제어 장치(144)는 무선 통신 채널(도시되지 않음)에 의해 힘 인가 장치(140) 및/또는 로드 셀(142)에 연결될 수 있다.
압력 제어 장치(144)는 지정된 샘플링 압력에서 샘플(102)에 대해 제 1 전극(122)을 가압하도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 압력 제어 장치(144)는 제 1 전극(122)과 샘플(102) 사이의 접촉 면적과 로드 셀(142)로부터 측정된 힘에 적어도 기초하여 인가된 압력을 결정한다. 예를 들어, 접촉 면적은 제 1 샘플 접촉 표면(126)의 면적과 제 1 접촉 표면(104)의 면적에 기초하여 결정될 수 있다. 제 1 샘플 접촉 표면(126)이 제 1 표면(104)의 형상에 대응하는 형상을 가질 경우, 접촉 면적은 제 1 샘플 접촉 표면(126)의 면적과 제 1 표면(140)의 면적 중 작은 것으로 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 압력 제어 장치(144)는 지정된 샘플링 압력과 실질적으로 동일할 때까지(예를 들어, 0.5%, 1%, 또는 5% 이내일 때까지) 힘 인가 장치(140)에 의해 인가되는 힘을 제어한다.
온도 제어 장치(150)는 온도 조정 라인(1520에 의해 온도 조정 요소(132, 136)에 연결된다. 온도 제어 장치(150)는 온도 조정 라인(152) 및 온도 조정 요소(132, 136)를 통해 지정된 샘플링 온도로 샘플(102)의 적어도 일부분의 온도를 조정하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 온도 조정 요소(132, 136)는 전기 가열 요소 및/또는 냉각기이다. 이러한 실시예에서, 온도 조정 라인(152)은 통신 케이블이고, 이러한 통신 케이블에 의해 온도 제어 장치(150)가 온도 조정 요소(132, 136)의 작동을 제어한다. 추가적으로, 또는, 대안으로서, 온도 조정 라인(152)은 전류가 통과하는 전도체일 수 있다. 다른 실시예에서, 온도 조정 요소(132, 136)는 유체를 함유 및/또는 운반하기 위한 채널이다. 이러한 실시예에서, 온도 조정 라인(152)은 유체 용기(예를 들어, 파이프 및/또는 튜브)일 수 있고, 온도 제어 장치(150)는 유체 히터 및/또는 유체 냉각기를 포함할 수 있고, 선택적으로, 유체 용기를 통해 유체를 순환시키기 위한 펌프를 포함할 수 있다.
측정 장치(160)가 제 1 전극(122) 및 제 2 전극(124)에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 측정 장치(160)는 제 1 전도체(162)에 의해 제 1 전극(122)에 연결되고, 제 2 전도체(164)에 의해 제 2 전극(124)에 연결된다. 측정 장치(160)는 제 1 전극(122)과 제 2 전극(124) 사이의 전기적 특성(예를 들어, 임피던스, 저항, 인덕턴스, 및/또는 커패시턴스)을 측정하도록 구성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 측정 장치(160)는 전력 공급원(예를 들어, 정전위 장치(potentiostat))과, 전기화학적 임피던스 분광법(EIS: Electrochemical Impedance Spectroscopy)을 수행하기 위한 주파수 반응 분석기(FRA: Frequency Response Analyzer)를 포함한다. 추가적으로, 측정 장치(160)는 도 3을 참조하여 아래 설명되는 바와 같이, 측정된 전기 임피던스에 적어도 기초하여, 관심층의 두께를 결정하도록 또한 구성된다.
도 3은 다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 예시적인 방법(300)의 흐름도이다. 방법(300)의 일부분은 압력 제어 장치(144), 온도 제어 장치(150), 및 측정 장치(160)(모두 도 1에 도시됨)와 같은 기계 및/또는 연산 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 더욱이, 압력 제어 장치(144), 온도 제어 장치(150), 및 측정 장치(160)의 기능들이 임의의 개수의 연산 장치로 조합될 수 있다. 예를 들어, 측정 장치(160)가, 압력 제어 장치(144) 및 온도 제어 장치(150)와 관련하여 설명된 모든 작동들을 실행할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 샘플링 압력 및/또는 샘플링 온도가 결정된다(305). 샘플링 압력은 전극이 다층 구조물의 샘플 표면에 대해 가압되는 압력이다. 샘플링 온도는 다층 구조물이 조정되어 도달하게 될 온도이다.
일 실시예에서, 샘플링 압력은 구조물에 대해 실험적으로 결정된다(305). 예를 들어, 이러한 구조물의 샘플, 또는 유사 구조물의 샘플이 선택되고, 전극이 은 페이스트와 같은 점성질 전도성 액체를 이용하여 샘플의 두 표면에 전기적으로 연결된다. 두 전극 사이의 임피던스가 측정되고, 기준 임피던스로 간주된다. 전극은 점성질 전도성 액체없이 동일 샘플의 표면에 대해 배치되고, 적어도 하나의 전극이 가변 레벨의 압력에서 샘플 표면에 대해 가압됨에 따라 임피던스가 측정된다. 기준 임피던스를 "따르거나" 기준 임피던스와 실질적으로 동일한 (예를 들어, 0.5%, 1%, 또는, 5% 범위 내인) 임피던스 측정을 생성하는 최저 샘플링 압력이, 이러한 샘플링 압력으로 결정된다(305). 일부 실시예에서, 상기의 프로세스는 관심층의 두께가 알려진 유사 구조물에 대해 반복되고, 유사 구조물 간에 기준 임피던스를 따르는 임피던스 측정을 생성하는 최저 샘플링 압력이 샘플링 압력으로 결정된다(305). 임피던스가 상기에서 구체적으로 설명되었으나 샘플링 압력은, 임의의 전기적 특성이 대응하는 기준 전기적 특성을 따르는 압력으로 결정될 수 있다(305).
샘플링 온도는 다층 구조물의 표면들 사이의 관심 대상인 전기적 특성(예를 들어, 임피던스)이 관심층의 두께에 기초하여 변하는 온도로 결정된다(305). 일 실시예에서, 구조물의 샘플링 온도가 실험적으로 결정된다(305). 예를 들어, 관심층의 두께가 알려진 유사 구조물이 선택된다. 이러한 유사 구조물에서의 임피던스가 온도 변화에 따라 측정되고, 임피던스가 관심층 두께와 가장 밀접하게 상관되는 온도가 샘플링 온도로 결정된다(305).
도 2를 참조하면, 일 실시예에서, 구조층(114) 및 본드 코트층(116)이 금속성이고, 넓은 온도 범위에 걸쳐 비교적 무시할만한 임피던스를 나타낸다. 표면층(112)은 대략 섭씨 400도(400℃) 및 그 이상의 온도에서 비교적 무시할만한 임피던스를 나타내는 이온성 전도체(예를 들어, 세라믹 물질)이다. 이와 달리, 열-성장 산화물층(118)은 넓은 온도 범위에 걸쳐 비교적 높은 임피던스를 나타낸다. 따라서, 400℃ 이상의 온도에서, 제 1 표면(104)과 제 2 표면(106) 사이의 임피던스는 열-성장 산화물층(118)의 두께에 의해 주로 결정되고, 400℃는 샘플링 온도로 결정된다(305).
도 1 및 도 3을 다시 참조하면, 일부 실시예에서, 샘플링 압력 및/또는 샘플링 온도가 제어되는 설정에서(예를 들어, 실험실에서) 다층 구조물에 대해 결정되고(305), 다층 구조물의 복수의 재생성물에 대해 적용된다. 일례로서, 특정 구성요소에 대한 샘플링 압력 및 샘플링 온도가 이 구성요소에 대응하는 부품 번호와 연계되고, 이어서, 동일한 부품 번호와 연계된 임의의 성분 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용된다.
관심층의 두께와 전기적 특성(예를 들어, 임피던스, 인덕턴스, 및/또는 커패시턴스) 사이의 관계는, 일부 실시예에서, 샘플링 압력 및/또는 샘플링 온도를 결정(305)하는데 사용되는 데이터와 동일한 데이터를 이용하여 결정된다(310). 예를 들어, 일 실시예에서, 샘플링 온도에 대응하는 층 두께 및 측정된 임피던스의 값이 그래프로 그려지고, 층 두께와 임피던스 사이의 관계를 표현하기 위해 최적-피트 라인(best-fit line)을 형성하는 함수가 연산된다. 따라서, 예시적인 실시예에서, 방법(300)에 의해 평가되는 구조물에 대응하는 전기적 특성 및 층 두께 사이의 관계는, 평가되는 구조물과 유사하거나 평가되는 구조물을 나타내는 구조물에 기초하여 결정된다(310).
도 1 및 도 3을 참조하면, 제 1 전극(122)이 다층 구조물의 샘플(102)의 제 1 표면(104)과 접촉하도록 배치된다(315). 제 2 전극(124)은 샘플(102)의 제 2 표면(106)과 접촉하도록 배치된다(320). 예시적인 실시예에서, 샘플(102)은, 제 1 전극(122)을 포함하는 제 1 샘플 결합 부재(108)와, 제 2 전극(124)을 포함하는 제 2 샘플 결합 부재(110) 사이에 배치된다.
압력 제어 장치(144)는 힘 인가 장치(140)를 통해 샘플링 압력에서 샘플(102)에 대해(예를 들어, 제 1 표면(104)에 대해) 제 1 전극(122)을 가압한다(325). 예시적인 실시예에서, 압력 제어 장치(144)는 로드 셀(142)을 이용하여 힘 인가 장치(140)에 의해 인가되는 힘의 크기를 모니터링한다. 인가되는 힘은 인가되는 압력을 연산하기 위해 제 1 전극(122)과 제 1 표면(104) 사이의 접촉 면적으로 나누어진다. 압력 제어 장치(144)는, 인가된 압력이 샘플링 압력과 실질적으로 동일하도록(예를 들어, 0.5%, 1%, 또는, 5% 내에 있도록), 힘 인가 장치(140)에 의해 인가되는 힘을 조정한다.
온도 제어 장치(150)는 샘플(102)의 적어도 일부분의 온도를 실질적으로 샘플링 온도로(예를 들어, 0.5%, 1%, 또는, 5% 내로) 조정한다(예를 들어, 가열하거나 냉각시킨다)(330). 예시적인 실시예에서, 온도 제어 장치(150)는 온도 조정 요소(132)를 작동시켜서 제 1 표면(104)에서의 샘플(102) 온도를 조정한다. 직접 접촉에 의한 샘플(102) 온도의 조정(330)은 대류와 같은 다른 온도 조정 방법에 비해 짧은 시간 내에 정밀하게 샘플링 온도의 달성을 촉진시킨다. 일부 실시예에서, 온도 제어 장치(150)는 온도 조정 요소(136)를 또한 작동시켜서, 제 2 표면(106)에서의 샘플(102) 온도를 조정한다. 추가적으로, 또는, 대안적으로, 제 2 표면(106)이 절연된다(322).
측정 장치(160)는 제 1 전극(122)과 제 2 전극(124) 사이의 전기적 특성을 측정한다(335). 일부 실시예에서, 측정 장치는 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 적용하는 등의 방식으로, 전기적 임피던스를 측정한다(335). 예시적인 실시예에서, 측정 장치(160)는 지정 주파수 범위(예를 들어, 100 Hz 내지 1 MHz)에 대해 제 1 전도체(162)를 통해 제 1 전극(122)과 제 2 전도체(164)를 통해 제 2 전극(124) 사이에서 교류 전류 또는 전압 입력 신호를 인가한다. 이 신호는, 제한없이, 정전위 장치를 포함할 수 있는 전력 공급원에 의해 생성된다. 측정되는 다른 전기적 특성은 인덕턴스, 커패시턴스, 및/또는, 여기서 설명되는 방법과 함께 이용하기 적절한 다른 특성을 포함할 수 있다.
관심층(예를 들어, 도 2에 도시되는 본드 코트층(116), 열-성장 산화물층(118))의 두께는 측정되는 전기적 특성에 적어도 기초하여 결정된다(340). 예시적인 실시예에서, 두게는 앞서 결정된(310) 임피던스와 두께 사이의 관계와 측정된 전기적 임피던스에 기초하여 결정된다(340).
일부 실시예에서, 구조물의 다중 샘플(102)이 방법(300)을 이용하여 평가된다. 일 실시예에서, 구조물의 규칙적으로 이격된 부분들이 샘플(102)로 취급된다. 각각의 샘플(102)에 대하여, 전극(122, 124)이 배치되고(315, 320), 제 1 전극(122)이 샘플(102)에 대해 가압되며(325), 샘플(102)의 온도가 조정되고(330), 전기적 임피던스가 측정되며(335), 관심층의 두께가 결정된다(340). 일부 실시예에서, 임의의 샘플(102)에 대응하는 관심층의 두께가 (예를 들어, 나노미터, 마이크로미터, 또는 밀리미터 단위로 지정된) 수용가능한 값의 범위를 벗어날 경우, 구조물은 수리 및/또는 교체된다.
도 4는 원통형 구조물(405) 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 예시적인 장치(400)의 다이어그램이다. 장치(400)는 제 1 전극(415)을 구비한 샘플 결합 부재(410)를 포함한다. 샘플 결합 부재(410) 및 제 1 전극(415)은 원통형 구조물(405)의 내측 표면(420)에 대해 배치된다. 제 2 전극(425)은 원통형 구조물(405)의 외측 표면(430)에 대해 위치한다. 제 1 전극(415) 및 제 2 전극(425)은 내측 표면(420) 및 외측 표면(430)의 형상에 각각 대응하도록 원호형상으로 형성된다. 작동 시에, 제 1 전극(415) 및 제 2 전극(425)이 측정 장치(160)(도 1에 도시됨)에 연결된다.
장치(400)는 (도 1에 도시되는) 힘 인가 장치(140)와 작동 면에서 유사한 힘인가 장치(435)를 포함한다. 특히, 힘 인가 장치(435)는 내측 표면(420)에 대해 제 1 전극(415)을 가압한다. 힘 인가 장치(435)에 의해 인가되는 힘은 (도 1에 도시되는) 로드 셀(142)과 작동 면에서 유사한 로드 셀(440)에 의해 측정된다.
예시적인 실시예에서, 힘 인가 장치(435)는 샤프트(445)에 의해 샘플 결합 부재(410)에 연결된다. 샤프트(445)는 샘플 결합 부재(410)에 대향하여 구조물 결합 부재(450)에 또한 연결된다. 제 1 전극(415)과 마찬가지로, 샘플 결합 부재(410) 및 구조물 결합 부재(450)는 내측 표면(420)의 형상에 대응하는 형상을 갖는다. 힘 인가 장치(435)가 샤프트(445)를 따라 팽창력을 가함에 따라, 샘플 결합 부재(410) 및 구조물 결합 부재(450)는 내측 표면(420)에 대해 가압된다. 예시적인 실시예에서, 힘 인가 장치(435) 및 로드 셀(440)은 (도 1에 도시되는) 압력 제어 장치(144)와 통신 연결된다.
샘플 결합 부재(410)는 (도 1 및 도 2에 도시되는) 온도 조정 요소(132, 136)와 작동 면에서 유사한 복수의 온도 조정 요소(455)를 또한 포함한다. 온도 조정 요소(455)는 제 1 전극(415) 인근의 내측 표면(420)의 온도를 조정한다. 예시적인 실시예에서, 온도 조정 요소(455)는 (도 1에 도시되는) 온도 제어 장치(150)에 연결된다.
일부 실시예에서, 절연체(460)가 제 2 전극(425) 인근의 외측 표면(430) 상에 위치한다. 절연체(460)는 온도 조정 요소(455)가 작동할 때 제 1 전극(415)과 제 2 전극(425) 사이에서 일관된 온도를 제공한다.
제 1 전극(415)과 제 2 전극(425) 사이의 원통형 구조물(405)의 일부분은 샘플(465)로 불릴 수 있다. 일 실시예에서, 원통형 구조물(465) 내 관심층의 두께는 원통형 구조물(405)에 대해 장치(400)를 회전시킴으로써 복수의 샘플(465)에 대해 결정된다. 일례로서, 대략 36도의 회전에 의해 각각 분리되는 10개의 샘플이, (도 3에 도시되는) 방법(300)에 따라 평가된다.
여기서 제공되는 실시예는 다층 구조물 내의, 열-성장 산화물(TGO)층과 같은 관심층의 두께를 결정할 수 있다. 더욱이, 예시적인 실시예는 고착 접촉성 또는 전도성 매체를 제거할 필요없이 짧은 시간 내에 두께를 정확하게 결정할 수 있다.
여기서 설명되는 방법 및 시스템은 여기서 설명되는 구체적 실시예만으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 각 시스템의 구성요소 및/또는 각 방법의 단계들이 여기서 설명되는 다른 구성요소 및/또는 단계들과 별도로 독립적으로 사용 및/또는 실시될 수 있다. 추가적으로, 각각의 구성요소 및/또는 단계가 다른 장치 및 방법과 함께 이용되거나 실시될 수도 있다.
일부 실시예들은 하나 이상의 전자 장치 또는 연산 장치의 이용을 포함할 수 있다. 이러한 장치는 범용 중앙 처리 유닛(CPU), 그래픽 처리 유닛(GPU), 마이크로컨트롤러, RISC(Reduced Instruction Set Computer) 프로세서, ASIC(Application Specific Integrated Circuit), PLC(Programmable Logic Circuit), 및/또는, 본 명세서에서 설명되는 기능을 실행할 수 있는 임의의 다른 회로 또는 프로세서와 같은, 프로세서 또는 컨트롤러를 포함하는 것이 일반적이다. 본 명세서에서 설명되는 방법은 저장 장치 및/또는 메모리 장치를 포함하지만, 이에 제한되지 않는, 컴퓨터 판독형 매체에 구체화되는 실행가능 명령으로 인코딩될 수 있다. 이러한 명령은, 프로세서에 의해 실행될 때, 여기서 설명되는 방법의 적어도 일부분을 프로세서 하여금 실행하게 한다. 이러한 예들은 예시적인 것에 불과하며, 따라서, 어떤 방식으로든 프로세서라는 용어의 정의 및/또는 의미를 제한하지 않는다.
이러한 서면의 설명은 예들을 이용하여 최적 모드를 포함하여, 본 발명을 개시하며, 당 업자로 하여금, 임의의 장치나 시스템의 제작 및 이용과, 채택된 방법의 실행을 포함하여, 본 발명을 실시할 수 있게 한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되고, 당 업자에게 나타나는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은, 청구범위의 글자 그대로의 기재와 다르지 않은 구조적 요소들을 가질 경우, 또는, 청구범위의 글자 그대로의 기재와 실질적 차이가 없는 대등한 구조적 요소들을 포함할 경우, 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
100 : 다층 구조물 내 관심층의 두께 결정 시스템
102, 465 : 샘플 108, 110 : 샘플 결합 부재
122 : 제 1 전극 124 : 제 2 전극
126 : 제 1 샘플 접촉 표면 128 : 제 2 샘플 접촉 표면
132, 136, 455 : 온도 조정 요소 140 : 힘 인가 장치
142 : 로드 셀 144 : 압력 제어 장치
150 : 온도 제어 장치 160 : 측정 장치
400 : 다층 구조물 내 관심층의 두께 결정 장치

Claims (10)

  1. 다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 시스템(100)에 있어서,
    상기 다층 구조물의 제 1 표면과 접촉하여 배치되도록 구성되는 제 1 샘플 접촉 표면(126)을 갖는 제 1 전극(122)을 포함하는 샘플 결합 부재(108)와,
    상기 다층 구조물의 제 2 표면과 접촉하여 배치되도록 구성되는 제 2 샘플 접촉 표면(128)을 갖는 제 2 전극(124)으로서, 상기 제 2 표면은 상기 제 1 표면에 대향하는, 상기 제 2 전극(124)과,
    상기 다층 구조물에 대해 상기 제 1 전극을 실질적으로 지정된 샘플링 압력으로 가압하도록 구성되는 압력 제어 장치(144)로서, 상기 샘플링 압력은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 기준 전기적 임피던스와 동일한 임피던스 값을 생성하는 최저 압력이고, 상기 기준 전기적 임피던스는 정해진 종류의 다층 구조물의 두 표면에 점성질 전도성 액체를 이용하여 결합된 두 전극 사이의 임피던스인, 상기 압력 제어 장치(144)와,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 전기적 임피던스를 측정하도록 구성되는 측정 장치(160)를 포함하는
    다층 구조물 내 관심층의 두께 결정용 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 장치(160)는 측정된 전기적 임피던스에 적어도 부분적으로 기초하여 관심층의 두께를 결정하도록 또한 구성되는
    다층 구조물 내 관심층의 두께 결정용 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 측정 장치(160)는 상기 다층 구조물에 대응하는 관심층의 두께와 전기적 임피던스 사이의 지정된 관계에 또한 기초하여 관심층의 두께를 결정하도록 또한 구성되는
    다층 구조물 내 관심층의 두께 결정용 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플 결합 부재(108)에 연결되고, 상기 압력 제어 장치(144)와 통신 연결되는 힘 인가 장치(140)와,
    상기 압력 제어 장치와 통신 연결되고, 상기 힘 인가 장치에 의해 상기 다층 구조물에 인가되는 힘을 측정하도록 구성되는 로드 셀(142)을 더 포함하며,
    상기 압력 제어 장치는 상기 제 1 샘플 접촉 표면(126)과 상기 다층 구조물 사이의 접촉 면적과 측정된 힘에 적어도 부분적으로 기초하여 지정된 샘플링 압력에서 상기 다층 구조물에 대해 상기 제 1 전극(122)을 가압하도록 구성되는
    다층 구조물 내 관심층의 두께 결정용 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플 결합 부재(108)는 다층 구조물의 온도를 조정하도록 구성되는 하나 이상의 온도 조정 요소를 더 포함하는
    다층 구조물 내 관심층의 두께 결정용 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 온도 조정 요소(136)에 연결되고, 상기 온도 조정 요소를 통해 지정된 샘플링 온도로 다층 구조물의 온도를 조정하도록 구성되는 온도 제어 장치(150)를 더 포함하는
    다층 구조물 내 관심층의 두께 결정용 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 샘플 결합 부재는 복수의 제 1 온도 조정 요소(136)를 포함하는 제 1 샘플 결합 부재(108)이고, 상기 시스템은 제 2 샘플 결합 부재(110)를 더 포함하며,
    상기 제 2 샘플 결합 부재(110)는, 상기 제 2 전극(124)과, 복수의 제 2 온도 조정 요소(455)를 포함하는
    다층 구조물 내 관심층의 두께 결정용 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 장치(160)는 지정된 주파수 범위에 걸쳐서 상기 제 1 전극(122)과 상기 제 2 전극(124) 사이의 전기적 임피던스를 측정하도록 구성되는
    다층 구조물 내 관심층의 두께 결정용 시스템.
  9. 다층 구조물 내 관심층의 두께를 결정하는데 사용하기 위한 장치(400)에 있어서,
    샘플 결합 부재(108)와,
    상기 샘플 결합 부재에 연결되는 힘 인가 장치(140)를 포함하며,
    상기 샘플 결합 부재(108)는,
    샘플 접촉 표면(108) 및 상기 샘플 접촉 표면(108)에 대향하는 힘 인가 표면(130)을 구비하는 전극(122)으로서, 상기 샘플 접촉 표면은 상기 다층 구조물의 표면과 접촉하여 배치되도록 구성되는, 상기 전극(122)과,
    상기 다층 구조물의 온도를 조정하도록 구성되는 온도 조정 요소(132)를 포함하며,
    상기 힘 인가 장치(140)는 상기 샘플 결합 부재를 통해 상기 전극의 상기 힘 인가 표면에 힘을 인가하도록 구성되고,
    상기 인가된 힘은, 상기 전극이 상기 다층 구조물에 대해 지정된 샘플링 압력으로 가압되도록 제어되며, 상기 샘플링 압력은 상기 다층 구조물에 걸쳐 기준 전기적 임피던스와 동일한 임피던스 값을 생성하는 최저 압력이고, 상기 기준 전기적 임피던스는 정해진 종류의 다층 구조물의 두 표면에 점성질 전도성 액체를 이용하여 결합된 두 전극 사이의 임피던스인,
    다층 구조물 내 관심층의 두께 결정용 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 샘플 접촉 표면(108)은 상기 다층 구조물의 표면의 형상에 대응하는 형상을 갖는
    다층 구조물 내 관심층의 두께 결정용 장치.
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