KR20020073978A - 적외선 열화상 장치를 이용한 박막 두께의 측정법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적외선 열화상 장치를 이용한 박막 두께의 측정법에 관한 것이며, 그 목적은 박막 코팅 면의 적외선 자발광을 적외선 열화상 카메라를 이용하여 한번에 박막 두께의 2차원 분포를 구하여 신속하게 측정할 수 있는 박막 두께의 측정법을 제공함에 있다.

본 발명은 적외선 열화상 카메라를 이용하여 대상면으로부터 방사되는 적외선 자발광을 측정하는 단계와, 이렇게 측정된 적외선 자발광의 세기를 컴퓨터에 의해 온도(T_A)로 환산하는 단계와, 이렇게 환산된 온도(T_A)와 박막층이 입혀지지 않은 표면의 방사율( epsilon _B)과 온도(T_B)를 이용하여 총방사율()을 계산하는 단계와, 박막층의 두께에 따라 총방사율(

Description

적외선 열화상 장치를 이용한 박막 두께의 측정법 {Method of measuring the thickness of thin film layer using infrared thermal image system}

본 발명은 적외선 열화상 장치를 이용한 박막 두께의 측정법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코팅층의 박막두께를 적외선 열화상 장치를 이용하여 2차원적으로 측정하는 방법으로 반사광 대신 대상면으로부터 자발적으로 방사되는 적외선 복사(Infrared Radiation)를 이용한 박막 두께의 측정법에 관한 것이다.

표면의 보호나 기능의 강화를 위하여 코팅의 방법이 널리 사용된다. 또한, 이의 경제성을 증가시키기 위하여, 코팅의 두께는 점차 감소되는 추세이다. 코팅의 박막화에 따라 두께가 고르게 되는 것이 중요한데, 이를 위해 박막의 두께를 측정하는 것이 필요하다.

종래 박막의 두께 측정 방법으로는 초음파나 광학적인 방법을 이용한 점측정이 주종을 이루는데, 이러한 방법을 써서 코팅 면에서의 박막 두께의 분포를 측정하는 것은 코팅 면에 대한 표본 검사밖에 될 수 없는 한계가 있고, 많은 시간이 걸리므로 두께의 분포를 신속히 파악하는데 활용하기에는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 점측정보다 정확도는 떨어지나 2차원적인 두께 분포를 한번의 측정으로 얻을 수 있는 방법으로써 광학적인 측정법이 사용되기에 이르렀다. 기존의 2차원 박막 두께 측정 방법은 계측기에서 복사선(빛)을 쏘아 반사되는 빛을 측정하여 코팅 면에서의 반사율의 편차로부터 박막의 두께를 측정하는 방법이다. 그러나, 이러한 방법은 주위의 환경으로부터의 반사광에 취약하므로 협대역 필터가 필요하고, 대상면을 조사할 광원이 필요하며, 또한 대상면으로 조사되는 빛의 분포가 고르지 않으므로 반사광을 조사광의 세기에 대해 노말라이즈(Normalize) 해야하는 번거로움이 있다. 또한, 반사광은 대상면의 각도에 따라 그 세기가 크게 차이나는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 박막 코팅 면의 적외선 자발광을 적외선 열화상 카메라를 이용하여 한번에 박막 두께의 2차원 분포를 구하여 신속하게 측정할 수 있는 박막 두께의 측정법을 제공함에 있다.

모든 고체면은 해당면의 온도와 방사율에 따라 그 복사선의 세기가 정해지는 적외선을 외부로 방사한다. 그런데, 코팅이 되는 바닥면과 코팅층의 방사율이 다르며, 또한 이러한 코팅층을 통과하면서 흡수 및 투과에 의해 복사선 세기의 변화가 생기므로 복사선의 세기를 측정하여 코팅층의 두께를 파악 할 수 있다. 이때 측정 장치로써 상용의 적외선 열화상 카메라를 사용하게 되면 코팅 표면으로부터의 적외선 세기의 2차원 영상을 얻을 수 있으므로 한번에 2차원 두께 분포를 얻을 수 있게 된다.

상기와 같은 원리를 이용한 본 발명은 적외선 열화상 카메라를 이용하여 대상면으로부터 방사되는 적외선 자발광을 측정하는 단계와, 이렇게 측정된 적외선 자발광의 세기를 컴퓨터에 의해 온도(T_A)로 환산하는 단계와, 이렇게 환산된 온도(T_A)와 박막층이 입혀지지 않은 표면의 방사율( epsilon _B)과 온도(T_B)를 이용하여 총방사율()을 계산하는 단계와, 박막층의 두께에 따라 총방사율이 변화하는 것을 이용하여 박막층의 두께를 측정하는 단계로 이루어졌다.

도 1 은 본 발명에 따른 측정방법을 나타낸 예시도

도 2 는 박막에서의 적외선의 투과 및 흡수를 나타낸 원리도

도 3 은 방사율과 층 두께 사이의 관계를 나타낸 예시도

도 4 는 표시 온도와 두께 사이의 관계를 나타낸 예시도

도 5 는 박막이 불균일하게 입혀진 대상면에서 측정된 적외선 이미지를 나타낸 예시도

도 6 은 측정 이미지로부터 구한 두께 분포를 나타낸 예시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) 적외선 열화상 카메라

(2) 대상면

(3) 박막층

(4) 화상-두께 변환 계산용 컴퓨터

도 1 은 본 발명에 따른 측정방법을 나타낸 예시도를 도시한 것으로, 박막층(3)이 입혀진 대상면(2)으로부터 방사(Emission)되는 적외선을 적외선 열화상 카메라(1)로 측정하고, 이를 통해 얻은 2차원 적외선 이미지를 두께분포로 변환하는 프로그램을 수행하기 위한 컴퓨터(4)를 나타내고 있다.

도 2 는 박막에서의 적외선의 투과 및 흡수를 나타낸 원리도를 도시한 것으로, 층의 흡수를 I´라고 하면 I의 강도를 가지는 입사광이 두께 l 을 통과한 후에 가지는 빛의 강도는 I-I´이다. 이때, 흡수 I´는 층의 두께 l 에 따라 커진다. 한편, 층 자체에서도 복사선을 방사하는데, 이 빛의 강도는 층 두께에 비례한다. 최종적으로 적외선 열화상 카메라에서 측정되는 값은 박막층을 투과한 빛과 박막층으로부터 방사되는 빛의 합이다. 이 값이 박막층의 두께에 따라 달라지므로 적외선의 세기로부터 두께를 측정할 수 있다.

도 3 은 방사율과 층 두께 사이의 관계를 나타낸 예시도를 도시한 것으로, 점선은 각각의 박막층에 의한 흡수와 층에서의 방사를 나타내며, 실선은 이 둘에합에 의한 총방사율()이다. epsilon _B는 박막층이 입혀지기 전의 표면 방사율이고, epsilon _L은 박막층의 두께가 충분히 두꺼워서 불투명한 경우의 박막층 표면의 방사율이다. 총방사율()은 epsilon _B와 epsilon _L 사이에서 두께에 따라 변화하는 값을 가진다. 복사선의 박막 투과 및 흡수관계로부터 계산된 복사선의 세기와 박막층의 두께를 정량적으로 측정하는 것이 가능하며, 또한 실측 데이터를 이용한 보간법으로도 적외선 복사선의 세기로부터 박막층 두께의 정량화가 가능하다.

도 4 는 표시 온도와 두께 사이의 관계를 나타낸 예시도를 도시한 것으로, 층의 두께가 얇은 경우에 두께의 변화에 대하여 표시 온도의 변화가 크며, 이 때문에 박막층의 두께 구분이 용이함을 알 수 있다.

도 5 는 박막이 불균일하게 입혀진 대상면에서 측정된 적외선 이미지의 예시도를 도시한 것으로, 불규칙하게 박막이 형성된 면을 대상으로 한 것이다. 대상면은 125℃로 가열된 상태이며, 밝은 곳이 박막이 두꺼운 곳이고 어두운 곳이 얇은 곳이다. 박막의 두께가 고르지 않은 관계로 불규칙한 무늬가 나타남을 볼 수 있다.

도 6 은 측정 이미지로부터 구한 두께 분포를 나타낸 예시도를 도시한 것으로, 가로축은 상대적인 두께를 나타내며, 세로축은 화소의 개수를 나타낸다. 두께의 분포가 넓은 것으로부터 대상면 박막의 두께가 고르지 않음을 알 수 있다.

본 발명은 적외선 열화상 카메라(1)를 이용하여 대상면(2)으로부터 방사되는적외선 자발광을 측정하는 단계와, 이렇게 측정된 적외선 자발광의 세기를 컴퓨터(4)에 의해 온도(T_A)로 환산하는 단계와, 이렇게 환산된 온도(T_A)와 박막층이 입혀지지 않은 표면의 방사율( epsilon _B)과 온도(T_B)를 이용하여 총방사율()을 계산하는 단계와, 박막층(3)의 두께에 따라 총방사율()이 변화하는 것을 이용하여 박막층의 두께를 측정하는 단계로 이루어졌다.

본 발명에 사용된 적외선 열화상 카메라(1)는 상용되는 것으로 측정대상의 방사율이 일정하다고 가정하여 입사되는 적외선의 세기를 온도로 환산하여 표시 및 출력한다. 그러나, 본 발명에서는 적외선의 세기 차이는 일정한 온도를 가지는 측정대상에서 방사율의 차이에 의한 것이므로 계기에 표시되는 온도를 방사율로 환산해야 한다.(박막이므로 대상면과 박막층은 거의 같은 온도에 있다고 가정 할 수 있다.)

따라서, 적외선 열화상 카메라(1)를 이용하여 대상면(2)으로부터 방사되는 적외선 자발광의 세기에 의해 대상면의 온도(T_A)를 측정하고, 박막층이 입혀지지 않은 표면의 방사율( epsilon _B)은 이미 알려져 있으므로 박막층이 입혀지지 않은 표면의 온도(T_B)를 기준으로 박막층이 입혀진 임의면에 표시되는 온도(T_A)와 방사율( epsilon _B)를 이용하여 방사율( epsilon _A)을 구한다.

이때 방사율( epsilon _A)을 구하기 위한 식으로,

----- (1)

를 이용하여 임의면의 방사율( epsilon _A)를 구하고, 이렇게 구한 방사율(epsilon _A)은 도 3의 총방사율()에 해당한다.

또한, 대상면(2)으로부터 방사되는 적외선 자발광을 적외선 열화상 카메라(1)를 이용하여 측정한 2차원 이미지로부터 각 화소(Pixel)의 밝기를 읽어내어 이를 두께로 변환한 뒤 두께별 화소의 개수를 나타내어 박막 두께의 2차원 분포를 구할 수 있다. 이때 각 화소의 밝기가 밝을수록 박막의 두께가 두꺼운 곳이고 어두운 곳일수록 박막의 두께가 얇은 곳이다. 이와 같이 이미지의 균일성만을 검사하여 박막층 두께의 정량화 과정이 없이도 박막층의 두께 균일성 검사에 적용 가능하다.

상기와 같이 적외선 자발광을 이용함에 있어서 주위 환경으로부터 발생하는 적외선이 대상면(2)에서 반사됨으로 인해 신호에 대한 잡음(Noise)으로 작용하게 되어서 신호 대 잡음비를 떨어뜨리는 원인이 된다. 이 경우에 신호 대 잡음비를 증가시키기 위한 방법으로 대상면(2)을 가열하는 방법을 사용할 수 있다. 복사선의 강도는 방사율과 절대온도의 4제곱에 비례하므로 온도의 증가에 의해 복사선의 강도는 4제곱으로 늘어나서 주변으로부터의 적외선이 반사되는 것을 무시할 수 있게 된다.

(변형예, 응용예 및 법적해석)

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명은 대상면의 적외선 자발광을 적외선 열화상 카메라를 써서 측정하여 박막 두께의 2차원 분포를 구함으로써, 많은 시간이 걸리는 점측정을 반복 수행하여야만 구할 수 있었던 2차원 두께 분포를 한번에 얻을 수 있고, 적외선 자발광을 이용함으로 별도의 광원이 필요없기 때문에 장치가 간단해지며, 광원자체의 불균일성 등에 의해서 생기는 오차 등을 해결하기 위한 장치들도 필요없어지므로 아주 간단한 측정시스템으로 측정이 가능하다. 또한 자발광인 경우에는 각도에 따른 빛의 세기 편차가 거의 없는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 적외선 열화상 카메라를 이용하여 대상면으로부터 방사되는 적외선 자발광을 측정하는 단계와, 이렇게 측정된 적외선 자발광의 세기를 컴퓨터에 의해 온도(T_A)로 환산하는 단계와, 이렇게 환산된 온도(T_A)와 박막층이 입혀지지 않은 표면의 방사율( epsilon _B)과 온도(T_B)를 이용하여 총방사율()을 계산하는 단계와, 박막층의 두께에 따라 총방사율()이 변화하는 것을 이용하여 박막층의 두께를 측정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 적외선 열화상 장치를 이용한 박막 두께의 측정법.
2. 제 1 항에 있어서;

   적외선 열화상 카메라를 이용하여 대상면으로부터 방사되는 적외선 자발광을 2차원 이미지로 측정하는 단계와, 화상으로부터 각 화소의 밝기를 읽어내어 두께로 변환하는 단계와, 각 두께별 화소의 개수를 나타내어 박막의 2차원 두께 분포를 측정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 적외선 열화상 장치를 이용한 박막 두께의 측정법.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서;

   대상면을 가열하여 신호 대 잡음비를 증가시키는 것을 특징으로 하는 적외선 열화상 장치를 이용한 박막 두께의 측정법.