KR20020074797A

KR20020074797A - 액체의 접촉각 측정 방법에 의한 발수도 검사 장치

Info

Publication number: KR20020074797A
Application number: KR1020010014808A
Authority: KR
Inventors: 김철환; 최경민
Original assignee: (주)미래로시스템
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2002-10-04

Abstract

본 발명은 기존의 발수도 검사처럼 액체를 시료 상에 떨어뜨린 후, 이를 기울여 흘러내리는 모양을 관찰함으로써 발수도를 측정하는 방식을 지양하고, 액체를 수평으로 놓인 시료, 즉 종이나 고분자 재료 등의 표면에 정량을 투하한 다음, 이 액체가 시료의 표면 장력에 의해 시료에 의해 흡수되지 않으면서 반원형으로 뭉친 형태를 관찰하여 발수도를 측정하는 방법을 사용한다. 또한 액체를 육안으로 관찰하는 것이 아니라, 자동화된 비젼 장치로 촬상하여 이미지를 분석함으로써 육안 관찰의 불확실성을 제거함과 동시에, 일정 시간 간격을 두고 주기적인 촬상을 하고 이 이미지들을 분석하여, 시간 경과에 따른 발수도를 알아낼 수 있도록 하는 방법및 장치에 관한 것이다.

Description

액체의 접촉각 측정 방법에 의한 발수도 검사 장치{WATER RESISTANCE MEASURING APPARATUS USING LIQUID DROPLET CONTACT ANGLE METHOD}

본 발명은 종이 및 판지의 발수도 검사에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 발수제가 첨가된 종이에 액체를 떨어뜨린 후 시간에 따른 액체의 흡수도, 즉 발수도를 검사하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

발수도란 빗물이나 오염물질 등의 액체에 대해 종이나 섬유 등이 이를 튀겨내는 정도, 즉 종이 표면 등이 표면 장력 등의 현상을 통해 액체의 투과에 저항하는 능력을 말하는 것으로 종이 및 판지 등에서는 대단히 중요한 성질 중의 하나이다.

종이에 대한 기존의 발수도 검사(KS M 7057) 방법은, 도 1에 나타낸 장치에서 시료(31)를 도시된 바와 같이 평평하게 펴서 기울어지도록 배치한 후, 뷰렛(32)에서 일정량의 액체를 떨어뜨려, 액체가 시료 상에서 굴러 내려갈 때 형성된 액체의 자취를 해석하여 측정하는 것이다. 여기서 시료란 발수도를 측정하는 종이나 직물류 등을 말한다. 이하의 표 1은 상기 KS M 7057 검사법에서의 발수도와 액체 자취간의 관계를 나타내는 표이다.

발수도	결과
R0	물이 흐른 자국이 연속적이고 일정한 폭을 나타냄
R2	물이 흐른 자국이 연속적이고, 물방울보다 약간 좁은 폭을 나타냄
R4	물이 흐른 자국이 연속해 있지만 군데군데 끊어져 확실히 물방울보다 좁은 폭을 나타냄
R6	흐른 자국이 반이 적셔져 있는 것
R7	흐른 자국의 1/4는 늘어진 물방울에 적셔져 있는 것
R8	흐른 자국의 1/4 이상이 구형의 작은 물방울이 산재해 있는 것
R9	곳곳에 구형의 작은 물방울이 산재해 있는 것
R10	완전하게 굴러 떨어지는 것

도 1과 같은 조건 하에서 실험을 행할 때, 만약 발수도 값이 R2가 나왔다고 가정한다면, 시료의 발수 특성은 "물이 흐른 자국이 연속적이고 약간 좁은 폭"을 나타낸다. 그러나 물이 연속적으로 흐른 자국은 쉽게 관찰이 되겠지만, 물이 흐른 자국의 폭을 판단할 때는 측정자의 주관에 따라 넓거나 좁게, 혹은 중간 정도의 폭등으로 해석할 가능성을 배제하기 어렵다. 따라서 이렇게 측정자의 주관적인 판단이 개입되어 결정된 발수도로는, 시료가 갖는 정확한 발수 특성을 제시하기가 어렵게 될 것이고, 더욱이 수출용 종이 및 포장원지의 경우에는 객관화된 발수도 수치가 제공되지 않기 때문에 포장지의 수출에 치명적인 약점을 노출할 우려가 있다. 결과적으로 도 1 및 표 1에 제시된 발수도 측정 방법은 과학적이고 재현성 있는 결과를 얻을 수 없다.

현재 포장 원지 제조업체에서 행하는 발수도 측정 방법은 콥 사이즈도(Cobb Size Test)나 스테키히트 사이즈도 측정법(Stockigt Size Test)을 이용하거나, 도 1에서 제시한 방법과 같은 측정자의 주관이 강하게 개입되는 발수도 측정법을 이용하고 있는 실정이다. 이러한 방법들은 발수제의 처리 정도에 따른 포장지의 발수 특성의 차이를 명확히 밝혀 내기도 어렵다. 발수 처리를 달리한 종이의 콥 사이즈도 변화는 일정 양의 발수제 처리 이후에는 큰 유의성을 찾아보기가 힘들다. 현재 이와 같은 발수도 측정 방법들에 의존하는 원인은 포장지 제조 업체의 영세성에 따른 원인도 있겠지만, 국내의 생산 실정에 맞게 제작된 발수도 측정 시스템이 없는 것에서 더 큰 원인을 찾을 수 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 기기로는, 자동화된 사이즈도 측정기(Automated Size Tester)가 있는데, 이것은 발수도 측정을 위해 측정 주체의 주관적 판단을 배제하고, 객관적인 측정값을 제공할 수 있는 새로운 기기이다. 이러한 사이즈도 측정기의 한 종류로 허큘리스 사이즈도 측정기(Hercules Size Tester)가 가장 많이 사용되고 있는데, 이러한 측정기기는 측정하고자 하는 시험편을 시험기의 고정틀에 삽입한 후 이를 빛이 조사되는 유리 위에 올려놓고 표준 잉크를 붓는다. 표준 잉크가 종이로 침투함에 따라 종이의 아래 쪽에의 광반사율이 저하되므로 그 변화를 추적하여 초기 광반사율에 비하여 일정한 비율로 낮아질 때까지 걸리는 시간을 자동으로 측정하고 그 때까지 소요된 시간을 사이즈도로 표시한다.

이 기기를 사용하여 사이즈도를 측정하면, 측정자의 주관적 판단이 배제된 객관적인 사이즈도를 얻을 수는 있지만, 시간의 경과에 따른 시료의 발수도 변화, 즉 경시적인 지표를 보여주지는 못한다. 시료가 갖는 발수 특성에 대한 절대적인 수치도 중요하지만, 시간의 경과에 따라 시료와 액체, 그리고 처리된 발수제(혹은 사이즈제) 사이에 일어나는 물리 화학적 현상의 관찰을 통해 시료의 발수 정도 뿐만 아니라, 저장이나 유통 기간 중에 대기 중의 수분 침투에 의해 시료에 일어나는 강도의 열화까지도 예측이 가능하여야 하기 때문이다.

따라서 시료, 특히 포장지 등의 경쟁력을 기르기 위해서는 측정자의 주관적인 판단이 배제된 상태에서 정확한 발수도의 값을 얻을 수 있는 자동측정법의 개발과 함께, 발수도 변화를 경시적으로 관찰할 수 있는 발수도 측정 시스템의 개발이 무엇보다 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 객관적이고 자동화된 발수도 측정 장치 및 측정법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 발수도 변화를 시간의 흐름에 따라 경시적으로 관찰할 수 있는 측정 장치 및 측정법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

도 1은 일반적인 발수도 검사기의 측면도.

도 2는 본 발명의 일 실시례인 장치를 보여주는 사시도.

도 3은 촬상된 이미지를 데이터로 처리하여 분석하는 알고리즘 과정을 보여주는 플로우차트.

도 4는 근사원 방법에 의한 접촉각 측정법.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

11: 분석 소프트웨어가 장착된 컴퓨터 12: 액체 토출부

13: 액체 토출부 신호 케이블 14: 액체

15: 액체 토출단 16: 시료 고정 장치

17: 광원 18: 촬상 장치

19: 영상 전송 케이블

본 발명은 기존의 발수도 검사처럼 액체를 시료위에 떨어뜨린 후, 이를 기울여 흘러 내리는 모양을 관찰함으로써 발수도를 측정하는 방식을 지양하고, 액체를 수평으로 놓인 시료, 즉 종이나 직물등의 표면에 소량 떨어뜨린 다음, 이 액체가 시료의 표면 장력에 의해 시료에 의해 흡수되지 않으면서 반원형으로 뭉친 형태를 관찰하여 발수도를 측정하는 방법을 사용한다. 또한 액체를 육안으로 관찰하는 것이 아니라, 자동화된 비젼 장치로 촬상하여 이미지를 분석함으로써 육안 관찰의 불확실성을 제거함과 동시에, 일정 시간 간격을 두고 주기적인 촬상을 하고 이 이미지들을 분석하여, 시간 경과에 따른 발수도를 알아낼 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자동 발수도 검사 장치는, 액체를 시료 표면에 투하하는 액체 토출부와, 상기 투하되어 시료 표면에서 반원형을 이룬 액체를 촬상하는 촬상 장치와, 상기 촬상 장치에 의해 촬상된 액체의 이미지를 입력받는 분석 장치를 포함한다. 또한, 상기 분석 장치는 입력된 상기 액체의 이미지에서 액체와 시료 표면과의 접촉각을 계산하고 이로부터 둘 간의 표면 장력을 계산함으로써 발수도를 측정하게 된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명이 구현된 장치의 일 실시례를 나타낸 사시도이다. 본 발명의 분석 장치(11)에서 액체 토출부(12)로 신호를 보내면, 액체(14)가 가느다란 액체 토출단(15)의 구멍을 통해 시료(16)의 표면 위로 떨어지게 된다. 상기 액체토출단(15)은 소량의 액체량을 떨어뜨려 시료 표면에서 액체가 퍼지지 않고 액체와 대기간의 표면 장력에 의해 반원형을 이루도록 하기 위한 것으로, 주사 바늘 형태나 가느다란 피펫 등을 사용할 수 있다. 하지만, 동일한 기능을 할 수 있는 것이라면 어떠한 형태의 액체 투하 장치라도 가능하다.

시료 표면에 투하된 액체는 그 양이 너무 많지 않는 한, 최초에는 시료 표면에서 시료와의 표면 장력에 의해 흡수되지 않고 반원형을 이루며 형태를 유지한다. 시료와 액체간의 표면 장력은 시료가 액체의 침투에 저항하는 성질인 발수도와 직결되는 값이므로, 이 표면 장력을 계산해 내면 새로운 발수도의 기준으로 사용할 수 있게 된다.

그 다음, 이 액체를 도시된 바와 같이 조명(17)으로 비추면서 촬상 장치 또는 비젼 장치(18)가 액체에 수평하게 놓여진 상태로 액체를 촬상하여 액체의 반원형 이미지를 획득하게 된다. 도 2에서는 조명이 액체를 수평으로 비추고 있는데, 액체를 확실하게 촬상할 수만 있다면, 반드시 수평으로 광원이 비칠 필요는 없으며, 주위의 빛이 아주 밝다면 아예 필요하지 않을 수도 있다. 그리고 미세한 액체 방울을 측정하는 것이므로 LED등으로 이루어진 작은 광원도 가능하다.

획득된 액체의 반원형 이미지는 분석 소프트웨어가 장착된 분석 장치(11) 등으로 케이블이나 기타 전송 통로(19)를 통해 전송된 다음, 소정의 알고리즘을 통해 분석된다.

도 3은 촬상된 이미지를 데이터로 처리하여 분석하는 알고리즘 과정을 보여 주고 있다. 먼저, 비젼장치(18)가 액체와 시료의 이미지를 촬상(22)하여 분석 장치로전송, 입력하면, 분석 장치는 알고리즘에 따라 이미지를 필터링하는 일반적인 화상 처리 절차를 거쳐서(23), 시료의 표면과 액체의 가장자리를 구분하여 검출하고(24), 액체 표면의 윤곽을 통해 액체의 위치, 높이, 넓이 및 크기(26)를 알아낼 수 있게 된다. 그 다음, 측정된 데이터를 이용하여 액체와 시료의 접촉각을 계산한다(27). 이 과정을 거쳐서 얻어진 접촉각을 이용하면, 여러 분야에 응용할 수 있는데 그 중 한 예가 표면 장력 계산이며, 이것은 직접적으로 시료의 발수도에 비례하는 값으로 나타낼 수 있다.

상기 촬상 이미지를 분석하는 방법을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다. 액체의 가장자리가 검출된 후, 액체의 정확한 모양을 검출하기 위해서 액체 표면의 기울기의 변화도를 측정한다. 기울기의 변화가 커지는 부분을 액체의 왼쪽 끝과 오른 쪽 끝으로 판별하여 액체의 모양을 검출하게 된다. 또한, 접촉각 계산을 위해선 도 4에서처럼 액체의 가장자리를 원에 근사화시켜서 원의 반지름을 구하여 그 각을 계산하게 된다. 선분 PQ가 시료의 표면이고 원호 PRQ가 시료위에 놓인 액체의 윤곽선이라 할 때, 이 원호에 근접한 원을 그릴 수 있다. 이때 점 P(x₁, y₁)의 이 원에 대한 접선과 선분 PQ와의 각 θ₁이 점 P의 접촉각이라 할 수 있다. 이 각을 구하기 위해서는 원 내부의 다른 각 θ₂를 이용할 수 있는데, θ₁과 θ₂는 도시된 바와 같이 서로 등가이므로, 결국 θ₂를 구하면 θ₁을 알 수 있게 된다. θ₂를 구하는 식은 다음의 수학식 1과 같다. 여기서 x₁이란 액체의 중앙부로부터 점 P까지의 수평 거리를 나타내는 값이다.

상기 θ₁은 액체가 시료와 접촉되는 각을 뜻하며, 이것은 시료와 액체간의 표면 장력에 비례하는 값이므로, 이 각도는 시료가 액체를 튀겨내는 정도, 즉 기존의 발수도에 비례하는 값이 된다. 접촉각과 표면 장력과의 관계는 주지하다시피 영의 방정식(Young's equation)에 따른다.

또한 상기 액체는 흘러 내리거나 하지 않으므로, 증발을 무시할 수 있는 길지 않은 시간 간격내에서의 시간의 경과에 따른 접촉각의 변화는, 오로지 액체의 시료내 침투력에 의해 결정되는 것이며, 따라서 이를 이용하면 경시적 발수도를 측정할 수 있게 된다. 즉, 시간이 지남에 따라 액체는 시료로 흡수될 것이고 접촉각은 계속 작아지게 되는데, 이러한 접촉각의 변화를 측정하여 동적 발수도를 측정하는 것이다. 이에 대한 구체적인 방법은, 일정한 시간 간격으로 상기 촬상 및 분석을 주기적으로 행하고 이를 통해 다수 개의 접촉각을 구한 후, 시간축에 대비한 접촉각 변화량 등을 구하는 방식이 될 수 있다. 또한 이러한 데이터들은 상기 분석 장치에 저장될 수 있고, 향후 분석을 위해서 재사용 될 수도 있다.

본 발명에서는 액체(14)가 침투함에 따라 시료의 표면 모양이 변형되는 것을방지하기 위해, 시료(16)를 고정시켜 주도록 시료 고정 장치(21)가 추가로 구성되어 질 수 있다.

본 발명은 자동화된 비젼 장치를 장착하여 시료, 특히 종이나 직물류의 발수도를 실시간으로 검사하는 것으로, 기존 방식인 발수도 검사기(KS M 7057)의 문제점인 객관성과 부정확함을 극복한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 표면 검사를 위한 시료위에 액체을 떨어뜨려 그 형태를 촬상 장치로 촬상하고 그 이미지를 분석 알고리즘에 따라 분석하여, 시료와 액체의 접촉각을 측정함으로써 시료의 표면 장력이나 접착력 등을 분석하게 된다. 본 발명을 이용하면 시료의 발수도 및 기타 액체 저항력을 실시간으로 정확하고 빠르게 검사할 수 있게 된다. 또한, 사용자는 상기와 같은 자동화된 장치 및 방법을 이용하여, 표준 액체가 종이에 투하된 후 액체가 완전히 종이에 침투할 때까지의 액체의 접촉각(θ), 지름 및 높이의 변화 등을 일정 주기동안 다수개를 측정함으로써 시간의 변화에 따른 발수도를 알아낼 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 측정 장치를 사용하면, 측정의 부정확성으로 인해 발생하는 시료의 불량 발생 및 수율 저하를 방지할 수 있으며, 동시에 즉각적인 검사를 통해 연구의 효율성이나 공정의 품질관리 능력을 향상시킬 수 있다..

또한, 본 발명은 종래의 육안 검사를 지양하고, 하드웨어 및 소프트웨어를 이용하여 자동화된 검사 방법을 채택함으로써 검사에 대한 신뢰성을 한층 향상시킬 수 있다.

당업자가 본 발명을 살펴 보면, 본 발명이 시료의 발수도 분석뿐만 아니라 시료의 표면 장력을 이용한 물리, 화학적 검사가 필요한 모든 분야에 응용될 수 있음을 쉽게 직감할 수 있을 것이다.

Claims

접촉각 측정에 의한 자동 발수도 검사 장치에 있어서,

액체를 시료 표면에 투하하는 액체 토출부와,

상기 투하되어 시료 표면에서 반원형을 이룬 액체를 촬상하는 촬상 장치와,

상기 촬상 장치에 의해 촬상된 액체의 이미지를 입력받는 분석 장치 - 상기 분석 장치는 입력된 상기 액체의 이미지에서 액체와 시료 표면과의 표면 장력을 계산함 -

를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 발수도 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 촬상 장치가 액체 이미지를 정확히 촬상할 수 있도록 상기 액체에 빛을 조사하는 광원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 발수도 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 액체의 형태를 알아내기 위해 액체의 반원형 이미지를 수평으로 촬상할 수 있도록, 상기 촬상 장치를 액체에 수평으로 배치한 것을 특징으로 하는 자동 발수도 검사 장치.
제2항에 있어서, 상기 광원은 LED인 것을 특징으로 하는 자동 발수도 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 표면 장력은, 상기 액체와 시료 표면과의 접촉각을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 자동 발수도 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 발수도 검사 장치는 일정 시간 간격으로 상기 액체의 이미지를 적어도 두 개 이상 촬상하고 이에 따른 각각의 접촉각을 계산함으로써, 시간의 경과에 따른 상기 시료의 액체 흡수도를 동적으로 알아낼 수 있는 것을 특징으로 하는 자동 발수도 검사 장치.
제6항에 있어서, 시간이 지남에 따라 액체가 상기 시료에 흡수되어 시료의 표면 형태가 변형되는 것을 방지하기 위해서, 상기 시료의 형태를 고정시키는 시료 고정부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 발수도 검사 장치.
제 1항에 있어서, 상기 액체 토출부가 액체를 투하하여 액체가 시료 표면에 고착된 직후의 순간을 촬상하도록 상기 촬상 장치를 구동하는 것을 특징으로 하는 자동 발수도 검사 장치.
접촉각 측정에 의한 자동 발수도 검사 방법에 있어서,

(a) 시료를 액체 토출부의 하부에 평면으로 배치하는 단계와,

(b) 상기 액체 토출부에서 액체를 시료 표면으로 투하하는 단계와,

(c) 상기 투하된 액체가 시료 표면에서 반원형을 이루면, 액체의 이미지를 촬상하는 단계와,

(d) 상기 촬상된 액체의 이미지를 분석 장치에 입력하는 단계와,

(e) 상기 입력된 액체의 이미지에서 액체의 가장자리 및 형태를 검출하는 단계와,

(f) 상기 액체와 시료 표면과의 접촉각을 계산하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 발수도 검사 방법.
제9항에 있어서, 상기 (c) 내지 (f) 단계를 일정 시간 간격으로 적어도 2회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 자동 발수도 검사 방법.