KR102042706B1 - 열팽창 정도 측정 장치 및 열팽창 정도 측정 방법 - Google Patents

열팽창 정도 측정 장치 및 열팽창 정도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 측정하고자 하는 대상체 상에 배치되는 바디부, 상기 바디부의 일방향을 따라 배열되며 입사되는 광에 대하여 서로 다른 공진주파수를 갖는 복수의 마이크로 캔틸레버를 구비하는 스케일 유닛, 상기 스케일 유닛을 향하여 광을 조사하는 광원 유닛, 상기 스케일 유닛으로부터 반사되는 광학 신호를 감지하는 디텍터 유닛 및 상기 감지된 광학 신호로부터 공진주파수 정보를 분석하고, 시간에 따른 상기 공진주파수 정보의 변화 정도를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 분석 유닛을 구비하는, 열팽창 정도 측정 장치를 제공한다.

Description

열팽창 정도 측정 장치 및 열팽창 정도 측정 방법{Apparatus and method for detecting degree of thermal expansion}
본 발명의 실시예들은 열팽창 정도 측정 장치 및 열팽창 정도 측정 방법에 관한 것이다.
온도 증가에 따라 물질이 열팽창(thermal expansion)할 때, 그 길이 변화를 측정하기 위해 종래에는 측정도구로 사람의 눈으로 눈금을 확인하는 눈금자가 이용되었다. 그러나 기존의 눈금자와 사람의 눈에 의한 측정은 불안정하여 오차가 발생하기 쉽고, 미세한 변화의 경우 그 변화를 읽어내는데 한계가 있기 때문에 빠르게 변화하는 현대의 소형화 흐름에 따라 미세한 변화를 안정하게 측정할 수 있는 새로운 측정 방법이 요구되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예들은 복수의 마이크로 캔틸레버를 구비하는 스케일 유닛에 광을 조사하여 변화하는 공진주파수 정보를 이용해 열팽창 정도를 측정하는 측정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 측정하고자 하는 대상체 상에 배치되는 바디부, 상기 바디부의 일방향을 따라 배열되며 입사되는 광에 대하여 서로 다른 공진주파수를 갖는 복수의 마이크로 캔틸레버를 구비하는 스케일 유닛, 상기 스케일 유닛을 향하여 광을 조사하는 광원 유닛, 상기 스케일 유닛으로부터 반사되는 광학 신호를 감지하는 디텍터 유닛 및 상기 감지된 광학 신호로부터 공진주파수 정보를 분석하고, 시간에 따른 상기 공진주파수 정보의 변화 정도를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 분석 유닛을 구비하는, 열팽창 정도 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 분석 유닛은, 상기 복수의 마이크로 캔틸레버들 각각의 최대공진주파수 정보들이 사전에 저장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 분석 유닛은, 상기 대상체 상에 상기 스케일 유닛이 배치된 후, 제1 시점에서 측정된 제1 공진주파수 정보와 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 측정된 제2 공진주파수 정보를 비교하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 분석 유닛은, 상기 제2 공진주파수 정보가 상기 제1 공진주파수 정보와 동일한 주파수를 갖는 경우 스펙트럼 신호의 크기 또는 스펙트럼 면적의 변화율 차이를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 분석 유닛은, 상기 제2 공진주파수 정보가 상기 제1 공진주파수 정보와 다른 주파수를 갖는 경우 상기 제2 공진주파수 정보와 상기 최대공진주파수 정보들을 비교하여 대응되는 공진주파수를 갖는 마이크로 캔틸레버를 추출하고, 상기 추출된 마이크로 캔틸레버의 위치정보를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스케일 유닛의 상기 바디부는 상기 대상체와 접촉하는 접촉면에 단열부재를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스케일 유닛의 열팽창율은 상기 대상체의 열팽창율보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원 유닛 및 상기 디텍터 유닛은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점에 대하여 동일한 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 측정하고자 하는 대상체 상에 배치되는 바디부 및 상기 바디부의 일방향을 따라 배열되며 입사되는 광에 대하여 서로 다른 공진주파수를 갖는 복수의 마이크로 캔틸레버를 구비하는, 스케일 유닛을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바디부는 상기 대상체와 접촉하는 접촉면에 단열부재가 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바디부의 열팽창율은 상기 대상체의 열팽창율보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 측정하고자 하는 대상체 상에 바디부와, 상기 바디부의 일방향을 따라 배열되며 입사되는 광에 대하여 서로 다른 공진주파수를 갖는 복수의 마이크로 캔틸레버를 구비하는 스케일 유닛을 측정하고자 하는 대상체 상에 안착시키는 단계, 제1 시점에서 상기 복수의 마이크로 캔틸레버 중 기준 캔틸레버에 광을 조사하여 제1 공진주파수 정보를 획득하는 단계, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 상기 스케일 유닛으로 광을 조사하여 제2 공진주파수 정보를 획득하는 단계 및 상기 제1 공진주파수 정보와 상기 제2 공진주파수 정보의 변화 정도를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 단계를 포함하는, 열팽창 정도 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 분석유닛에 상기 복수의 마이크로 캔틸레버들 각각의 최대공진주파수 정보들을 사전에 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 단계는, 상기 제2 공진주파수 정보가 상기 제1 공진주파수 정보와 동일한 주파수를 갖는 경우 스펙트럼 신호의 크기 또는 스펙트럼 면적의 변화율 차이를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 단계는, 상기 제2 공진주파수 정보가 상기 제1 공진주파수 정보와 다른 주파수를 갖는 경우 상기 제2 공진주파수 정보와 상기 최대공진주파수 정보들을 비교하여 대응되는 공진주파수를 갖는 마이크로 캔틸레버를 추출하고, 상기 추출된 마이크로 캔틸레버의 위치정보를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 열팽창 정도 측정 장치 및 열팽창 측정 방법은 서로 다른 공진주파수를 갖는 복수의 마이크로 캔틸레버를 구비하는 스케일 유닛을 이용하여 시간에 따른 공진주파수 정보의 차이를 분석함으로써, 대상체의 열팽창에 따른 길이 변화를 측정하고, 이를 통해 대상체의 미세한 열팽창 정도를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 정도 측정 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 스케일 유닛을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 열팽창 정도 측정 장치를 이용해 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 정도 측정 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 5는 동일 마이크로 캔틸레버의 위치변화에 따른 공진주파수 스펙트럼 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 도 5의 스펙트럼들의 신호 세기와 스케일 유닛의 위치변화와의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 도 5의 스펙트럼들의 면적(A)과 스케일 유닛(100)의 위치변화와의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 정도 측정 장치를 이용하여 온도 변화에 따른 대상체의 열팽창 정도를 공진주파수 스펙트럼으로 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 정도 측정 장치(10)를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 2는 도 1의 스케일 유닛(100)을 도시한 도면이다. 도 3은 도 1의 열팽창 정도 측정 장치(10)를 이용해 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 정도 측정 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 정도 측정 장치(10)는 스케일 유닛(100), 광원 유닛(200), 디텍터 유닛(300) 및 분석유닛(400)을 구비할 수 있으며, 디스플레이 유닛(500)을 더 구비할 수 있다.
스케일 유닛(100)은 측정하고자 하는 대상체 상에 배치되는 바디부(110)와, 바디부(110)의 일측에 배치되는 복수의 마이크로 캔틸레버(120)를 구비할 수 있다. 여기서, 복수의 마이크로 캔틸레버(120)는 도시된 바와 같이, 바디부(110)의 일측으로부터 연장되어, 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 제한되지 않으며, 다른 실시예로서, 복수의 마이크로 캔틸레버(120)는 바디부(110)와 다른 재질로 형성될 수도 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 바디부(110)와 복수의 마이크로 캔틸레버(120)가 동일한 재질로 이루어지는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
스케일 유닛(100)은 대상체(M)보다 열팽창율이 적은 재질로 이루어질 수 있다. 스케일 유닛(100)은 열팽창 정도를 측정하고자 하는 대상체(M) 상에 놓여진 상태에서 측정이 진행된다. 이때, 온도에 따른 스케일 유닛(100)의 열팽창이 거의 없어야 측정하고자 하는 대상체(M)의 열팽창 정도를 오차없이 정확하게 측정할 수 있다. 따라서, 스케일 유닛(100)은 대상체(M)에 비해 열팽창율이 상대적으로 적은 재질로 이루어질 수 있으며, 구체적으로, 스케일 유닛(100)의 열팽창율은 측정하고자 하는 대상체(M)의 열팽창율의 1/10 이하 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 대상체(M)가 약 10-5 °C-1정도의 열팽창율을 갖는 PLA(Poly Lactic Acid) 재질로 이루어지는 경우, 스케일 유닛(100)은 10-6 °C-1정도의 열팽창율을 갖는 실리콘(Si), 질화실리콘(SiNx) 또는 열팽창율이 작은 금속재질로 이루어질 수 있다.
한편, 다른 실시예로서, 바디부(110)는 대상체(M)와 접촉하는 접촉면에 단열부재(130)를 구비할 수 있다. 또는 바디부(110)는 복수의 마이크로 캔틸레버(120)와 다른 재질로 이루어지며, 단열부재로 이루어질 수도 있다. 이를 통해, 스케일 유닛(100)은 대상체(M)로부터 열이 전달되지 않아 대상체(M)와 독립적인 열적 평형을 이룰 수 있어 열팽창 정도 측정의 정확성을 향상시킬 수 있다.
복수의 마이크로 캔틸레버(120)는 바디부의 일방향을 따라 배열될 수 있다. 복수의 마이크로 캔틸레버(120)는 입사되는 광에 대하여 서로 다른 공진주파수를 가질 수 있으며, 이를 위해, 서로 다른 길이(L)를 갖거나, 서로 다른 두께(t)를 가질 수 있다. 마이크로 캔틸레버(120)의 공진주파수(f)는 마이크로 캔틸레버(120)의 길이(L)와 두께(t)에 대하여 하기 수학식 1과 같은 관계를 갖는다.
[수학식 1]
Figure 112018035686595-pat00001
한편, 도면에서는 복수의 마이크로 캔틸레버(120)가 일방향으로 길이가 점점 줄어드는 구조로 도시하였으나, 반드시 이러할 필요는 없으며, 서로 다른 공진주파수를 갖도록 서로 다른 길이(L) 또는 서로 다른 두께(t)로 이루어지면 된다.
광원 유닛(200)은 스케일 유닛(100)을 향하여 광을 조사할 수 있다. 광원 유닛(200)은 레이저(laser)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 정도 측정 장치(10)는 광원 유닛(200)의 위치가 고정되어, 광을 조사하는 위치는 측정하는 공간 좌표 상에서 항상 동일할 수 있다.
디텍터 유닛(300)은 광원 유닛(200)에 의해 스케일 유닛(100)으로 광이 조사된 후, 스케일 유닛(100)으로부터 반사되는 광학 신호를 감지할 수 있다. 스케일 유닛(100), 구체적으로는 마이크로 캔틸레버(120)에 광이 조사되면 열진동에 의해 공진이 발생하며, 마이크로 캔틸레버(120)로부터 반사된 광학신호는 공진주파수 정보를 갖게 된다. 디텍터 유닛(300)은 분할된 광검출기(segmented photodetector)로 이루어져, 광학신호를 감지하여 분석 유닛(400)으로 제공할 수 있다. 또한, 디텍터 유닛(300)은 광원 유닛(200)과 같이, 서로 다른 제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2)에 위치가 고정되어 광학 신호를 감지할 수 있다. 여기서, 공진주파수 정보는 해당 마이크로 캔틸레버의 공진주파수 값 및 공진주파수 스펙트럼을 포함하는 정보일 수 있다.
분석 유닛(400)은 감지된 광학 신호로부터 공진주파수 정보를 분석하고, 시간에 따른 공진주파수 정보의 변화 정도를 이용하여 대상체(M)의 열팽창 정도를 측정할 수 있다. 이때, 분석 유닛(400)은 복수의 마이크로 캔틸레버들(120-1 내지 120-5) 각각의 최대공진주파수 정보들이 사전에 저장될 수 있다. 분석 유닛(400)은 대상체(M) 상에 스케일 유닛(100)이 배치된 후, 제1 시점(t1)에서 측정된 제1 공진주파수 정보와 제1 시점(t1)과 다른 제2 시점(t2)에서 측정된 제2 공진주파수 정보를 비교하여 대상체(M)의 열팽창 정도를 측정할 수 있다. 분석 유닛(400)에서 대상체(M)의 열팽창 정도를 측정하는 구체적인 방법은 후술하기로 한다.
디스플레이 유닛(500)은 분석 유닛(400)에 의해 분석된 분석 정보들을 외부로 표시할 수 있다. 예를 들면, 디스플레이 유닛(500)은 분석 유닛(400)에 의해 측정된 대상체(M)의 열팽창 정도를 외부로 표시할 수 있다. 또는, 디스플레이 유닛(500)은 공진주파수에 대한 열노이즈 스펙트럼을 외부로 표시할 수 있으며, 이때, 분석 유닛(400)과 디스플레이 유닛(500)은 하나의 장치에 구비될 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 정도를 측정하는 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 먼저, 사용자는 스케일 유닛(100)을 측정하고자 하는 대상체(M) 상에 안착시킬 수 있다(S100). 스케일 유닛(100)은 전술한 바와 같이, 바디부(110)와 바디부(110)의 일방향을 따라 배열되며 입사되는 광에 대하여 서로 다른 공진주파수를 갖는 복수의 마이크로 캔틸레버(120-1 내지 120-5)를 구비할 수 있다.
여기서, 복수의 마이크로 캔틸레버(120-1 내지 120-5)들 각각의 최대공진주파수 정보들을 분석 유닛(400)에 데이터베이스화하여 저장할 수 있다(S200). 최대공진주파수 정보는 마이크로 캔틸레버(120-1 내지 120-5)의 중심에 대하여 광을 조사하는 경우, 측정되는 정보일 수 있다. 이때, 중심이란, 마이크로 캔틸레버(120-1 내지 120-5)의 폭방향에 대한 중간지점을 의미할 수 있다. 마이크로 캔틸레버(120-1 내지 120-5)는 상기한 중심에서 해당 공진주파수에 대한 최대 세기의 피크값을 가지며, 중심에서 멀어질수록 피크값의 세기가 감소하게 된다. 따라서, 분석 유닛(400)은 저장된 최대공진주파수 정보와 측정되는 공진주파수 정보를 비교를 통해 스케일 유닛(100)의 위치가 얼마나 변화하였는지를 확인할 수 있다.
구체적으로, 열팽창 정도 측정 장치(10)는 제1 시점(t1)에서 복수의 마이크로 캔틸레버(120-1 내지 120-5) 중 어느 하나를 기준 캔틸레버로 설정하고, 기준 캔틸레버에 광을 조사하여 제1 공진주파수 정보를 획득할 수 있다(S300). 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 마이크로 캔틸레버(120-1)를 기준 캔틸레버로 설정하는 경우, 제1 마이크로 캔틸레버(120-1)에 광을 조사하여 기준 정보인 제1 공진주파수 정보를 획득한다.
이후, 시간이 경과하여 제2 시점(t2)에서 대상체(M)가 열팽창에 의해 길이가 증가하는 경우, 대상체(M) 상에 안착된 스케일 유닛(100) 또한 점선으로 도시된 바와 같이 이동하게 된다. 이때, 제1 시점(t1)과 다른 제2 시점(t2)에서 스케일 유닛(100)으로 광을 조사하여 제2 공진주파수 정보를 획득할 수 있다(S400). 여기서, 광원 유닛(200)은 고정되어 있어 측정 공간의 동일 좌표 상에 광을 조사하며, 스케일 유닛(100)은 대상체(M)의 길이 변화에 따라 이동하였으므로, 제1 시점(t1)에서 광이 조사된 부분과는 다른 부분에 광을 조사하게 된다. 따라서, 제1 공진주파수 정보와 제2 공진주파수 정보는 차이가 발생한다.
분석 유닛(400)은 제1 공진주파수 정보와 제2 공진주파수 정보의 변화 정도를 이용하여 대상체(M)의 열팽창 정도를 측정할 수 있다(S500). 구체적으로, 분석 유닛(400)은 제2 공진주파수 정보가 제1 공진주파수 정보와 동일한 주파수를 갖는 경우, 스펙트럼 신호의 크기, 다시 말해 피크값의 세기 또는 스펙트럼 면적의 변화율 차이를 이용하여 대상체의 열팽창 정도를 측정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 하나의 마이크로 캔틸레버(120-1)는 광이 조사되는 위치가 달라져도 동일한 공진주파수를 갖는다. 따라서, 제2 공진주파수 정보와 제1 공진주파수 정보를 비교하였을 때, 동일한 주파수인 경우에는 동일한 공진주파수에서의 피크값의 세기 변화 또는 스펙트럼 면적의 변화율 차이를 분석하여 스케일 유닛(100)이 이동한 정도를 계산하고, 이를 이용해 대상체(M)의 열팽창 정도를 측정할 수 있다.
또한, 분석 유닛(400)은 제2 공진주파수 정보가 제1 공진주파수 정보와 다른 주파수를 갖는 경우 제2 공진주파수 정보와 최대공진주파수 정보들을 비교하여 대응되는 공진주파수를 갖는 마이크로 캔틸레버를 추출하고, 추출된 마이크로 캔틸레버의 위치정보를 이용하여 대상체(M)의 열팽창 정도를 측정할 수 있다.
제2 시점(t2)에서 획득한 제2 공진주파수 정보가 제1 공진주파수 정보와 다른 공진주파수를 갖게 되면, 스케일 유닛(100)의 이동 정도가 커서 제1 시점에서의 기준 캔틸레버와는 다른 마이크로 캔틸레버에 광을 조사하고 있다는 것을 의미한다. 따라서, 사전에 설정된 최대공진주파수 정보를 이용하여 해당 공진주파수를 갖는 마이크로 캔틸레버를 추출하고, 해당 마이크로 캔틸레버가 몇 번째 위치하는지 또는 기준 캔틸레버로부터 얼마나 떨어져 있는지에 대한 위치 정보를 이용하여 대상체(M)의 열팽창 정도를 측정할 수 있다.
도 5는 동일 마이크로 캔틸레버의 위치변화에 따른 공진주파수 스펙트럼 변화를 도시한 그래프이고, 도 6은 도 5의 스펙트럼들의 신호 세기와 스케일 유닛(100)의 위치변화와의 상관관계를 도시한 그래프이다. 도 7은 도 5의 스펙트럼들의 면적(A)과 스케일 유닛(100)의 위치변화와의 상관관계를 도시한 그래프이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 정도 측정 장치(10)를 이용하여 온도 변화에 따른 대상체(M)의 열팽창 정도를 공진주파수 스펙트럼으로 도시한 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 동일 마이크로 캔틸레버의 중심(0um)에서의 공진주파수 스펙트럼은 최대 세기를 가지며, 중심에서 멀어질수록 세기가 감소함을 알 수 있다. 도 7을 참조하면, 공진주파수 스펙트럼은 세기에 따라 신호선(L)의 하부 면적(A)이 달라질 수 있으며, 스펙트럼 세기와 마찬가지로, 스케일 유닛(100)의 위치에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 다시 말해, 동일 마이크로 캔틸레버의 중심(0um)에서 공진주파수 스펙트럼의 하부 면적(A)을 100%로 정의하였을 때, 스케일 유닛(100)의 위치가 중심에서 멀어짐에 따라 하부 면적(A)이 감소함을 알 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 12.4℃에서 14.1℃로 온도 증가 시 대상체(M)에 발생한 열팽창에 의해 스케일 유닛(100)이 이동하고, 이로 인하여 공진주파수 스펙트럼 신호의 세기가 14.5% 감소를 확인할 수 있다. 또한, 다시 11.9℃로 냉각시킬 경우 열팽창으로 증가되었던 대상체(M)의 길이가 처음 길이로 복원되어 스펙트럼이 일치함을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 정도 측정 장치는 상기한 온도와 대상체의 열팽창 정도와의 관계를 이용하여, 대상체의 길이 변화에 대응되는 온도 변화를 역으로 산출할 수도 있어, 온도 센서로서의 기능도 수행할 수 있다. 이때, 대상체는 온도에 따른 열팽창의 정도를 알고 있는 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기한 방법을 통해 열팽창 정도가 측정되면, 역으로 온도 변화에 관한 정보 또한 획득할 수 있어 온도 변화 측정 장비로서 활용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 열팽창 정도 측정 장치 및 열팽창 측정 방법은 서로 다른 공진주파수를 갖는 복수의 마이크로 캔틸레버를 구비하는 스케일 유닛을 이용하여 시간에 따른 공진주파수 정보의 차이를 분석함으로써, 대상체의 열팽창에 따른 길이 변화를 측정하고, 이를 통해 대상체의 미세한 열팽창 정도를 측정할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 열팽창 정도 측정 장치
100 : 스케일 유닛
200 : 광원 유닛
300 : 디텍터 유닛
400 : 분석 유닛

Claims (15)

  1. 측정하고자 하는 대상체 상에 배치되는 바디부, 상기 바디부의 일방향을 따라 배열되며 입사되는 광에 대하여 서로 다른 공진주파수를 갖는 복수의 마이크로 캔틸레버를 구비하는 스케일 유닛;
    상기 스케일 유닛을 향하여 광을 조사하는 광원 유닛;
    상기 스케일 유닛으로부터 반사되는 광학 신호를 감지하는 디텍터 유닛; 및
    상기 감지된 광학 신호로부터 공진주파수 정보를 분석하고, 시간에 따른 상기 공진주파수 정보의 변화 정도를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 분석 유닛;을 구비하고,
    상기 분석 유닛은,
    상기 복수의 마이크로 캔틸레버들 각각의 최대공진주파수 정보들이 사전에 저장되는, 열팽창 정도 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 분석 유닛은,
    상기 대상체 상에 상기 스케일 유닛이 배치된 후, 제1 시점에서 측정된 제1 공진주파수 정보와 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 측정된 제2 공진주파수 정보를 비교하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는, 열팽창 정도 측정 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 분석 유닛은,
    상기 제2 공진주파수 정보가 상기 제1 공진주파수 정보와 동일한 주파수를 갖는 경우 스펙트럼 신호의 크기 또는 스펙트럼 면적의 변화율 차이를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는, 열팽창 정도 측정 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 분석 유닛은,
    상기 제2 공진주파수 정보가 상기 제1 공진주파수 정보와 다른 주파수를 갖는 경우 상기 제2 공진주파수 정보와 상기 최대공진주파수 정보들을 비교하여 대응되는 공진주파수를 갖는 마이크로 캔틸레버를 추출하고, 상기 추출된 마이크로 캔틸레버의 위치정보를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는, 열팽창 정도 측정 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 스케일 유닛의 상기 바디부는 상기 대상체와 접촉하는 접촉면에 단열부재를 구비하는, 열팽창 정도 측정 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 스케일 유닛의 열팽창율은 상기 대상체의 열팽창율보다 작은, 열팽창 정도 측정 장치.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 광원 유닛 및 상기 디텍터 유닛은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점에 대하여 동일한 위치에 배치되는, 열팽창 정도 측정 장치.
  9. 측정하고자 하는 대상체 상에 배치되는 바디부; 및
    상기 바디부의 일방향을 따라 배열되며 입사되는 광에 대하여 서로 다른 공진주파수를 갖는 복수의 마이크로 캔틸레버;를 구비하고,
    상기 바디부의 열팽창율은 상기 대상체의 열팽창율보다 작은, 스케일 유닛.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 바디부는 상기 대상체와 접촉하는 접촉면에 단열부재가 구비되는, 스케일 유닛.
  11. 삭제
  12. 측정하고자 하는 대상체 상에 바디부와, 상기 바디부의 일방향을 따라 배열되며 입사되는 광에 대하여 서로 다른 공진주파수를 갖는 복수의 마이크로 캔틸레버를 구비하는 스케일 유닛을 측정하고자 하는 대상체 상에 안착시키는 단계;
    제1 시점에서 상기 복수의 마이크로 캔틸레버 중 기준 캔틸레버에 광을 조사하여 제1 공진주파수 정보를 획득하는 단계;
    상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 상기 스케일 유닛으로 광을 조사하여 제2 공진주파수 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 제1 공진주파수 정보와 상기 제2 공진주파수 정보의 변화 정도를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 단계;를 포함하고,
    분석유닛에 상기 복수의 마이크로 캔틸레버들 각각의 최대공진주파수 정보들을 사전에 저장하는 단계;를 더 포함하는, 열팽창 정도 측정 방법.
  13. 삭제
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 단계는,
    상기 제2 공진주파수 정보가 상기 제1 공진주파수 정보와 동일한 주파수를 갖는 경우 스펙트럼 신호의 크기 또는 스펙트럼 면적의 변화율 차이를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 단계인, 열팽창 정도 측정 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는 단계는,
    상기 제2 공진주파수 정보가 상기 제1 공진주파수 정보와 다른 주파수를 갖는 경우 상기 제2 공진주파수 정보와 상기 최대공진주파수 정보들을 비교하여 대응되는 공진주파수를 갖는 마이크로 캔틸레버를 추출하고, 상기 추출된 마이크로 캔틸레버의 위치정보를 이용하여 상기 대상체의 열팽창 정도를 측정하는, 열팽창 정도 측정 방법.
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