KR102069500B1 - 파장선택형 도막 두께 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도막의 두께를 측정함에 있어, 기존의 접촉 방식이 아닌 광음향효과와 간섭계를 이용한 비접촉식 방법을 이용하고, 도막의 색에 따라 레이저의 파장을 선택하여 도막의 두께를 측정하는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 도막 두께 측정 장치는, 상기 도막에 펄스 레이저광을 조사하는 펄스 레이저 광원; 상기 도막에 CW 레이저광을 조사하는 CW 레이저 광원; 상기 CW 레이저광에 대응하는 광간섭 신호를 검침하는 검침부; 및 상기 광간섭 신호를 신호처리 하여 상기 도막의 두께를 연산하는 신호 처리부를 포함한다.

Description

파장선택형 도막 두께 측정 장치{Wavelength-selectable Coating Thickness Measurement Apparatus}
본 발명은 물체의 표면에 도포된 도막의 두께를 측정함에 있어, 기존의 접촉 방식이 아닌 광음향 효과와 간섭 신호를 이용한 비접촉식 방법을 이용하고, 도막의 색에 따라 레이저의 파장을 선택하여 도막의 두께를 측정하는 장치에 관한 것이다.
도막 표면에 나노(nano) 초 단위의 펄스폭을 가지는 펄스 레이저를 가하면 도막 표면에서 초음파가 발생하여 도막 표면이 변위된다. 이로 인하여 광간섭 신호가 변화하는데, 이렇게 변화된 광간섭 신호를 측정하여 도막 두께를 측정할 수 있다.
여기서, 효율적인 광음향 효과를 얻기 위해서는 펄스 레이저가 도막에 잘 흡수되는 파장 대역을 갖고, 좋은 감도의 광간섭 신호를 측정하기 위해서는 CW(Continuous Wave) 레이저가 도막에 잘 반사되는 파장영역을 갖는 것이 바람직하다. 도막의 흡수도와 반사도는 도막 색에 따라 서로 다르기 때문에 도막의 색에 따라 서로 다른 파장의 레이저들을 사용해야 한다. 여러 파장 대의 펄스 레이저와 CW 레이저를 하나의 도막 두께 측정 장치에 두고, 원하는 파장 대를 갖는 레이저로 선택할 수 있는 파장선택형 도막 두께 측정 장치가 제공된다. 또한, 다른 실시예에 따르면, 하나의 펄스 레이저와 하나의 CW 레이저를 포함하는 센서 헤드부를 구성하고, 도막의 색에 따라 센서 헤드부를 교체할 수 있도록 하는 파장선택형 도막 두께 측정 장치가 제공된다.
현재 선박, 항공, 자동차 등에 사용되고 있는 도막 두께 측정 장치는 그 측정 원리에 따라 방사선식 도막 두께 측정기, 초음파식 도막 두께 측정기, 와전류식 도막 두께 측정기, 자기유도식 도막 두께 측정기 등으로 분류할 수 있다. 방사선을 이용한 방법은 엑스선 또는 감마선을 사용하여 투과 및 반사식으로 결함을 검출하는 것으로, 비접촉으로 측정한다는 장점이 있지만 방사선이 사용자에게 유해하다는 단점이 있다. 초음파를 이용한 방법은 초음파를 샘플 내로 보내어 반사되어 돌아올 때까지의 진행시간을 측정하여 두께를 측정하는 것으로, 초음파 트랜스듀서(transducer)와 샘플 간의 임피던스 매칭을 위한 매개체가 필요하므로 비접촉식 측정방법에 적용되기 다소 어렵다. 와전류식 방법은 와전류에 의해 변화된 전극저항의 변화량으로부터 두께를 측정하는 것이고, 자기유도 방법은 전압과 자속의 증가를 측정하여 두께를 측정하는 방식으로 휴대할 수 있다는 장점이 있지만, 접촉식이라는 단점이 있다. 이러한 접촉식의 측정기는 도막이 완전히 마른 후에만 측정이 가능하므로 오랜 건조 공기로 인한 시간과 비용이 많이 요구되는 실정이다.
광을 이용하여 비접촉식으로 도막 두께를 측정하는 경우, 연속 공정에서도 실시간 측정이 가능하므로 선박 등의 건조 공기를 단축할 수 있고, 광의 특성에 의해 신속하고 정확하게 측정할 수 있다.
도막의 색에 따라 레이저의 흡수와 반사 스펙트럼이 많이 다르기 때문에 도막 색에 따라 각각 다른 펄스 레이저 파장과 CW 레이저 파장을 선택한다. 즉, 측정하고자 하는 도막의 색이 정해지면 펄스 레이저는 광음향 효과를 잘 발생시킬 수 있도록 흡수도가 큰 파장 대를 갖고, 광간섭계에 사용되는 CW 레이저는 표면에서 반사가 잘 되어야 하므로 반사도가 큰 파장 대를 갖도록 선택된다.
각각 다른 파장으로 구성된 펄스 레이저들과 CW 레이저들을 일체형으로 하나의 측정기에 포함시키거나, 각각 다른 파장의 펄스 레이저들과 CW 레이저들을 개별 모듈에 하우징 하고 도막 색에 따라 상기 모듈을 교체식으로 구성함으로써, 하나의 측정기로 여러 색의 도막 두께를 측정할 수 있다.
한국공개특허 제10-2006-0080954호(공개일 2008년 05월 21일)의 발명은 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 피검사체에 초음파 종파와 횡파를 함께 투사하여 종파와 횡파의 각 초음파 신호가 피검사체 내부에서 왕복 이동하는 시간, 즉 종파와 횡파의 각 전파시간을 측정한 뒤, 상기 측정된 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성인 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하는 소정의 연산식으로부터 피검사체의 두께를 계산하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치와 방법을 개시한다.
한국공개특허 제10-2010-0012758호(공개일 2010년 02월 08일)의 발명은 레이저를 피 검출재에 조사하여 발생하는 초음파를 검출하는 레이저 초음파 측정장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 피 검사체의 표면의 손상을 경감시켜 종파 및 횡파의 음속을 계측하는 레이저 초음파 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 광을 이용하여 비접촉식으로 도막의 두께를 측정할 뿐만 아니라 각각 다른 파장을 가지는 여러 개의 펄스 레이저들과 여러 개의 CW 레이저들을 하나의 측정 장치 안에 두어 도막 색에 따라 다른 파장을 선택함으로써 효율적이고 정확한 도막의 두께를 측정할 수 있는 도막 두께 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 도막 두께 측정 장치는, 상기 도막에 펄스 레이저광을 조사하는 펄스 레이저 광원; 상기 도막에 CW 레이저광을 조사하는 CW 레이저 광원; 상기 CW 레이저광에 대응하는 광간섭 신호를 검침하는 검침부; 및 상기 광간섭 신호를 신호처리 하여 상기 도막의 두께를 연산하는 신호 처리부를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 광간섭 신호는 펄스레이저를 도막에 조사함으로써 도막 내에 발생한 초음파에 의해 그 신호가 변화한다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 검침부는 펄스레이저가 조사되기 전의 광간섭 신호와 펄스레이저가 조사된 후 변화된 광간섭신호를 검침할 수 있다.
다른 일실시예에 따른 도막 두께 측정 장치는 광간섭신호의 변화를 이용하여 연산된 도막 두께를 디스플레이하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 일실시예에 따른 도막 두께 측정 장치는 사용자로부터 입력된 상기 도막의 색 정보에 대응하도록 상기 펄스 레이저 광원 및 상기 CW 레이저 광원의 파장을 선택적으로 스위칭하도록 제어하는 레이저 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 레이저 컨트롤러는, 상기 도막의 색 정보의 흡수도에 따라 상기 펄스 레이저 광원의 상기 파장을 제어하고, 상기 도막의 색 정보의 반사도에 따라 상기 CW 레이저 광원의 상기 파장을 제어할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 도막 두께 측정 장치는 비접촉식일 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 펄스 레이저 광원 및 상기 CW 레이저 광원은 하나의 센서 헤드부로 구현되고, 상기 센서 헤드부는 교체 가능할 수 있다.
본 발명의 파장선택형 도막 두께 측정 장치는, 광을 이용한 비접촉식 방식을 지원할 뿐 아니라, 각각 다른 파장으로 구성된 펄스 레이저들과 CW 레이저들로 구성되어 도막의 색에 따라 광음향 효과와 간섭 신호를 낼 수 있는 파장을 가진 레이저를 선택할 수 있다. 따라서, 하나의 도막 두께 측정 장치로 여러 가지 색의 도막 두께를 정확하게 측정할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일실시예에 따른 도막의 색(흰색, 검은색, 빨간색, 및 파란색)에 따른 흡수/반사/투과 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 파장선택형 도막 두께 측정 장치를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 파장선택형 도막 두께 측정 장치를 구체적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 선택부와 간섭계를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 레이저의 파장을 선택할 수 있는 도막 두께 측정 장치에 관한 것으로, 상세한 설명은 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.
도 1a 내지 도 1d는, 펄스 레이저의 파장을 선택할 때 고려되어야 할 흡수(A)/반사(R)/투과(T) 스펙트럼을 주요 도막 색인 흰색(도 1a), 검은색(도 1b), 빨간색(도 1c), 및 파란색(도 1d)에 대해 각각 도시한 것이다. 도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 도막의 색에 따라 반사도 및 흡수도가 높은 파장 대역이 서로 다름을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 파장선택형 도막 두께 측정 장치를 도시한 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 파장선택형 도막 두께 측정 장치는 크게 광학부(100)와 장치 제어부(110)를 포함한다.
광학부(100)는 광음향 효과 발생부(120) 및 간섭계(130)를 포함할 수 있다. 광음향 효과 발생부(120)는 펄스 레이저(도시되지 않음)를 이용하여 초음파를 발생시킴으로써 광음향 효과를 발생시킨다. 간섭계(130)는 광음향 효과 발생부(120)에서 발생된 초음파가 도막 내로 전파되어 다시 표면으로 도달하면서 변화된 광간섭 신호를 측정한다.
장치 제어부(110)는 데이터 수집부(112), 및 신호 처리부(113)를 포함할 수 있다. 데이터 수집부(112)는 간섭계(130)에서 측정된 광간섭 신호를 수집한다. 신호 처리부(113)는 데이터 수집부(112)에서 수집한 광간섭 신호를 신호 처리하여 이를 두께로 환산한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 파장선택형 도막 두께 측정 장치를 구체적으로 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 도 2에 도시된 파장선택형 도막 두께 측정 장치의 상세한 일례가 도시되어 있다.
도 3의 파장선택형 도막 두께 측정 장치(200)는 광음향 효과를 발생(펄스 레이저를 이용하여 초음파를 발생)시키는 광음향 효과 발생부(220), 상기 초음파가 도막 내로 전파되어 다시 표면으로 도달하면서 변화된 광간섭 신호를 측정할 수 있는 간섭계(230) 및 간섭계(230)를 통해 수집된 데이터를 수신하고, 이를 신호 처리하는 장치 제어부(210)를 포함할 수 있다.
상세하게 설명하면, 도 3에 도시된 파장선택형 도막 두께 측정 장치(200)에서, 광음향 효과 발생부(220)는 입력부(211)로부터 사용자의 선택 신호(도막 색상 선택)를 수신하고, 레이저 선택부(221)에서 상기 도막의 색에 따른 적절한 파장의 레이저를 선택하도록 할 수 있다. 레이저 선택부(221)는 펄스 레이저 어레이부(222) 및 CW 레이저 어레이부(231)를 제어하여 상기 도막의 색에 적절한 파장의 레이저를 선택하고, 선택된 펄스 레이저가 측정 헤드부(223)를 통해 도막에 조사되도록 한다. 상기 선택된 CW 레이저는 서큘레이터(circulator)(232)를 통과하여 측정 헤드부(223)를 통해 도막에 조사되고, 도막에서 반사되는 파를 측정 헤드부(223)를 통해 수신한다. 수신된 파들은 서큘레이터(232)를 통과하여 디텍터(223)에서 디텍팅되고, 디텍팅된 신호들은 데이터 수집부(212)로 전달된다. 신호 처리부(213)는 데이터 수집부(212)에서 수신한 신호를 두께로 환산한다. 데이터 수집부(212)에서 수신한 신호는 도막에 조사되어 반사된 CW 레이저가 펄스 레이저에 의해 발생한 초음파의 영향으로 변화된 광간섭 신호일 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 광음향 효과 발생부(220)와 간섭계(230)를 보다 상세하게 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 도막의 색에 따라 각각 다른 파장의 펄스 레이저와 CW 레이저를 선택하여 구동시키는 개념이 도시되어 있다. 도 4의 펄스 레이저 어레이부(322)와 CW 레이저 어레이부(331)는 다른 파장을 가지는 펄스 레이저(λ1, λ2, λ3, λ4)와 CW 레이저(λa, λb, λc, λd)가 정렬되어 있는데, 이 때 펄스 레이저들은 주로 측정하는 4 가지 도막의 색에 대해 흡수도가 좋은 파장 대역으로 구성될 수 있고, CW 레이저들은 주로 측정하는 4 가지 도막의 색에 대해 반사도가 좋은 파장 대역으로 구성될 수 있다.
도막 두께 측정 장치에서 도막 색(레이저 파장)을 선택하면(예: 입력부(311)의 1번 선택), 도막 색 중에서 흡수도가 가장 좋은 파장을 가지는 펄스 레이저광(예: λ1)으로 스위칭되고, CW 레이저는 그 도막 색에서 반사도가 가장 좋은 파장을 가지는 CW 레이저광(예: λa)으로 스위칭 될 수 있다. 이와 같이, 펄스 레이저와 CW 레이저들은 펄스 레이저 어레이부(322) 및 CW 레이저 어레이부(331)을 통해 선택적으로 하나 이상의 파장으로 출력될 수 있다. 레이저 선택부(321)는 입력부(311)를 통한 사용자 입력에 따라, 단일 파장의 펄스 레이저와 단일 파장의 CW 레이저만을 출력하도록 하여, 스위치(321a, 321b)를 통해 측정하고자 하는 도막 색에 적절한 펄스 레이저와 CW 레이저로 스위칭하여 구동시키도록 한다. 도막에 조사된 후 반사된 CW 레이저는 디텍터(333)에서 디텍팅되고, 디텍팅된 신호들은 데이터 수집부(도시되지 않음)로 전달된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 하나의 펄스 레이저와 하나의 CW 레이저를 포함하는 센서 헤드부를 도막의 색에 따라 교체함으로써, 도막의 색에 따라 펄스 레이저 및 CW 레이저의 파장을 선택적으로 변화시킬 수도 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 동일한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 광학부 110: 장치 제어부
120: 광음향 효과 발생부 130: 간섭계

Claims (10)

  1. 도막 두께 측정 장치에 있어서,
    상기 도막에 펄스 레이저광을 조사하는 펄스 레이저 광원;
    상기 도막에 CW 레이저광을 조사하는 CW 레이저 광원;
    상기 CW 레이저광에 대응하는 광간섭 신호를 검침하는 검침부; 및
    상기 광간섭 신호를 신호처리 하여 상기 도막의 두께를 연산하는 신호 처리 부를 포함하고,
    상기 펄스 레이저 광원의 파장은 상기 도막의 색상에 대한 상기 펄스 레이저 광원의 파장의 흡수율에 기초하여 선택 가능하고,
    상기 CW 레이저 광원의 파장은 상기 도막의 상기 색상에 대한 상기 CW 레이저 광원의 반사율에 기초하여 선택 가능한,
    도막 두께 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광간섭 신호는,
    상기 펄스 레이저광에 의해 변위된 도막 표면의 영향으로 변화하는 광간섭 신호인,
    도막 두께 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검침부는 상기 도막의 표면 근처에서 상기 광간섭 신호를 검침하는 도막 두께 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연산된 도막 두께를 디스플레이하는 출력부
    를 더 포함하는 도막 두께 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    사용자로부터 입력된 상기 도막의 색 정보에 대응하도록 상기 펄스 레이저 광원 및 상기 CW 레이저 광원의 파장을 선택적으로 스위칭하도록 제어하는 레이저 컨트롤러
    를 더 포함하는 도막 두께 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 레이저 컨트롤러는,
    상기 도막의 색 정보의 흡수도에 따라 상기 펄스 레이저 광원의 상기 파장을 제어하고, 상기 도막의 색 정보의 반사도에 따라 상기 CW 레이저 광원의 상기 파장을 제어하는 도막 두께 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 광원 및 상기 CW 레이저 광원은 상기 도막에 둘 이상의 파장으로 상기 펄스 레이저광 및 상기 CW 레이저광을 조사하는 둘 이상의 레이저들로 구성된 레이저 어레이
    를 더 포함하는 도막 두께 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 도막 두께 측정 장치는 비접촉식인,
    도막 두께 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 광원 및 상기 CW 레이저 광원은 하나의 센서 헤드부로 구현되고, 상기 센서 헤드부는 교체 가능한,
    도막 두께 측정 장치.

  10. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 광원은 다른 펄스 레이저와 서로 상이한 파장을 갖는 복수의 펄스 레이저들을 포함하고,
    상기 CW 레이저 광원은 다른 CW 레이저와 서로 상이한 파장을 갖는 복수의 CW 레이저들을 포함하고,
    상기 복수의 펄스 레이저들의 각각의 파장 및 상기 복수의 CW 레이저들의 각각의 파장은 복수의 주요 색상들 중 적어도 하나에 대응하는 적어도 하나의 입력에 기초하여 독립적으로 선택 가능한,
    도막 두께 측정 장치.
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