KR102645311B1 - 두께 측정 장치 및 이를 이용한 두께 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 두께 측정 장치는, 챔버; 챔버 내부에서 음파를 송신하는 음파 송신부; 챔버 내부에서 음파 송신부로부터 송신된 음파를 수신하는 음파 수신부; 및 음파 송신부 및 음파 수신부 사이에 배치된 지지부;를 포함한다.
Description
본 발명은 두께 측정 장치 및 두께 측정 방법에 관한 것이다.
두께를 측정하기 위한 방법으로서, 직접 측정 방법, 광학적인 방법, X ray 이용 방법, 초음파 이용 방법 등의 방법이 있다. 그러나, 기존의 두께 측정 방법은, 측정 대상에 손상을 입히거나 방사능에 의한 환경 안전 문제가 발생할 수 있으며, 비교적 큰 두께를 갖는 측정 대상의 두께를 정확히 측정하기 어렵다는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 정확하게 두께를 측정할 수 있는 두께 측정 장치 및 두께 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 두께 측정 장치는, 챔버, 챔버 내부에서 음파를 송신하는 음파 송신부, 챔버 내부에서 음파 송신부로부터 송신된 음파를 수신하는 음파 수신부 및 음파 송신부 및 음파 수신부 사이에 배치된 지지부를 포함한다.
챔버 내부에 배치된 온도 측정부를 더 포함할 수 있다.
챔버를 냉각시키는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
챔버의 내벽은 흡음 재료로 이루어질 수 있다.
음파 송신부, 음파 수신부, 온도 측정부 및 냉각부와 연결되어, 음파 송신부 및 음파 수신부의 동기화를 제어하고, 온도 측정부로부터 수신된 온도 신호에 따라 냉각부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
음파 송신부는 음파 수신부와 일정한 거리로 이격되어 배치될 수 있다.
음파 송신부는 가청 주파수의 음파를 송신하고, 음파 수신부는 가청 주파수의 음파를 수신할 수 있다.
지지부는 음파 수신부와 일정한 거리로 이격되어 배치될 수 있다.
지지부는 음파 송신부 및 음파 수신부와 대응하도록 위치한 홀을 가질 수 있다.
냉각부는 액체 질소(LN2), 액체 산소(LO2), 액체 아르곤(LAr), 액체 수소(LH2), 액체 헬륨(LHe2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 두께 측정 방법은, 챔버의 온도를 측정하는 단계, 음파 송신부는 음파를 송신하는 단계, 음파 수신부는 음파를 수신하는 단계, 및 음파 수신부에 음파가 수신된 시간 및 챔버의 온도에 따라 금속층의 두께를 산출하는 단계를 포함하고, 챔버의 온도를 측정하는 단계는, 챔버의 온도가 영하 170도 이상인 경우, 챔버를 냉각시키는 단계 및 챔버의 온도를 재측정하는 단계를 포함한다.
챔버의 내벽은 흡음재료로 이루어질 수 있다.
음파 송신부는 음파 수신부와 일정한 거리로 이격되어 배치될 수 있다.
음파 송신부는 가청 주파수의 음파를 송신하고, 음파 수신부는 가청 주파수의 음파를 수신할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 두께 측정 장치는, 챔버, 챔버 내부에서 음파를 송신하고, 송신된 음파를 수신하는 음파 송수신부, 챔버 내부에 배치된 온도 측정부, 챔버를 냉각시키는 냉각부, 및 음파 송수신부(110), 온도 측정부 및 상기 냉각부와 연결되어, 상기 온도 측정부로부터 수신된 온도 신호에 따라 상기 냉각부를 제어하는 제어부를 포함하고, 챔버의 내벽은 흡음 재료로 이루어진다.
음파 송수신부는 가청 주파수의 음파를 송신 및 수신할 수 있다.
음파 송수신부와 대향하여 배치된 지지부를 더 포함하고, 음파 송수신부와 지지부 사이의 거리가 일정할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 두께 측정 방법은, 챔버를 냉각시키는 단계, 냉각된 챔버의 온도를 측정하는 단계, 음파 송수신부는 음파를 송신 및 수신하는 단계, 및 음파 송수신부에 음파가 수신된 시간 및 챔버의 온도에 따라 금속막의 두께를 산출하는 단계를 포함하고, 챔버의 온도를 측정하는 단계는, 챔버의 온도가 영하 170도 이상인 경우, 챔버를 냉각시키는 단계; 및 챔버의 온도를 재측정하는 단계를 포함한다.
챔버 내벽은 흡음재료로 이루어질 수 있다.
챔버는 냉각부로 둘러싸일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정 대상의 두께를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 방법에 대한 순서도를 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 두께 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 다른 두께 측정 장치의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 두께 측정 방법에 대한 순서도를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 두께 측정 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 방법에 대한 순서도를 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 두께 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 다른 두께 측정 장치의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 두께 측정 방법에 대한 순서도를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 두께 측정 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명의 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 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 그에 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제 1 구성 요소가 제 2 또는 제 3 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제 2 또는 제 3 구성 요소도 교호적으로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 두께 측정 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 두께 측정 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 두께 측정 장치의 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 두께 측정 장치는 챔버(100), 음파 송신부(110), 음파 수신부(120), 지지부(130), 온도 측정부(140), 제어부(150) 및 냉각부(200)를 포함한다.
챔버(100)는 음파 송신부(110), 음파 수신부(120), 지지부(130) 및 온도 측정부(140)를 수납한다.
챔버(100)의 내벽은 흡음 재료로 이루어질 수 있다. 흡음 재료로 이루어진 챔버(100)의 내벽은 음파 송신부(110)로부터 방사되는 음파를 흡수할 수 있다. 다시 말해서, 음파 송신부(110)로부터 송신된 음파 중 음파 송신부(110)로부터 음파 수신부(120)로 향하는 최단 거리를 지나는 음파를 제외한 음파들은 챔버(100)의 내벽의 흡음 재료에 의해 흡수된다. 이에 따라, 음파 송신부(110)로부터 방사되는 음파에 의한 노이즈 발생을 줄여 본 발명의 제1 실시예에 따른 두께 측정 장치는 금속막(500)의 두께를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
챔버(100) 내부는 공기 또는 특정한 기체로 충진될 수 있다. 챔버(100) 내부에 충진된 기체에 따라, 음파의 전파 속도가 달라질 수 있다. 이에 대하여는 도 3 내지 도 6을 참조하여 상세히 후술한다.
음파 송신부(110)는 챔버(100) 내부의 상부에 배치될 수 있다.
음파 송신부(110)는 음파를 발생시켜 챔버(100) 내부로 송신할 수 있다. 이때, 음파는 초음파(ultrasonic)로 20,000Hz 이상의 주파수를 갖는 음파일 수 있고, 초저주파로 20Hz 이하의 주파수를 갖는 음파일 수 있다. 또한, 음파는 20Hz이상 20,000Hz이하의 가청 주파수를 갖는 음파일 수 있다.
음파 수신부(120)는 챔버(100) 내부의 하부에 배치될 수 있다. 이때, 음파 수신부(120)는 음파 송신부(110)와 이격되고 서로 대향하여 배치된다. 구체적으로, 음파 수신부(120)는 음파 송신부(110)와 일정한 거리(도 4의 D1)로 이격되어 배치된다.
음파 수신부(120)는 음파 송신부(110)에서 송신하는 음파를 수신할 수 있다. 특히, 음파 수신부(120)는 음파 송신부(110)에서 음파 수신부(120)를 향하는 최단거리를 지나는 음파를 수신할 수 있다.
음파 수신부(120)는 음파를 수신하면 제어부(150)로 음파 수신 신호를 송신한다.
음파 수신부(120)는 음파 송신부(110)와 동기화되어, 음파 송신부(110)로부터 송신된 음파가 음파 수신부(120)에 수신될 때까지 소요된 시간을 정확하게 측정될 수 있다.
음파 수신부(120)는 음파 송신부(110)와 함께 수평으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 금속막(500)의 위치에 관계없이 두께를 측정할 수 있다.
도면에 도시되지 않았지만, 여러 위치에서의 금속막(500)의 두께를 측정하기 위해, 음파 송신부(110) 및 음파 수신부(120)는 챔버(100) 내에 각각 복수 개 배치될 수 있다.
지지부(130)는 음파 송신부(110)와 음파 수신부(120) 사이에 배치되고. 음파 송신부(110) 및 음파 수신부(120)에 각각 대향하여 배치될 수 있다.
지지부(130)는 두께 측정 대상인 금속막(500)을 지지하고, 음파 송신부(110)로부터 송신되는 음파는 지지부(130) 상에 배치된 금속막(500) 또는 지지부(130)를 투과하여 음파 수신부(120)에 수신될 수 있다. 이때, 지지부(130)를 투과하는 음파는 음파 송신부(110)에서 지지부(130) 사이를 투과할 때와 서로 다른 속도를 가질 수 있다. 예를 들어, 지지부(130)를 투과하는 음파는 음파 송신부(110)에서 지지부(130) 사이를 투과할 때보다 더 큰 속도로 전달될 수 있다. 도시되지 않았지만, 지지부(130)와 금속막(500) 사이에 금속막(500)이 배치된 기판이 위치할 수 있다. 이 경우, 금속막(500)이 배치된 기판의 두께 및 기판을 이루는 재료에서의 음파 속도를 고려하여 금속막(500)의 두께를 산출할 수 있다.
지지부(130)는 지지부(130) 상에 배치된 금속막(500)과 함께 수평으로 이동하여 금속막(500)의 위치에 관계없이 금속막(500)의 두께를 측정할 수 있다.
지지부(130)는 적어도 일부에 홀을 가질 수 있다. 이 홀은 음파 송신부(110)에서 음파를 송신하고 음파 수신부(120)에서 음파를 수신하여 금속막(500)의 두께를 측정할 때, 음파 송신부(110) 및 음파 수신부(120)와 대응하도록 위치할 수 있다. 구체적으로, 금속막(500)의 두께를 측정할 때, 홀은 음파 송신부(110)에서 음파 수신부(120)를 향하는 최단거리경로에 대응하도록 위치할 우 있다. 이에 따라, 음파 송신부(110)에서 송신된 음파 중 음파 송신부(110)에서 음파 수신부(120)까지의 최단거리를 지나는 음파는 지지부(130)를 투과하지 않아, 금속막(500)의 두께를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도면에 도시되지 않았지만, 지지부(130)와 금속막(500) 사이에 금속막(500)이 형성된 기판(substrate)이 더 배치될 수 있다. 이 기판은 음파가 투과될 수 있는 재료 및 두께로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 이 기판은 0.5T의 두께를 가진 유리로 이루어질 수 있다.
온도 측정부(140)는 챔버(100) 내에 배치될 수 있다. 도 1에 따르면, 온도 측정부(140)는 챔버(100) 내의 상부에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 온도 측정부(140)는 챔버(100) 내의 하부 및 중앙부에 배치될 수도 있다. 다만, 온도 측정부(140)는 음파 송신부(110)로부터 음파 수신부(120)로 향하는 최단 거리 경로에 배치될 수 없다.
온도 측정부(140)는 금속막(500)의 두께를 보다 정확하게 측정하기 위해, 금속막(500)의 온도를 측정할 수 있다. 이때, 금속막(500)의 두께를 보다 정확하게 측정하기 위해, 온도 측정부(140)는 금속막(500)의 온도를 측정하기 위해 이동할 수 있다. 온도가 높아질수록 음파의 속도는 증가하고, 두께 측정 장치의 두께 분해능은 감소한다. 이에 대해서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 상세히 후술한다.
제어부(150)는 음파 송신부(110), 음파 수신부(120), 지지부(130), 온도 측정부(140) 및 냉각부(200)와 각각 연결된다.
제어부(150)는 음파 송신부(110) 및 음파 수신부(120)와 각각 연결되어, 음파 송신부(110) 및 음파 수신부(120)의 동기화를 제어한다.
제어부(150)는 음파 송신부(110), 음파 수신부(120) 및 지지부(130)와 연결되어 음파 송신부(110), 음파 수신부(120) 및 지지부(130)의 수평 이동을 제어할 수 있다.
제어부(150)는 온도 측정부(140)로부터 수신된 온도 제어 신호에 따라 냉각부(200)를 제어하여 챔버(100) 내의 온도를 조절할 수 있다.
제어부(150)는 음파 수신부(120)로부터 음파 수신 신호를 수신한다.
제어부(150)는 음파가 음파 송신부(110)에서 송신되어 음파 수신부(120)에 수신될 때까지 소요된 시간을 통해 금속막(500)의 두께를 산출한다. 이에 대하여는 도 3 내지 도 6을 참조하여 상세히 후술한다.
냉각부(200)는 가스관(210) 및 냉각 제어부(220)를 포함할 수 있다.
가스관(210)은 챔버(100)의 외부 표면에 밀착되어 챔버(100)의 외부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 초저온 가스가 가스관(210)을 통해 흘러, 챔버(100) 내부를 냉각시킬 수 있다. 구체적으로, 초저온 가스는 액체 질소(LN2), 액체 산소(LO2), 액체 아르곤(LAr), 액체 수소(LH2), 액체 헬륨(LHe2)과 같이 영하 170도 이하의 초저온 상태에서 존재하는 다양한 종류의 가스일 수 있다.
냉각 제어부(220)는 챔버(100)의 외부에 위치할 수 있다. 냉각 제어부(220)는 가스관(210)과 연결되고 가스관(210)으로 초저온 가스를 공급하여 챔버(100)를 초저온으로 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 냉각 후 챔버(100) 내부의 온도는 영하 170도 이하일 수 있다.
도시되지 않았지만, 냉각 제어부(220)는 가스관(210)으로 초저온 가스를 공급하기 위해 가스 조절기, 가스 밸브 및 가스 저장 탱크 등을 포함할 수 있다. 가스 조절기는 초저온 가스의 유량을 미세하게 조절하기 위한 것으로 질량 유량계와 같은 유량제어장치일 수 있고, 가스 밸브는 가스 저장 탱크의 개폐를 조절하는 밸브이고, 가스 저장 탱크는 초저온 가스를 저장한다.
다만, 냉각부(200)가 이에 한정되는 것은 아니며, 챔버(100) 내의 온도를 낮추기 위한 다양한 형태를 가질 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 두께 측정 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 두께 측정 방법에 대한 순서도를 나타낸 도면이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 두께 측정 방법을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 우선, 챔버(100) 내부의 온도를 측정한다(S11). 이때, 챔버(100) 내부뿐만 아니라 금속막(500)의 온도도 측정할 수 있다.
측정된 챔버(100) 내부의 온도가 높은 경우, 제어부(150)는 챔버(100) 내부및 금속막(500)을 냉각시키기 위해 온도 제어 신호를 냉각부(200)로 송신한다. 제어부(150)로부터 수신된 온도 제어 신호에 따라, 냉각부(200)는 챔버(100) 내부를 냉각시킨다(S121). 구체적으로, 측정된 챔버(100) 내부의 온도는 영하 170도 이상인 경우, 제어부(150)는 온도 제어 신호를 냉각 제어부(220)로 송신한다. 제어부(150)로부터 수신된 온도 제어 신호에 따라, 냉각 제어부(220)는 가스 조절기 및 가스 밸브를 제어하여 챔버(100)를 둘러싸는 가스관(210)으로 가스 저장 탱크에 저장된 초저온 가스를 공급하여, 챔버(100) 내부 및 금속막(500)를 냉각시킨다.
측정된 챔버(100) 내부의 온도가 충분히 낮은 경우, 제어부(150)는 음파 송신부(110) 및 음파 수신부(120)를 동기화시킨다(S122). 예를 들어, 측정된 챔버(100) 내부의 온도는 영하 170도 이하일 수 있다.
제어부(150)는 음파 송신부(110) 및 음파 수신부(120)를 동기화시킨 후, 음파 송신부(110)는 음파를 송신한다(S13).
음파 송신부(110)에서 음파 수신부(120)까지의 최단 거리(D1)를 지나는 음파를 기준으로 금속막의 두께(d2)를 산출하기 때문에, 이 음파의 경로를 기준으로 후술한다. 이때, 음파 송신부(110)에서 음파 수신부(120)까지의 최단 거리(D1)는 [수학식 1]에 나타난 바와 같이, 음파 송신부(110)로부터 금속막(500)의 상부 표면 사이의 거리(d1), 금속막(500)의 두께(d2), 금속막 하부(500)에서 음파 수신부(120)까지의 거리(d3)의 합이며, 이는 일정한 값을 갖는다.
[수학식 1]
도 4에 도시된 바와 같이, 음파 송신부(110)로부터 송신된 음파는 공기 내에서의 음파의 속도(Cair)로 제1 시간(t1)동안 음파 송신부(110)와 금속막(500)의 상부 표면 사이의 거리(d1)를 통과한다.
이때, 기체 내에서의 음파의 전파 속도 Cgas는 아래의 [수학식 2]에 의해 표현될 수 있다.
[수학식 2]
이때, K는 이상기체의 기체 팽창 계수, ρ는 밀도, γ는 비열비, R은 기체 상수, m은 분자량이고, T는 온도로, 기체 팽창 계수, 비열비 및 분자량은 기체의 종류에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 위의 [수학식 2]에 따르면, 기체 내에서의 음파의 전파 속도 Cgas는 기체의 종류 및 온도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 기체의 종류 및 온도에 따라 아래의 표 1과 같이 음파의 속도가 달라질 수 있다.
| 기체의 종류 | 온도(℃) | 속력(m/s) |
| 이산화탄소 | 18 | 265.8 |
| 수증기 | 100 | 404.8 |
| 유리 | 20 | 5440 |
| 공기 | 20 | 343 |
| 헬륨 | 20 | 965 |
도 5에 도시된 바와 같이, 음파 송신부(110)로부터 금속막(500)의 상부 표면 사이의 거리(d1)를 통과한 음파는 금속막(500) 재료 내에서의 음파의 속도(Cm)로 제2 시간(t2)동안 금속막(500)을 통과한다.이때, 고체 내에서의 음파의 전파 속도(Csolid)는 Csolid는 아래의 [수학식 3]에 의해 표현될 수 있다.
[수학식 3]
이때, E는 영률, σ는 포아송비 및 ρ는 밀도를 나타낸다. 이때, 영률 및 포아송비는 그 물질에 따라 다른 값을 가지고, 밀도는 온도에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 위의 [수학식 3]에 따르면, 고체 내에서의 음파의 전파 속도 Csolid는 고체의 종류 및 온도에 따라 달라질 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 금속막(500)을 투과한 음파는 공기 내에서의 음파의 속도(Cair)로 제3 시간(t3)동안 금속막(500) 하부와 음파 수신부(120) 사이의 거리(d3)를 투과한다.
이때, 본 발명의 제1 실시예에 따른 두께 측정 장치의 챔버(100)의 내벽은 흡음 재료로 이루어져 있기 때문에, 음파 송신부(110)로부터 방사되는 음파는 챔버(100)의 내벽에 흡수된다. 이에 따라, 음파 송신부(110)로부터 방사되는 음파에 의한 노이즈 발생을 줄여 금속막(500)의 두께를 보다 정확하게 산출할 수 있다.
음파 수신부(120)는 음파 송신부(110)로부터 송신된 음파를 수신한다(S14).
음파 수신부(120)에서 수신된 음파를 통해 금속막(500)의 두께를 산출한다(S15). 특히, 금속막(500)의 두께를 정확히 산출하기 위해, 음파 송신부(110)로부터 음파 수신부(120)까지 최단 거리를 지나는 음파를 기준으로 금속막(500)의 두께를 산출한다. 구체적으로, 제어부(150)는 음파가 음파 송신부(110)로부터 음파 수신부(120)까지 최단 거리를 지나는데 걸리는 시간 중 최단 시간(tmin)을 기준으로 금속막(500)의 두께(d2)를 산출한다. 이때, 전술한 [수학식 1] 및 아래의 [수학식 4]에 따라, 금속막(500)의 두께(d2)를 산출한다.
[수학식 4]
본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따르면, 챔버(100) 내부 및 금속막(500)의 온도가 저온일수록 음파의 속도가 감소하기 때문에, 두께 측정 장치의 두께 분해능이 증가한다. 따라서, 챔버(100) 내 및 금속막(500)의 온도가 저온일수록 금속막(500)의 두께를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 두께 측정 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 두께 측정 장치를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 다른 두께 측정 장치의 블록도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 두께 측정 장치는 챔버(100), 음파 송수신부(110), 지지부(130), 온도 측정부(140), 제어부(150) 및 냉각부(200)를 포함한다.
챔버(100)는 음파 송수신부(110), 지지부(130) 및 온도 측정부(140)를 수납한다.
챔버(100)의 내벽은 흡음 재료로 이루어질 수 있다. 흡음 재료로 이루어진 챔버(100)의 내벽은 음파 송수신부(110)로부터 방사되는 음파를 흡수할 수 있다. 다시 말해서, 음파 송수신부(110)로부터 송신된 음파 중 음파 송수신부(110)로부터 금속막(500) 또는 지지부(130)로 향하는 최단 거리를 지나는 음파를 제외한 음파들은 챔버(100)의 내벽의 흡음 재료에 의해 흡수된다. 이에 따라, 음파 송수신부(110)로부터 방사되는 음파에 의한 노이즈 발생을 줄여 본 발명의 제3 실시예에 따른 두께 측정 장치는 금속막(500)의 두께(도 4의 d2)를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
챔버(100) 내부는 공기 또는 특정한 기체로 충진될 수 있다. 챔버(100) 내부에 충진된 기체에 따라, 음파의 전파 속도가 달라질 수 있다.
음파 송수신부(110)는 챔버(100) 내부의 상부에 배치될 수 있다.
음파 송수신부(110)는 음파를 발생시켜 챔버(100) 내부로 송신할 수 있다. 이때, 음파는 초음파(ultrasonic)로 20,000Hz 이상의 주파수를 갖는 음파일 수 있고, 초저주파로 20Hz 이하의 주파수를 갖는 음파일 수 있다. 또한, 음파는 20Hz이상 20,000Hz이하의 가청 주파수를 갖는 음파일 수 있다.
음파 송수신부(110)는 음파 송수신부(110)에서 송신되고, 금속막(500)에서 반사되어 음파 송수신부(110)로 수신되어 최단거리를 지나는 음파를 수신할 수 있다. 음파가 수신되면 음파 송수신부(110)는 제어부(150)로 음파 수신 신호를 송신한다.
음파 송수신부(110)는 수평으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 금속막(500)의 위치에 관계없이 두께를 측정할 수 있다.
도시되지 않았지만, 여러 위치에서의 금속막(500)의 두께를 측정하기 위해, 음파 송수신부(110)는 챔버(100) 내에 각각 복수 개 배치될 수 있다.
지지부(130)는 챔버(100)의 하부에 배치되고, 음파 송수신부(110)와 대향하여 배치될 수 있다.
지지부(130)는 두께 측정 대상인 금속막(500)을 지지하고, 음파 송수신부(110)로부터 송신되는 음파는 지지부(130) 상에 배치된 금속막(500)에서 반사될 수 있다.
지지부(130)는 지지부(130) 상에 배치된 금속막(500)과 함께 수평으로 이동하여 금속막(500)의 위치에 관계없이 금속막(500)의 두께를 측정할 수 있다.
지지부(130)는 일정한 두께를 가질 수 있다. 이에 따라, 금속막(500)의 두께를 지지부의 위치에 관계없이 정확하게 측정할 수 있다.
지지부(130)는 음파 송수신부(110)와 일정한 거리로 이격되어 배치될 수 있다. 구체적으로, 지지부(130)는 음파 송수신부(110)와 대항하여 일정한 거리로 이격될 수 있다.
온도 측정부(140)는 챔버(100) 내에 배치될 수 있다. 도 7에 따르면, 온도 측정부(140)는 챔버(100) 내의 상부에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 온도 측정부(140)는 챔버(100) 내의 하부 및 중앙부에 배치될 수도 있다. 다만, 온도 측정부(140)는 음파 송수신부(110)로부터 금속막(500) 또는 지지부(130)를 향하는 최단 거리 경로 상에 배치될 수는 없다.
온도 측정부(140)는 금속막(500)의 온도를 측정할 수 있다. 이때, 금속막(500)의 두께를 보다 정확하게 측정하기 위해, 온도 측정부(140)는 금속막(500)의 온도를 측정하기 위해 이동할 수 있다. 온도가 높아질수록 음파의 속도는 증가하고, 두께 측정 장치의 두께 분해능은 감소한다.
제어부(150)는 음파 송수신부(110), 지지부(130), 온도 측정부(140) 및 냉각부(200)와 각각 연결된다.
제어부(150)는 음파 송수신부(110)로부터 음파 수신 신호를 수신하여 음파 수신 신호가 수신된 시간을 통해 금속막(500)의 두께를 산출한다. 이에 대하여는 도 9 내지 도 11을 참조하여 자세히 후술한다.
제어부(150)는 음파 송수신부(110) 및 지지부(130)와 연결되어 음파 송수신부(110) 및 지지부(130)의 수평 이동을 제어할 수 있다.
제어부(150)는 온도 측정부(140)로부터 수신된 온도 제어 신호에 따라 냉각부(200)를 제어하여 챔버(100) 내의 온도를 조절할 수 있다.
냉각부(200)는 가스관(210) 및 냉각 제어부(220)를 포함할 수 있다.
가스관(210)은 챔버(100)의 외부 표면에 밀착되어 챔버(100)의 외부를 둘러싸도록 위치한다. 이 가스관(210)을 통해 초저온 가스가 흘러, 챔버(100) 내부의 온도를 조절할 수 있다. 구체적으로, 초저온 가스는 액체 질소(LN2), 액체 산소(LO2), 액체 아르곤(LAr), 액체 수소(LH2), 액체 헬륨(LHe2)과 같이 낮은 온도 상태에서 존재하는 다양한 종류의 가스일 수 있다.
냉각 제어부(220)는 챔버(100)의 외부에 위치할 수 있다. 냉각 제어부(220)는 가스관(210)과 연결되어 가스관(210)으로 초저온 가스를 공급하여 챔버(100)를 초저온으로 냉각시킬 수 있다. 전술한 [수학식 2]와 같이, 챔버(100) 내부 및 금속막(500)의 온도가 저온일수록 음파의 속도가 감소하기 때문에, 본 발명에 따른 두께 측정 장치의 두께 분해능이 증가한다. 따라서, 챔버(100) 내부 및 금속막(500)의 온도가 저온일수록 금속막(500)의 두께를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도시되지 않았지만, 냉각 제어부(220)는 가스관(210)으로 초저온 가스를 공급하기 위해 가스 조절기, 가스 밸브 및 가스 저장 탱크 등을 포함할 수 있다. 가스 조절기는 초저온 가스의 유량을 미세하게 조절하기 위한 것으로 질량 유량계와 같은 유량제어장치일 수 있고, 가스 밸브는 가스 저장 탱크의 개폐를 조절하는 밸브이고, 가스 저장 탱크는 초저온 가스를 저장한다.
다만, 냉각부(200)가 이에 한정되는 것은 아니며, 챔버(100) 내의 온도를 낮추기 위한 다양한 형태를 가질 수 있다.
이하, 도 9 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 두께 측정 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 두께 측정 방법에 대한 순서도를 나타낸 도면이고, 도 10 내지 도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 두께 측정 방법을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 우선, 챔버(100) 내부의 온도를 측정한다(S21). 이때, 챔버(100) 내부뿐만 아니라 금속막(500)의 온도도 측정할 수 있다.
측정된 챔버(100) 내부의 온도가 높은 경우, 제어부(150)는 챔버(100) 내부를 냉각시키기 위해 온도 제어 신호를 냉각부(200)로 송신한다. 제어부(150)로부터 수신된 온도 제어 신호에 따라, 냉각부(200)는 챔버(100) 내부를 냉각시킨다(S221). 구체적으로, 측정된 챔버(100) 내부의 온도는 영하 170도 이상인 경우, 제어부(150)는 온도 제어 신호를 냉각 제어부(220)로 송신한다. 제어부(150)로부터 수신된 온도 제어 신호에 따라, 냉각 제어부(220)는 가스 조절기 및 가스 밸브를 제어하여 챔버(100)를 둘러싸는 가스관(210)으로 가스 저장 탱크에 저장된 초저온 가스를 공급하여, 챔버(100) 내부를 냉각시킨다.
측정된 챔버(100) 내부의 온도가 충분히 낮은 경우, 음파 송수신부(110)는 음파를 송신한다(S222). 예를 들어, 측정된 챔버(100) 내부의 온도는 영하 170도 이하일 수 있다.
음파 송수신부(110)로부터 송신되고, 지지부(130) 상에 배치된 금속막(500)에서 반사되어 음파 송수신부(110)에 수신된 음파를 기준으로 금속막의 두께(d2)를 산출하기 때문에, 음파 송수신부(110)로부터 송신되어 지지부(130) 상에 배치된 금속막(500)으로 향하는 음파 중 최단 경로를 갖는 음파를 기준으로 후술한다. 이때, 음파 송수신부(110)로부터 지지부(130) 상에 배치된 금속막(500)까지의 최단 거리(D2)는 아래의 [수학식 5]와 같이, 음파 송수신부(110)로부터 금속막(500)의 상부 표면 사이의 거리(d1) 및 금속막(500)의 두께(d2)의 합이며, 이는 일정한 값을 갖는다.
[수학식 5]
도 10에 도시된 바와 같이, 음파 송수신부(110)로부터 송신된 음파는 공기의 음파의 속도(Cair)로 제5 시간(t5)동안 음파 송수신부(110)와 금속막(500)의 상부 표면 사이의 거리(d1)를 통과한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 금속막(500)의 상부 표면에서 반사되고, 금속막(500)의 상부 표면에서 반사된 음파는 공기의 음파의 속도(Cair)로 제5 시간(t5)동안 금속막(500)의 상부 표면과 음파 송수신부(110) 사이의 거리(d1)를 통과한다.
이때, 본 발명의 제3 실시예에 따른 두께 측정 장치의 챔버(100)의 내벽은 흡음 재료로 이루어져 있기 때문에, 음파 송수신부(110)로부터 방사되는 음파는 챔버(100)의 내벽에 흡수된다. 이에 따라, 음파 송수신부(110)로부터 방사되는 음파에 의한 노이즈 발생을 줄여 금속막(500)의 두께를 보다 정확하게 산출할 수 있다.
음파 송수신부(110)는 금속막(500)으로부터 반사된 음파를 수신한다(S23).
음파 송수신부(110)에서 수신된 음파를 통해 금속막(500)의 두께를 산출한다(S24). 특히, 금속막(500)의 두께를 정확히 산출하기 위해, 음파 송수신부(110)로부터 송신되고, 지지부(130) 상에 배치된 금속막(500)에서 반사되어 음파 송수신부(110)로 수신된 음파 중 최단 거리를 지나는 음파를 기준으로 금속막(500)의 두께를 산출한다. 구체적으로, 제어부(150)는 음파 송수신부(110)가 음파를 송신하고 이 음파가 금속막(500)에서 반사되어 음파 송수신부(110)에 의해 수신될 때까지 최단 거리를 지나는 최단 시간(tmin)을 기준으로 금속막(500)의 두께(d2)를 산출한다. 구체적으로, 전술한 [수학식 5] 및 아래의 [수학식 6]에 따라, 금속막(500)의 두께(d2)를 산출한다.
[수학식 6]
본 발명의 제3 실시예 및 제4 실시예에 따르면, 챔버(100) 내부 및 금속막(500)의 온도가 저온일수록 음파의 속도가 감소하기 때문에, 두께 측정 장치의 두께 분해능이 증가한다. 따라서, 챔버(100) 내 및 금속막(500)의 온도가 저온일수록 금속막(500)의 두께를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 챔버 110: 음파 송신부, 음파 송수신부
120: 음파 수신부 130: 지지부
140: 온도 측정부 150: 제어부
200: 냉각부 500: 금속막
120: 음파 수신부 130: 지지부
140: 온도 측정부 150: 제어부
200: 냉각부 500: 금속막
Claims (20)
- 챔버;
상기 챔버 내부에서 음파를 송신하는 음파 송신부;
상기 챔버 내부에서 상기 음파 송신부로부터 송신된 음파를 수신하는 음파 수신부;
상기 음파 송신부 및 상기 음파 수신부 사이에 배치된 지지부; 및
상기 챔버를 영하 170도 이하로 냉각시키는 냉각부를 포함하는 두께 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 챔버 내부에 배치된 온도 측정부;를 더 포함하는 두께 측정 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 챔버의 내벽은 흡음 재료로 이루어진 두께 측정 장치. - 제2항에 있어서,
상기 음파 송신부, 상기 음파 수신부, 상기 온도 측정부 및 상기 냉각부와 연결되어,
상기 음파 송신부 및 상기 음파 수신부의 동기화를 제어하고, 상기 온도 측정부로부터 수신된 온도 신호에 따라 상기 냉각부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 두께 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 음파 송신부는 상기 음파 수신부와 일정한 거리로 이격되어 배치된 두께 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 음파 송신부는 가청 주파수의 음파를 송신하고,
상기 음파 수신부는 가청 주파수의 음파를 수신하는 두께 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 지지부는 상기 음파 수신부와 일정한 거리로 이격되어 배치된 두께 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 지지부는 상기 음파 송신부 및 상기 음파 수신부와 대응하도록 위치한 홀을 갖는 두께 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 냉각부는 액체 질소(LN2), 액체 산소(LO2), 액체 아르곤(LAr), 액체 수소(LH2), 액체 헬륨(LHe2) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 두께 측정 장치. - 챔버의 온도를 측정하는 단계;
음파 송신부는 음파를 송신하는 단계;
음파 수신부는 상기 음파를 수신하는 단계; 및
상기 음파 수신부에 음파가 수신된 시간 및 상기 챔버의 온도에 따라 금속층의 두께를 산출하는 단계;를 포함하고,
상기 챔버의 온도를 측정하는 단계는, 상기 챔버의 온도가 영하 170도 이상인 경우, 상기 챔버를 냉각시키는 단계; 및 상기 챔버의 온도를 재측정하는 단계;를 포함하는 두께 측정 방법. - 제11항에 있어서,
상기 챔버의 내벽은 흡음재료로 이루어진 두께 측정 방법. - 제11항에 있어서,
상기 음파 송신부는 상기 음파 수신부와 일정한 거리만큼 이격되어 배치된 두께 측정 방법. - 제11항에 있어서,
상기 음파 송신부는 가청 주파수의 음파를 송신하고,
상기 음파 수신부는 가청 주파수의 음파를 수신하는 두께 측정 방법. - 챔버;
상기 챔버 내부에서 음파를 송신하고, 상기 송신된 음파를 수신하는 음파 송수신부;
상기 챔버 내부에 배치된 온도 측정부;
상기 챔버를 냉각시키는 냉각부; 및
상기 음파 송수신부, 상기 온도 측정부 및 상기 냉각부와 연결되어, 상기 온도 측정부로부터 수신된 온도 신호에 따라 상기 챔버를 영하 170도 이하로 냉각시키도록 상기 냉각부를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 챔버의 내벽은 흡음 재료로 이루어진 두께 측정 장치. - 제15항에 있어서,
상기 음파 송수신부는 가청 주파수의 음파를 송신 및 수신하는 두께 측정 장치. - 제15항에 있어서,
상기 음파 송수신부와 대향하여 배치된 지지부;를 더 포함하고,
상기 지지부는 상기 음파 송수신부와 일정한 거리로 이격되어 배치된 두께 측정 장치. - 챔버를 냉각시키는 단계;
상기 냉각된 챔버의 온도를 측정하는 단계;
음파 송수신부는 음파를 송신 및 수신하는 단계; 및
상기 음파 송수신부에 음파가 수신된 시간 및 상기 챔버의 온도에 따라 금속막의 두께를 산출하는 단계;를 포함하고,
상기 챔버의 온도를 측정하는 단계는, 상기 챔버의 온도가 영하 170도 이상인 경우, 상기 챔버를 냉각시키는 단계; 및 상기 챔버의 온도를 재측정하는 단계;를 포함하는 두께 측정 방법. - 제18항에 있어서,
상기 챔버 내벽은 흡음재료로 이루어진 두께 측정 방법. - 제18항에 있어서,
상기 챔버는 냉각부로 둘러싸인 두께 측정 방법.
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