KR102312402B1 - 포아송 비 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 포아송 비 측정 장치는, 시편의 내부에 그리드 라인을 형성시키는 광학 모듈; 상기 시편을 고정하고 상기 시편에 인장력을 제공하는 수단을 구비한 인장 스테이지 모듈; 상기 시편이 인장됨에 따라 변화하는 상기 시편의 이미지를 촬영하는 카메라 모듈; 및 상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 처리하고 상기 시편의 포아송 비를 연산하는 컴퓨팅 모듈을 포함한다.

Description

포아송 비 측정 장치 및 방법{APPARATUS FOR MEASURING POISSON’S RATIO AND METHOD THEREOF}
본 발명은 포아송 비 측정 장치 및 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 측정 대상 물체 내부에 그리드 형성을 통해 포아송 비 및 그 분포를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
대상 재료를 한 축으로 인장하였다고 가정하면 포아송 비(Poisson’s ratio
Figure 112021037176326-pat00001
)는 다음과 같이 인장 축에서의 변형률(
Figure 112021037176326-pat00002
)과 인장 축과 직교하는 축에서의 변형률(
Figure 112021037176326-pat00003
)의 비로 수학식 1과 같이 정의된다.
수학식 1
Figure 112021037176326-pat00004
참고로 음의 부호는 인장 축과 직교 축에서의 변형률(strain) 부호가 반대임을 고려하여 부가된 것이다. 인장 축을 y-axis로, 직교 축을 x-axis로 정의하면 두 축에서의 변형률은 다음과 같이 수학식 2 및 수학식 3으로 정리된다.
수학식 2
Figure 112021037176326-pat00005
수학식 3
Figure 112021037176326-pat00006
수학식 1 내지 3을 이용하여 미분 방정식을 풀면 다음과 같이 인장 축 방향의 변형률
Figure 112021037176326-pat00007
과 직교 축 방향의 변형률
Figure 112021037176326-pat00008
의 관계를 수학식 4와 같이 얻을 수 있다.
수학식 4
Figure 112021037176326-pat00009
이를 지수 함수로 표현하면 수학식 5와 같다.
수학식 5
Figure 112021037176326-pat00010
한편 통상적으로 기존에는 인장 축에서의 변형률이 매우 작을 때 즉
Figure 112021037176326-pat00011
일 때 근사적으로 수학식 6과 같이 포아송 비
Figure 112021037176326-pat00012
를 인장 축 방향의 변형률과 직교 축 방향의 변형률의 비로 계산하고 결정하였다.
수학식 6
Figure 112021037176326-pat00013
일반적으로 재료의 포아송 비는 스트레인 게이지(strain gauge)나 extensometer 등을 부착한 측정 대상 물체를 시험기를 이용하여 인장한 후, 인장 축(axial axis)에서의 변형률 값과 인장 축에 직교되는 축(transverse axis)에서의 변형률 값을 측정하고 이를 이용하여 근사적으로 계산함으로써 결정한다.
기존의 포아송 측정 장치 및 방법들은 변형률이 작은 경우 포아송 비의 측정의 정밀도가 우수하지만, 변형률이 큰 경우 측정 대상 물질의 포아송 비를 잘 예측하지 못하는 경우가 있다. 높은 정밀도의 포아송 비를 얻기 위하여서는 비교적 큰 변형률 값이 필수적이다. 한편 기존의 알려진 통상적인 스트레인 게이지는 0.001 이상의 변형률(strain) 하에서 손상될 가능성이 매우 크며 또한 온도와 같은 주위 환경의 변화에 대하여 매우 민감하여 그 적용 범위가 매우 제한적이다.
따라서 재료의 손상하지 않고 비접촉식 방법으로 비교적 큰 변형률 값을 얻을 수 있는 포아송 비 측정 방법의 개발이 요구된다.
본 발명은 레이저 광을 이용하여 측정 대상 시편 내부에 공간적으로 구분 가능한 초미세 그리드 라인을 형성하고, 인장에 따른 그리드 라인의 이미지를 통해 인장 축에서의 변형률과 직교 축에서의 변형률을 측정함으로써 큰 변형률 하에서도 높은 정밀도를 갖는 시편의 포아송 비 측정 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 장치는, 시편의 내부에 그리드 라인을 형성시키는 광학 모듈; 상기 시편을 고정하고 상기 시편에 인장력을 제공하는 수단을 구비한 인장 스테이지 모듈; 상기 시편이 인장됨에 따라 변화하는 상기 시편의 이미지를 촬영하는 카메라 모듈; 및 상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 처리하고 상기 시편의 포아송 비를 연산하는 컴퓨팅 모듈을 포함한다.
또한, 상기 광학 모듈은, 레이저 광을 출사하는 레이저 및 상기 출사된 레이저 광을 상기 시편의 내부에 초점이 맺히도록 모으는 적어도 하나의 렌즈를 포함한다.
또한, 상기 시편은 상기 레이저 광에 투명한 재료이고, 상기 레이저 광은 상기 시편의 내부에 굴절률 변화를 야기한다.
또한, 상기 그리드 라인의 폭 또는 깊이는, 이웃하는 상기 그리드 라인 사이의 간격에 대비하여 30배 보다 작다.
또한, 상기 인장 스테이지 모듈은, 상기 시편의 양단을 잡는 한 쌍의 클램프, 상기 한 쌍의 클램프 중 하나와 연결되는 로드 셀을 포함한다.
또한, 상기 카메라 모듈은, 상기 시편에 조사되는 광을 방출하는 광원, 상기 시편을 투과한 광을 수광하는 광학계와 이미지 센서를 포함하는 카메라, 및 상기 카메라의 위치를 미세 조정하는 3차원 스테이지를 포함한다.
또한, 상기 카메라 모듈은, 상기 광원에서 방출된 광을 확산시키는 디퓨저를 더 포함한다.
또한, 상기 컴퓨팅 모듈은, 상기 카메라 모듈로부터 상기 시편의 이미지에 대한 전기적 신호를 수신하고, 상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 추출하고, 상기 추출된 그리드 라인의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 전환하고, 상기 그레이 스케일 이미지에서 상기 그리드 라인의 에지를 검출하고, 상기 검출된 그리드 라인의 에지로부터 확장 선을 설정하고, 상기 그레이 스케일 이미지의 종축 및 횡축에 대해 상기 확장 선의 그레이 스케일에 대한 그래프를 나타내고, 및 상기 그래프에서 상기 확장 선의 내부의 그레이 스케일 피크의 위치에 대한 데이터를 얻는다.
또한, 상기 컴퓨팅 모듈은, 상기 피크의 위치에 대한 데이터를 이용하여 상기 그리드 라인의 교차에 의해 이루어진 단위 셀의 크기를 구하고, 인장에 따른 상기 단위 셀의 크기를 이용하여 상기 시편의 포아송 비를 연산한다.
또한, 상기 컴퓨팅 모듈은, 상기 인장에 따른 상기 단위 셀의 크기를 이용하여 상기 그리드 라인이 형성된 영역에 해당하는 상기 시편의 일 부분에 대한 포아송 비의 공간적 분포를 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 방법은 시편의 내부에 그리드 라인을 형성시키는 단계; 상기 시편을 고정하고 인장하는 단계; 인장됨에 따라 변화하는 상기 시편의 이미지를 촬영하는 단계; 및 상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 처리하고 상기 시편의 포아송 비를 연산하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 시편의 내부에 그리드 라인을 형성시키는 단계는, 레이저 광을 이용하여 상기 그리드 라인을 형성시키되, 상기 레이저 광의 초점이 상기 시편의 내부에 맺히도록 조절한다.
또한, 상기 시편은 상기 레이저 광에 투명한 재료이고, 상기 레이저 광은 상시 시편의 내부에 굴절률 변화를 야기한다.
또한, 상기 시편의 내부에 그리드 라인을 형성시키는 단계에서, 상기 그리드 라인의 폭 또는 깊이는, 이웃하는 상기 그리드 라인 사이의 간격에 대비하여 30배 보다 작다.
또한, 상기 시편을 고정하고 인장하는 단계는, 로드 셀을 통해 상기 시편에 가해지는 인장 부하를 측정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 시편의 이미지를 촬영하는 단계는, 상기 시편에 광을 조사하는 단계, 상기 시편을 투과한 광을 수렴시키는 단계 및 광 신호를 전기적 신호로 전환하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 시편의 이미지를 촬영하는 단계는, 상기 광을 확산시키는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 처리하고 상기 시편의 포아송 비를 연산하는 단계는, 상기 시편의 이미지에 대한 전기적 신호를 수신하고, 상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 추출하고, 상기 추출된 그리드 라인의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 전환하고, 상기 그레이 스케일 이미지에서 상기 그리드 라인의 에지를 검출하고, 상기 검출된 그리드 라인의 에지로부터 확장 선을 설정하고, 상기 그레이 스케일 이미지의 종축 및 횡축에 대해 상기 확장 선의 그레이 스케일에 대한 그래프를 나타내고, 및 상기 그래프에서 상기 확장 선의 내부의 그레이 스케일 피크의 위치에 대한 데이터를 얻는다.
또한, 상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 처리하고 상기 시편의 포아송 비를 연산하는 단계는, 상기 피크의 위치에 대한 데이터를 이용하여 상기 그리드 라인의 교차에 의해 이루어진 단위 셀의 크기를 구하고, 인장에 따른 상기 단위 셀의 크기를 이용하여 상기 시편의 포아송 비를 연산한다.
또한, 상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 처리하고 상기 시편의 포아송 비를 연산하는 단계는, 상기 인장에 따른 상기 단위 셀의 가로 및 세로의 크기를 이용하여 상기 그리드 라인이 형성된 영역에 해당하는 상기 시편의 일 부분에 대한 포아송 비의 공간적 분포를 나타낸다.
본 발명에 따른 포아송 비 측정 장치 및 방법은, 레이저 광을 이용하여 측정 대상 시편 내부에 공간적으로 구분 가능한 초미세 그리드 라인을 형성함으로써 시편 표면의 외부 노출에 의한 먼지나 티끌 등의 화학적 또는 물리적인 손상으로 인한 측정 방해 요소들을 회피하고, 오랜 기간의 외부 노출에도 불구하고 시편의 기계적인 특성, 즉 포아송 비를 지속적으로 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 포아송 비 측정 장치 및 방법은, 레이저 광을 이용하여 측정 대상 시편 내부에 공간적으로 구분 가능한 초미세 그리드 라인을 형성함으로써 측정 대상 시편에 대해 손상을 가하지 않으며 비접촉식 측정이 가능하다.
본 발명에 따른 포아송 비 측정 장치 및 방법은, 넓은 범위의 변형률을 갖는 재료에 대한 포아송 비의 측정 정밀도에서 탁월한 효과를 가진다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 장치에서 측정 대상 시편 및 시편 내부에 그리드 라인을 형성하는 광학 모듈을 도시한다.
도 4는 시편 내부에 그리드 라인이 형성된 시편 부분의 이미지들이다.
도 5는 도 4의 이미지들에서 가로 방향에 따라 투과된 광의 세기를 나타낸다.
도 6은 도 4의 이미지들에서 세로 방향에 따라 투과된 광의 세기를 나타낸다.
도 7은 인장 정도에 따라 촬영된 시편의 이미지를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 방법 중에서 시편의 이미지를 처리하고 시편의 포아송 비를 연산하는 단계의 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 장치 및 방법에 의해 측정된 결과를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 장치 및 방법에 의해 측정된 포아송 비의 공간적 분포를 예시한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서 사용되는 용어들은 본 발명의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래에 개시된 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시 예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
그리고 아래에 개시된 실시 예에서의 “제1”, “제2”, “일면”, “타면” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 방법의 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 장치는, 광학 모듈(100), 인장 스테이지 모듈(200), 카메라 모듈(300) 및 컴퓨팅 모듈(400)을 포함하고 측정 대상 시편의 기계적인 특성 중 포아송 비를 측정한다.
상기 포아송 비 측정 장치에 의해 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 방법이 수행되며, 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 방법은 광학 모듈(100)에 의해 수행되는 시편의 내부에 그리드 라인을 형성시키는 단계(S100), 인장 스테이지 모듈(200)에 의해 수행되는 시편을 고정하고 인장하는 단계(S200), 카메라 모듈(300)에 의해 수행되는 시편의 이미지를 촬영하는 단계(S300) 및 컴퓨팅 모듈(400)에 의해 수행되는 그리드 라인의 이미지를 처리하고 시편의 포아송 비를 연산하는 단계(S400)를 포함한다.
단계 S100에서, 광학 모듈(100)은 포아송 비 측정의 대상인 시편의 내부에 그리드 라인을 형성한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 장치에서 측정 대상 시편 및 시편 내부에 그리드 라인을 형성하는 광학 모듈을 도시한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에서 광학 모듈(100)은 시편(10)의 내부에 그리드 라인(101)을 형성하는 단계 S100을 수행한다. 여기서, 시편(10)은 바이오 및 화학 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있는 PDMS를 소재로 하며, ASTM-412C 표준규격에 따른 덤벨(dumbell) 형상으로 제작되었다. 또한, 그리드 라인은 시편의 중심 부위에 형성됨으로써 시편이 고정되는 양단 부위로부터의 영향을 최소화한다. 즉, 시편은 양단에서 고정되며 양단을 잇는 길이 방향의 인장력이 시편에 제공되므로 도시된 바와 같이 그리드 라인이 덤벨 형상의 시편의 중심 부위에 형성됨으로써 측정에 있어서 시편은 그리드 라인의 일부에 인장력이 집중되는 등의 직접적인 영향에서 벗어날 수 있다.
하지만, 그리드 라인이 형성 또는 가공되는 위치는 시편의 중심 부위에 한정되지 않으며, 기하학적인 형상과 연관된 포아송 비의 특성를 측정하기 위해서 대칭성이 없는 다양한 위치에 그리드 라인이 가공될 수 있다.
또한 본 발명의 측정 대상인 시편(10)은 넓은 범위의 변형률을 갖는 스트레쳐블한(stretchable) 물질, 즉 낮은 강성(stiffness)을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 본 발명에서 스트레쳐블한 물질을 시편으로 삼는 이유는 인장에 따른 변형률이 큰 경우에서의 본 발명에 따른 포아송 비 측정 장치 및 방법의 측정 정밀도를 검증하기 위함이므로, 시편의 물질은 이에 한정하지 않으며, 어느 정도의 강성이 있는 물질의 경우에도 본 발명의 장치의 측정 대상이 될 수 있다.
광학 모듈(100)은 레이저 광(110)을 출사하는 레이저(미도시) 및 레이저 광을 시편의 내부에 초점이 맺히도록 모으는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈 조립체(120)를 포함한다. 단계 S100에서 출사된 레이저 광은 시편의 내부에 그리드 라인을 형성하며, 출사된 레이저 광이 그리드 라인을 형성하는 위치에 해당하는 시편의 내부는 시편의 중심 부위로서, 중심 부위의 표면이 아닌 상부 표면과 하부 표면 사이의 소정의 높이를 갖는 내부의 일면이다.
또한 출사된 레이저 광(110)이 상기 소정의 높이의 내부 일면에 렌즈 조립체(120)에 의해 초점을 맺은 상태에서 시편을 2차원 평면에서 이동시킴으로써 레이저 광(110)은 시편의 내부 일면에 그리드 라인을 형성한다.
일 실시 예에 따른 단계 S100에서 레이저 광(110)이 시편 내부의 일면에 초점을 맺은 상태에서 시편을 인장 축 방향으로 이동시킴으로써 인장 축 방향의 라인을 형성시키고 시편을 인장 축과 직교하는 직교 축으로 이동시킴으로써 직교 축 방향의 라인을 형성시킨다. 소정의 간격으로 이격되는 인장 축 방향의 라인들과 소정의 간격으로 이격되는 직교 축 방향의 라인들의 교차로 인해 시편의 내부에 도시된 바와 같은 그리드 라인 및 닫힌 도형의 단위 셀(도시된 예에서 정사각형의 단위 셀)이 형성된다.
레이저 광(110)이 시편 내부의 구조 변화를 통해 굴절률 변화를 야기시키기 위해서는 시편은 레이저 광이 투과할 수 있는 투명한 재료여야 한다. 예를 들어, 레이저 광(110)은 펨토초 레이저에서 출사되는 펄스 폭이 수 내지 수십 펨토초에 이르는 극초단 펄스파일 수 있다.
도시된 실시 예에서 펨토초 레이저에서 출사된 레이저 광이, 시편의 중심 부위의 내부 일면에 초점이 맞추어진 상태에서 시편의 위치를 인장 축(X축) 및 직교 축(Y축)으로 이동시켜 10×5의 단위 셀을 갖는 그리드 라인을 가공한다. 이 때 단위 셀의 크기는 인장 축 및 직교 축에서 각각 300 ㎛로 형성되고, 단위 셀을 둘러싸는 그리드 라인의 레이저 광의 출사 방향으로의 깊이는 9.9 ㎛이고, 시편의 내부 일면에서의 그리드 라인의 폭은 6.1 ㎛로 측정되었다.
후속하는 단계에서 인장에 따른 그리드 라인의 위치 변화에 따라 시편의 포아송 비가 연산될 때 그리드 라인의 폭은 이웃하는 그리드 라인들끼리 구분 가능해야 하기 때문에 이웃하는 그리드 라인 사이의 이격 간격은 그리드 라인의 폭에 비해 크게 설정되어야 한다. 또한, 그리드 라인의 폭이 너무 크게 형성되면 인장에 의해 그리드 라인 자체가 굵어져서 그리드 라인의 위치를 측정하는데 어려움이 따르므로 그리드 라인의 폭은 작게 형성되는 것이 포아송 비 측정에 유리하다. 본 발명의 일 실시 예에서 그리드 라인의 폭 또는 깊이는, 이웃하는 그리드 라인 사이의 이격 간격에 대비하여 30배 보다 작은 것이 바람직하다
도 4는 시편 내부에 그리드 라인이 형성된 시편 부분의 이미지들이다. 도 5 및 도 6은 도 4의 이미지들에서 각각 인장 축 및 직교 축 방향에 따라 투과된 광의 세기를 나타낸다.
도 4는 이미징 초점을 달리하는 A, B 및 C 3장의 이미지를 포함하며, A는 시편의 상부 표면에 초점을 맞추고 촬영한 이미지이고, B는 그리드 라인이 형성된 시편의 내부 면에 초점을 맞추고 촬영한 이미지이고, C는 시편의 하부 표면에 초점을 맞추고 촬영한 이미지이다. 도 4를 참조하면, B 이미지의 그리드 라인이 A 또는 C 이미지의 그리드 라인 보다 선명하게 보이며, 이것은 그리드 라인이 시편의 내부에 형성된 당연한 결과이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 위의 그래프 D 및 G는 각각 A 이미지의 인장 축(X축) 및 직교 축(Y축) 방향에 따라 시편을 투과된 광의 세기를 나타내고, 중간 그래프 E 및 H는 각각 B 이미지의 인장 축(X축) 및 직교 축(Y축) 방향에 따라 시편을 투과된 광의 세기를 나타내고, 아래의 그래프 F 및 I는 각각 C 이미지의 인장 축(X축) 및 직교 축(Y축) 방향에 따라 시편을 투과된 광의 세기를 나타낸다. 그래프 E 및 H에서 그리드 라인을 투과한 광의 세기가 주위 보다 약해서 피크로 나타냄을 알 수 있다. 시편의 상부 표면 및 하부 표면의 이미지인 A 및 C 이미지에서 그리드 라인에 대응하는 피크를 제외하고 다른 위치에서 피크가 나타남을 확인할 수 있다. 그리드 라인에 대응하는 피크가 아닌 피크는 시편의 표면에 묻는 눈에 보이지 않는 먼지 등의 광 반사 및 산란에 의해 형성된다.
시편의 인장에 따른 길이 변화를 반영하는 그리드 라인이 시편의 표면에 형성하는 것보다 본 발명과 같이 시편의 내부에 형성되는 것이, 주위 환경이 측정에 미치는 영향을 최소화하고 제작 시의 상태로 시편의 지속적 사용을 보장함으로써 시편 제작에 드는 비용 및 시간을 절약하는데 기여할 수 있다.
단계 S200에서, 인장 스테이지 모듈(200)은 시편을 고정하고, 시편을 단계적으로 인장한다. 인장 스테이지 모듈(200)은 시편의 양단을 잡는 한 쌍의 클램프(211, 212), 지지대(220), 로드 셀(230) 및 인장 수단(미도시)을 포함한다.
인장 스테이지 모듈(200)은 측정 동안에 시편의 이동이 없도록 고정하고, 단계적으로 미리 정해진 인장 정도에 따라 단계적으로 시편을 인장한다. 인장 수단(미도시)은 시편의 일단을 쥐고 있는 클램프(212) 측을 잡아 당길 수 있는 구성으로 예를 들어 무게 추 및 풀리 등을 구비할 수 있다.
일 실시 예에서, 인장 스테이지 모듈(200)은 시편(10)을 인장 축으로 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 및 40 mm의 인장 정도로 단계적으로 늘린다. 이 때, 로드 셀(230)은 인장 수단에 의해 힘이 가해지는 클램프(212)에 배치되어 시편에 가해지는 인장 부하를 감지한다. 로드 셀(230)은 시편에 가해지는 힘의 합력이 0인 상태, 즉 힘이 가해지지 않는 상태를 확인하는데 유용하다.
단계 S300에서, 카메라 모듈(300)은 단계 S200의 시편의 단계적 인장에 따라 변화하는 시편의 이미지를 촬영한다.
단계 S200의 시편 인장 및 단계 S300의 시편 촬영은 반복적으로 수행된다. 상세히 설명하면, 시편을 고정한 후 시편에 가해지는 힘의 합력이 0인 상태, 즉 인장 정도가 0 mm인 초기 상태에서 시편의 이미지가 촬영된다. 그 후 단계 S200에서 시편의 인장 정도가 5 mm 단위로 늘어날 때 마다 단계 S300에서 카메라 모듈(300)은 인장된 시편의 이미지를 촬영한다.
도 7은 인장 정도에 따라 촬영된 시편의 이미지를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에서 단계 S200 및 단계 S300이 반복적으로 수행되면서 시편의 포아송 비를 측정하기 위한 데이터를 얻기 위한 인장 정도에 따라 변화하는 시편 내부에 형성된 그리드 라인의 이미지가 획득된다.
카메라 모듈(300)은 시편에 조사되는 광을 방출하는 광원(310), 시편을 투과한 광을 수광하는 광학계(330)와 이미지 센서(340)를 포함하는 카메라, 및 카메라의 위치를 미세 조정하는 3차원 스테이지(350)를 포함한다.
광원(310)는 백색광을 방출하며, 도시된 예에서 카메라 모듈(300)은 광원(310)에서 방출된 광을 확산시키는 디퓨저(320)을 더 포함할 수 있다. 광원에서 방출된 광이 균일하게 시편에 조사하지 않는 경우 이미지 처리 과정에서 노이즈 처리 등에서 어려움이 있을 수 있어서 시편에 균일한 세기의 광이 조사되는 것이 필요하다. 광원이 점광원인 경우 시편에 조사되는 광의 세기가 위치마다 다를 수 있으므로 디퓨저(230)를 광원과 시편 사이에 배치시킴으로써 촬영되는 시편의 부분에 광이 균일한 세기로 조사되게 한다. 디퓨저는 평판의 OLED 광원을 사용하는 경우 생략될 수 있다.
단계 S300에서, 카메라는 시편 내부에 형성된 그리드 라인에 초점을 잡고 시편을 투과하는 광을 수광하고 수광된 광을 이미지 센서로 투영시킨다. 이 때, 카메라는 3차원 스테이지(350)에 배치되고 해상도가 높은 그리드 라인의 이미지를 얻기 위해 3차원 스테이지(350)는 카메라의 위치를 미세 조정한다.
단계 S400에서, 컴퓨팅 모듈(400)은 단계 S300에서 카메라 모듈이 촬영한 시편의 이미지 중 그리드 라인의 이미지를 처리하고 시편의 포아송 비를 연산한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 방법 중에서 시편의 이미지를 처리하고 시편의 포아송 비를 연산하는 단계의 순서도이다.
도 8을 참조하면, 단계 S400은 이미지 처리 및 포아송 비 연산에 대한 세부 단계로서, 시편의 이미지에 대한 전기적 신호를 수신하는 단계(S410), 시편의 이미지에서 그리드 라인의 이미지를 추출하는 단계(S420), 추출된 그리드 라인의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 전환하는 단계(S430), 그레이 스케일 이미지에서 그리드 라인의 에지를 검출하는 단계(S440), 검출된 그리드 라인의 에지로부터 확장 선을 설정하는 단계(S450), 그레이 스케일 이미지의 종축 및 횡축에 대해 확장 선의 그레이 스케일에 대한 그래프를 나타내는 단계(S460), 그래프에서 확장 선의 내부의 그레이 스케일 피크의 위치에 대한 데이터를 얻는 단계(S470), 피크의 위치에 대한 데이터를 이용하여 그리드 라인의 교차에 의해 이루어진 단위 셀의 인장 축 및 교차 축에서의 크기를 구하는 단계(S480), 및 단위 셀의 인장 축 및 교차 축에서의 크기를 이용하여 시료의 포아송 비를 연산하는 단계(S490)를 포함한다.
단계 S410에서 컴퓨팅 모듈(400)은 카메라 모듈의 이미지 센서(340)와 전기적으로 연결되어 이미지 센서(340)로부터 시편의 이미지에 대한 전기적 신호를 수신한다. 컴퓨팅 모듈(400)은 메모리를 포함하며, 메모리는 인장 정도에 따라 변화하는 시편의 이미지들을 저장한다. 또한, 메모리는 후속하는 각각의 단계에서 처리되는 이미지 결과들을 저장한다.
단계 S420에서 컴퓨팅 모듈(400)은 시편의 이미지에서 그리드 라인의 이미지를 추출한다. 본 단계는 그리드 라인 주변의 노이즈를 줄이기 위함이다.
단계 S430에서 컴퓨팅 모듈(400)은 추출된 그리드 라인의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 전환한다. 이 때 전환된 그레이 스케일 이미지는 원본 그리드 라인의 이미지에서 흑백 반전된다. 즉, 전환된 그레이 스케일 이미지에서 광 세기기 약해서 전기적 신호가 약한 그리드 라인 부분은 흰색에 가까운 밝은 색을 띄고, 전기적 신호가 상대적으로 강한 그리드 라인을 제외한 부분은 검은 색에 가까운 어두운 색을 띈다. 또한 본 단계에서 그리드 라인 부분을 다른 여백 부분과 더 뚜렷이 구분하기 위해 설정된 한계 값을 적용하여 한계 값 이상의 그레이 스케일을 가지는 이미지 영역과 한계 값 미만의 그레이 스케일을 가지는 이미지 영역을 구분한다.
단계 S440에서 컴퓨팅 모듈(400)은 그리드 라인의 그레이 스케일 이미지에서 그리드 라인의 에지를, 즉 라인의 윤곽을 검출한다. 단계 S450에서 컴퓨팅 모듈(400)은 검출된 그리드 라인의 에지 데이터로부터 평균을 구하고 평균적인 에지 데이터를 잇는 선의 내부를 확장 선으로 설정한다. 본 단계에서 설정된 확장 선은 실제 일정한 폭을 갖는 시편의 그리드 라인에 대응된다.
단계 S460에서 컴퓨팅 모듈(400)은 인장 축 및 교차 축에 따른 확장 선의 그레이 스케일에 대한 그래프를 나타낸다. 그래프에서 확장 선은 확장 선의 주변 영역에 비해 그레이 스케일 값이 커서 피크로 표현된다.
단계 S470에서 컴퓨팅 모듈(400)은 그래프의 피크 위치에 대한 데이터를 얻는다. 피크의 위치는 확장 선의 위치가 되며, 확장 선의 위치는 인장에 따라 변위된 그리드 라인의 위치가 된다.
단계 S480에서 컴퓨닝 모듈(400)은 피크 위치에 대한 데이터를 이용하여 그리드 라인의 교차에 의해 이루어진 단위 셀의 인장 축 및 교차 축에서의 크기를 구한다. 이 때, 컴퓨닝 모듈(400)은 단위 셀의 인장 축 및 교차 축에서의 크기를 각각 표로 표현한다. 일 실시 예에서, 10×5의 단위 셀을 갖는 그리드 라인을 시편 내부에 형성한 경우 컴퓨닝 모듈(400)은 인장 정도에 따라 늘어난 단위 셀의 인장 축 및 교차 축에서의 크기를 각각 2개의 10×5 행렬로 표현할 수 있다.
단계 S490에서 컴퓨닝 모듈(400)은 인장에 의해 변위된 그리드 라인에 의한 단위 셀의 인장 축 및 교차 축에서의 크기를 이용하여 근사하지 않은 수학식 4를 통해 시편의 포아송 비를 연산한다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 장치 및 방법에 의해 측정된 결과를 나타낸다.
도 9를 참조하면, (A)는 인장에 의해 변위된 그리드 라인에 의한 단위 셀의 인장 축 및 교차 축에서의 크기를 이용하여 수학식 6에 의해 인장 축에서의 변형률(Axial Strain)과 교차 축에서의 변형률(Transverse Strain)을 도시한 것이다. (A)에서 이점 쇄선은 포아송 비가 0.5일 때 수학식 6에 의거하여 그려진 가상의 선이다. (A)에서 나타난 바와 같이 인장 축 변형률(Axial Strain)이 0.1 이상으로 커질수록 변형률이 작을 때 구해진 포아송 비에서, 즉 가상의 선에서 많이 벗어남을 확인할 수 있다.
반면 (B)는 인장에 의해 변위된 그리드 라인에 의한 단위 셀의 인장 축 및 교차 축에서의 크기를 이용하여 수학식 4에 의해 인장 축에서의 변형률과 교차 축에서의 변형률을 도시한 것이다. 인장 정도가 커질수록, 인장 축 변형률이 0.45 이상까지 포아송 비 측정치는 R^2 값이 0.99993으로 매우 좋은 선형성을 보여주고 있다. 여기서, 본 발명의 일 실시 예에서 시편이 PDMS 고분자로 이루어진 경우 PDMS 고분자의 포아송 비는
Figure 112021037176326-pat00014
임을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포아송 비 측정 장치 및 방법에 의해 측정된 포아송 비의 공간적 분포를 예시한다.
도 10을 참조하면, 컴퓨팅 모듈(400)은 디스플레이를 포함하고, 단위 셀의 인장 축 및 교차 축에서의 크기를 이용하여 그리드 라인이 형성된 영역에 해당하는 시료의 일 부분에 대한 포아송 비의 공간적 분포를 구하고 디스플레이를 통해 도 10과 같이 표시할 수 있다.
100 광학 모듈
200 인장 스테이지 모듈
300 카메라 모듈
400 컴퓨팅 모듈
10 시편

Claims (20)

  1. 시편의 내부에 그리드 라인을 형성시키는 광학 모듈;
    상기 시편을 고정하고 상기 시편에 인장력을 제공하는 수단을 구비한 인장 스테이지 모듈;
    상기 시편이 인장됨에 따라 변화하는 상기 시편 내부의 상기 그리드 라인의 이미지를 촬영하는 카메라 모듈; 및
    상기 그리드 라인의 이미지를 처리하고 상기 시편의 포아송 비를 연산하는 컴퓨팅 모듈을 포함하고,
    상기 그리드 라인은 상기 시편의 상부 표면 및 하부 표면을 제외한 상기 상부 표면과 상기 하부 표면 사이에 위치하는 상기 시편의 내부의 일면에 형성되는, 포아송 비 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 모듈은, 레이저 광을 출사하는 레이저 및 상기 출사된 레이저 광을 상기 시편의 내부에 초점이 맺히도록 모으는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는, 포아송 비 측정 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 시편은 상기 레이저 광에 투명한 재료이고,
    상기 레이저 광은 상기 시편의 내부에 굴절률 변화를 야기하는, 포아송 비 측정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 그리드 라인의 폭 또는 깊이는, 이웃하는 상기 그리드 라인 사이의 간격에 대비하여 30배 보다 작은, 포아송 비 측정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 인장 스테이지 모듈은, 상기 시편의 양단을 잡는 한 쌍의 클램프, 상기 한 쌍의 클램프 중 하나와 연결되는 로드 셀을 포함하는, 포아송 비 측정 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 카메라 모듈은, 상기 시편에 조사되는 광을 방출하는 광원, 상기 시편을 투과한 광을 수광하는 광학계와 이미지 센서를 포함하는 카메라, 및 상기 카메라의 위치를 미세 조정하는 3차원 스테이지를 포함하는, 포아송 비 측정 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 카메라 모듈은, 상기 광원에서 방출된 광을 확산시키는 디퓨저를 더 포함하는, 포아송 비 측정 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 컴퓨팅 모듈은,
    상기 카메라 모듈로부터 상기 시편의 이미지에 대한 전기적 신호를 수신하고,
    상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 추출하고,
    상기 추출된 그리드 라인의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 전환하고,
    상기 그레이 스케일 이미지에서 상기 그리드 라인의 에지를 검출하고,
    상기 검출된 그리드 라인의 에지로부터 확장 선을 설정하고,
    상기 그레이 스케일 이미지의 종축 및 횡축에 대해 상기 확장 선의 그레이 스케일에 대한 그래프를 나타내고, 및
    상기 그래프에서 상기 확장 선의 내부의 그레이 스케일 피크의 위치에 대한 데이터를 얻는, 포아송 비 측정 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 컴퓨팅 모듈은,
    상기 피크의 위치에 대한 데이터를 이용하여 상기 그리드 라인의 교차에 의해 이루어진 단위 셀의 크기를 구하고,
    인장에 따른 상기 단위 셀의 크기를 이용하여 상기 시편의 포아송 비를 연산하는, 포아송 비 측정 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 컴퓨팅 모듈은,
    상기 인장에 따른 상기 단위 셀의 크기를 이용하여 상기 그리드 라인이 형성된 영역에 해당하는 상기 시편의 일 부분에 대한 포아송 비의 공간적 분포를 나타내는, 포아송 비 측정 장치.
  11. 시편의 내부에 그리드 라인을 형성시키는 단계;
    상기 시편을 고정하고 인장하는 단계;
    인장됨에 따라 변화하는 상기 시편 내부의 상기 그리드 라인의 이미지를 촬영하는 단계; 및
    상기 그리드 라인의 이미지를 처리하고 상기 시편의 포아송 비를 연산하는 단계를 포함하고,
    상기 그리드 라인은 상기 시편의 상부 표면 및 하부 표면을 제외한 상기 상부 표면과 상기 하부 표면 사이에 위치하는 상기 시편의 내부의 일면에 형성되는, 포아송 비 측정 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 시편의 내부에 그리드 라인을 형성시키는 단계는,
    레이저 광을 이용하여 상기 그리드 라인을 형성시키되, 상기 레이저 광의 초점이 상기 시편의 내부에 맺히도록 조절하는, 포아송 비 측정 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 시편은 상기 레이저 광에 투명한 재료이고,
    상기 레이저 광은 상시 시편의 내부에 굴절률 변화를 야기하는, 포아송 비 측정 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 시편의 내부에 그리드 라인을 형성시키는 단계에서,
    상기 그리드 라인의 폭 또는 깊이는, 이웃하는 상기 그리드 라인 사이의 간격에 대비하여 30배 보다 작은, 포아송 비 측정 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 시편을 고정하고 인장하는 단계는,
    로드 셀을 통해 상기 시편에 가해지는 인장 부하를 측정하는 단계를 포함하는, 포아송 비 측정 방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 시편의 이미지를 촬영하는 단계는,
    상기 시편에 광을 조사하는 단계, 상기 시편을 투과한 광을 수렴시키는 단계 및 광 신호를 전기적 신호로 전환하는 단계를 포함하는, 포아송 비 측정 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 시편의 이미지를 촬영하는 단계는,
    상기 광을 확산시키는 단계를 더 포함하는, 포아송 비 측정 방법.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 처리하고 상기 시편의 포아송 비를 연산하는 단계는,
    상기 시편의 이미지에 대한 전기적 신호를 수신하고,
    상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 추출하고,
    상기 추출된 그리드 라인의 이미지를 그레이 스케일 이미지로 전환하고,
    상기 그레이 스케일 이미지에서 상기 그리드 라인의 에지를 검출하고,
    상기 검출된 그리드 라인의 에지로부터 확장 선을 설정하고,
    상기 그레이 스케일 이미지의 종축 및 횡축에 대해 상기 확장 선의 그레이 스케일에 대한 그래프를 나타내고, 및
    상기 그래프에서 상기 확장 선의 내부의 그레이 스케일 피크의 위치에 대한 데이터를 얻는, 포아송 비 측정 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 처리하고 상기 시편의 포아송 비를 연산하는 단계는,
    상기 피크의 위치에 대한 데이터를 이용하여 상기 그리드 라인의 교차에 의해 이루어진 단위 셀의 크기를 구하고,
    인장에 따른 상기 단위 셀의 크기를 이용하여 상기 시편의 포아송 비를 연산하는, 포아송 비 측정 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 시편의 이미지에서 상기 그리드 라인의 이미지를 처리하고 상기 시편의 포아송 비를 연산하는 단계는,
    상기 인장에 따른 상기 단위 셀의 가로 및 세로의 크기를 이용하여 상기 그리드 라인이 형성된 영역에 해당하는 상기 시편의 일 부분에 대한 포아송 비의 공간적 분포를 나타내는, 포아송 비 측정 방법.
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