KR20080073591A

KR20080073591A - 개선된 수광부를 갖는 다관절의 변형률 측정 장치

Info

Publication number: KR20080073591A
Application number: KR1020070012377A
Authority: KR
Inventors: 이학주; 한승우; 오충석; 이상주; 전승범
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-08-11

Abstract

본 발명은 개선된 수광부를 갖는 다관절의 변형률 측정 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 시편을 이용한 인장시험에 사용되는 측정장치의 수광부에 광학필터를 구비하여 밝은 곳에서도 측정이 가능하도록 하고 또한 상기 수광부를 3축에 대해 위치 및 각도 조절이 가능하도록 하여 시편에서 반사되는 레이저 간섭광의 수집 및 측정이 용이하게 이루어지도록 하는 변형률 측정장치에 관한 것이다.

본 발명은 나노/마이크로 인장시험에서 비접촉식 변위/변형률을 측정하는 ISDG에 있어서, 인장되는 시편에 근접설치된 포스트에 장착되어 수직방향으로 병진이동되는 제1, 2 Z축 포지셔너와; 상기 제1 Z축 포지셔너에 장착되어 시편의 마커에 레이저를 조사하는 조사부와; 상기 제2 Z축 포지셔너의 양측면에 대칭되게 결합되어 Y축의 힌지점을 중심으로 회동되도록 하는 Y축 로테이셔너와; 상기 Y축 로테이셔너의 단부에 결합되어 X축 방향으로 병진운동이 이루어지는 엘보우바인 X축 포지셔너와; 상기 X축 포지셔너의 단부에 결합되어 Y축 방향으로 병진운동이 이루어지는 Y축 포지셔너와; 상기 Y축 포지셔너의 단부에 결합되어 Y-Z축면에 대한 미세조정이 가능하도록 마이크로메터로 구성된 Y-Z 미세 포지셔너와; 상기 Y-Z 미세 포지셔너의 일측에 장착되어 시편의 마커에서 반사된 레이져를 감지하는 수광부;를 포함하여 이루어진다.

ISDG, 레이저 라인 필터, 다관절, 인장, 간섭

Description

개선된 수광부를 갖는 다관절의 변형률 측정 장치{Multi-Articulated ISDG with Improved Reception Member}

도 1은 본 발명에 따른 다관절 변형률 측정장치의 전체 조립도.

도 2는 본 발명에 따른 다관절 변형률 측정장치의 정면도.

도 3은 본 발명에 따른 다관절 변형률 측정장치의 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 다관절 변형률 측정장치의 측면도.

도 5는 본 발명에 따른 수관부의 분해사시도.

도 6은 본 발명에 따른 레이저라인필터의 감쇄특성을 나타낸 그래프.

도 7a는 레이저 간섭 중 이중 슬릿 간섭현상을 도시한 개략도.

도 7b는 ISDG의 측정원리를 도시한 개략도.

도 8은 종래의 ISDG장치의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : ISDG 20 : 포스트

21 : 제1 Z축 포지셔너 22 : 제2 Z축 포지셔너

23 : Y축 로테이셔너 24 : X축 포지셔너

25 : Y축 포지셔너 26 : Y-Z 미세포지셔너

27 : Y축 미세 로테이셔너 28 : X-Y 미세포지셔너

30 : 조사부 40 : 수광부

41 : 헤드 42 : 광감지기

43 : 레이저라인필터 44 : 홀더

현대에는 메모리칩이나 CPU등의 반도체 제품을 만드는 분야에서부터 공작기계에 사용되는 내마모 코팅에 이르기까지 다양한 재질과 형태의 나노/마이크로 크기의 재료가 널리 사용되고 있다. 나노/마이크로 크기의 재료 물성은 그 재료가 거대 구조물(bulk structure)을 구성 할 때와는 다르다는 점과, 제조방법 및 제조환경 등에 따라서도 다른 물성을 가진다는 점이 알려져 있다. 재료의 시험방법 중 인장시험은 새로운 소재나 새로운 시험방법이 개발되었을 때에 소재의 기계적 물성 및 시험 방법의 타당성을 검증하기 위하여 시행되는 가장 기본적인 시험 방법이다.

상기 인장시험은 시편의 시험영역에 균일한 응력과 변형률을 가할 수 있는 장점이 있어서 재료의 구성방정식을 결정하는데에 필요한 응력-변형률 곡선을 직접적으로 얻을 수 있다. 특히 나노/마이크로 인장시험에서는 하중측정기술, 변위 측정기술, 시편정렬기술, 시편고정기술 등이 있으며, 이중 변위 또는 변형률 측정기술이 가장 까다로운 부분이다. 즉, 나노/마이크로 인장시험은 시편의 크기가 작기 때문에 큰재료에서 많이 사용되는 스트레인게이지방법을 적용할 수가 없어 비접촉식 변위/변형률 측정방법을 적용한다.

현재 나노/마이크로 인장시험에서 많이 사용되고 있는 방법은 ISDG(Interferometric Strain/Displacement Gage)이며, 이외에도 ESPI(Electronic Speckle Pattern Interferometry), DIC(Digital Image Correlation), Moire, 마이크로 버니어 등의 방법이 이용되고 있다.

상기 ISDG는 Young의 이중 슬릿 간섭현상(Young's double-slit interference phenomenon)과 같은 원리를 사용하여 측정이 이루어지는 것으로, 도 7a를 참고한 바와같이 충분히 가까운 두 개의 슬릿에 단색 광(coherent monochromatic light)을 조사하면, 각 슬릿을 통과하여 굴절된 광선(beam)이 겹쳐서 밝고 어두운 부분이 차례로 나타나는데, 이를 간섭무늬(fringe pattern)라 한다. 이러한 간섭무늬의 변화를 측정하면 변형률을 측정할 수 있다. 즉, 도 7b와 같이 시험편에 부착되어 있는 마커(marker)에 레이저를 조사하면 2개의 마커에서 각각 회절(diffraction)이 이루어져 간섭무늬가 생기고, 시험편에는 하중이 인가되어 2개의 마커 사이 거리(gage length)가 변화되면서 간섭무늬가 움직이게 된다. 이 움직임을 한 쌍의 광감지 기(photo detector)로 감지하고, 다음과 같이 수학식1을 통하여 마커 간의 거리 변화(δd)로 환산된다.

(여기서 δm ₁ 과 δm ₂ 는 광 감지기 1과 2에서의 간섭무늬 차수 변화이고, λ는 광원으로 사용된 레이저의 파장, θ ₀ 는 시편의 수직방향과 시편에서 광 감지기로 향하는 방향 사이의 각도이다.)

만일 2개의 마커 사이의 간격(d)를 알고 있다면, 변형률은 δd/d로 표현할 수 있고, 소프트웨어를 이용하면 실시간으로 변형률을 환산할 수 있다.

기존의 ISDG는 이와 같이 레이저와 광 감지기의 사용으로 인해 간섭무늬를 광 감지기에 정렬하는 과정 뿐 아니라, 모든 측정 준비를 완료한 후 실제 인장 시험에 의한 변형률 측정시 암실에서 수행해야하는 어려움을 가지고 있다. 이것은 광 감지기가 형광등이나 가시광선과 같은 빛을 동시에 감지하게 되면 레이저에 의한 간섭무늬를 정확히 감지할 수 없기 때문이다.

도 8은 종래의 ISDG(1)의 주요부를 도시한 개략도로써 2개의 수광부(2)가 각각 독립적인 포스트(3;post)에 붙여서 사용하였다. 이러한 구조는 암실에서의 측정 시 수광부가 회절 된 간섭무늬 광과 수직하게 정렬되지 않아도 사용할 수 있다는 장점이 있기는 하지만 정확한 간섭무늬를 얻기 위한 정렬에는 한계를 가지고 있었 다. 또한 도 8에서 보듯이 기존 ISDG는 먼저 포스트 전체를 움직여 x, y, z 방향으로의 대략적인 정렬을 한 후, micro meter로 구성된 y-z 미세 포지셔너(4)로 미세 조정을 하게 된다. 따라서 자유도(D.O.F)는 3이 된다.

상기한 바와같은 구조를 갖는 비접촉식 변위/변형률 측정 방법인 ISDG는 레이저와 광감지기(photo detector)를 이용하기 때문에 암실에서만 측정할 수 있다. 따라서, 상기 암실측정에 따라 작업시 행동 제약이 이루어져 작업소요시간이 길어지고, 정렬도 부정확하게 이루어지는 문제점이 있다. 또한, ISDG는 광감지기와 회절된 간섭무늬가 만나는 위치 및 각도에 따라 간섭무늬의 강도가 민감하게 변하고, 시편과 광감지기와의 거리 x, y를 측정하여 각도로 환산하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,

ISDG의 레이저 간섭 광의 강도를 높여 정확한 간접무늬를 얻을 수 있도록 수광부에 광학필터를 장착하여 암실 이외의 환경에서도 사용할 수 있도록 하고, 상기 수광부를 지지하는 부분을 다관절로 형성하여 수광부의 위치 및 각도 조정이 용이하게 이루어지도록 한 장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 개선된 수광부를 갖는 다관절의 변형률 측정장치는,

나노/마이크로 인장시험에서 비접촉식 변위/변형률을 측정하는 ISDG에 있어서, 인장되는 시편에 근접설치된 포스트에 장착되어 수직방향으로 병진이동되는 제1, 2 Z축 포지셔너와; 상기 제1 Z축 포지셔너에 장착되어 시편의 마커에 레이저를 조사하는 조사부와; 상기 제2 Z축 포지셔너의 양측면에 대칭되게 결합되어 Y축의 힌지점을 중심으로 회동되도록 하는 Y축 로테이셔너와; 상기 Y축 로테이셔너의 단부에 결합되어 X축 방향으로 병진운동이 이루어지는 엘보우바인 X축 포지셔너와; 상기 X축 포지셔너의 단부에 결합되어 Y축 방향으로 병진운동이 이루어지는 Y축 포지셔너와; 상기 Y축 포지셔너의 단부에 결합되어 Y-Z축면에 대한 미세조정이 가능하도록 마이크로메터로 구성된 Y-Z 미세 포지셔너와; 상기 Y-Z 미세 포지셔너의 일측에 장착되어 시편의 마커에서 반사된 레이져를 감지하는 수광부;를 포함하여 이루어진다.

상기 제1, 2 Z축 포지셔너, X축 포지셔너, Y축 포지셔너는 랙엔피니언에 의해 각 축방향으로의 병진이동이 조절되도록 한다.

또한, 상기 수광부는 Y-Z 미세 포지셔너에 결합되는 헤드와, 상기 헤드의 내부에 장착되어 레이저를 감지하는 광감지기와, 상기 광감지기가 내포된 헤드 내부를 암실화하고 특정파장의 레이저만 투과하도록 하는 레이저라인필터와, 상기 레이저라인필터를 헤드의 개구부분에 장착시키는 홀터로 이루어진다.

또한, 상기 Y축 포지셔너와 Y-Z 미세 포지셔너 사이에는 시편의 수직방향과, 시편에서 수광부로 향하는 방향 사이의 각도 θ ₀ 를 구할 수 있는 Y축 미세 로테이셔 너가 더 장착될 수 있다.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 개선된 수광부를 갖는 다관절의 변형률 측정장치를 첨부된 도면을 참조로 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 다관절 변형률 측정장치의 전체 조립도이고, 도 2는 본 발명에 따른 다관절 변형률 측정장치의 정면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 다관절 변형률 측정장치의 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 다관절 변형률 측정장치의 측면도이다.

본 발명에 따른 다관절 변형률 측정장치(ISDG; Interferometric Strain/Displacement Gage; 이하 “ISDG”라 함)는 암실이 아닌 일반 환경에서 사용하여 나노/마이크로 크기 시편의 변위 또는 변형률을 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.

도 1 내지 4을 참조한 바와같이 한 개의 고정된 포스트(20)에 좌우 대칭이 되는 기구학적 설계를 통하여 수광부(40)에 4자유도를 부여하였다. 즉, 포스트에는 제1, 2 Z축 포지셔너(21, 22)가 장착되어 수직방향으로 병진이동이 이루어지도록 하여 높이조절이 이루어지도록 하고 있다. 상기 이동수단으로는 랙앤피니언(rack and pinion)이 사용될 수 있으며, 이 외에도 다양한 방법의 이동수단이 적용될 수 있다.

상기 제1 Z축 포지셔너(21)에는 시편에 레이저를 조사하는 조사부(30)가 설치되는 것으로, 상기 조사부(30)와 제1 Z축 포지셔너 사이에 X-Y미세포지셔너(28) 를 장착하여 X-Y면에 대한 미세조절이 이루어지도록 하여 원하는 위치의 시편에 레이저조사가 이루어지도록 할 수 있는 것이다.

또한, 상기 제2 Z축 포지셔너(22)에는 양측에 Y축 로테이셔너(23)가 대칭되도록 결합되어 있다. 상기 Y축 로테이셔너(23)는 제2 Z축 포지셔너(22)와의 결합부분에 힌지가 결합되어 있어 일측으로의 회동이 이루어지도록 하고 있다. 상기 힌지는 Y축방향으로 형성되어 있어 X-Z면상에서 Y축 로테이셔너가 회동되도록 하는 것이며, 상기 회동은 수평 상태에서부터 수직까지 약 90도의 회전각을 갖고 그 이상으로는 움직이지 않도록 제한되는 구조로 되어있다.

상기 Y축 로테이셔너(23)의 타측단부에는 엘보우형태의 관인 X축 포지셔너(24)가 결합되며, 상기 결합은 상술된 바와같이 랙앤피니언으로 이루어짐으로써 X축으로의 병진운동이 가능하게 된다. 또한, 상기 X축 포지셔너(24)의 타측 단부에는 Y축 포지셔너(25)가 랙앤피니언으로 결합되어 Y축으로의 병진이동이 이루어지도록 한다.

상기 Y축 포지셔너(25)의 단부에는 마이크로 메타(micro meter)로 구성된 Y-Z미세 포지셔너(26)가 장착되어 Y-Z면에 대한 미세조정이 이루어질 수 있도록 하고 있으며, 상기 Y-Z미세 포지셔너(26)에는 수광부가 장착되어 시편의 마커에 회절된 레이저를 입사되도록 한다.

또한, 상기 Y축포지셔너(25)와 Y-Z 미세 포지셔너(26) 사이에는 Y축 미세 로테이셔너(27)가 장착되어 수광부(40)를 Y축을 중심으로 미세한 회전 조정이 이루어지게 할 수 있으며, 수직으로부터 수광부의 회전각도를 즉시 알 수 있는 것이다.

상기 구조에서 Y축 로테이셔너(23)를 사용하여 회절된 간섭무늬 광과의 대략적인 각도를 맞추고, micro meter인 Y축 미세 로테이셔너(27)를 이용하여 미세조정을 하여 광 감지기(42)가 회절 된 간섭무늬 광과 수직하게 정렬되도록 할 수 있다. 이와 같이 광 감지기와 회절 된 간섭무늬가 수직하게 정렬되면 간섭 광의 강도(intensity)도 높아져 간섭무늬의 정확도가 높아지는 것이다.

이와같은 구조에 의해 본 발명은 제1 Z축 포지셔너(21)가 포스트(20)를 따라 수직방향으로 이동되어 시편과 조사부 사이의 간격을 조절하도록 하고, 제2 Z축 포지셔너(22)도 수직방향으로 이동하여 시편과의 거리를 조절한 후 Y축 로테이셔너(23)를 Y축을 힌지점으로 회동시켜 수광부(40)의 입사각을 대략적으로 조절한다. 다음으로 상기 Y축 로테이셔너와 랙앤피니언으로 결합된 X축포지셔너(24)를 X축방향으로 인출하고, 상기 X축포지셔너에 결합된 Y축포지셔너(25)는 Y축방향으로 인출하여 대략적인 조정이 이루어지게 한 후 상기 Y축포지셔너의 단부에 결합된 Y축미세로테이셔너(27)와 Y-Z 미세 포지셔너(26)를 이용하여 미세한 조정 하는 등 다수의 관절에 의해 수광부의 면을 조정하여 회절된 레이저가 수직으로 입사될 수 있도록 한 것이다.

상기 수광부(40)를 더 상세히 설명하면, 도 5를 참조한 바와같이 광감지기(photo detector; 42)는 기판부인 헤드(41)에 부착사용되는 것으로, 암실 효과를 만들기 위하여 광감지기 앞에 레이저 라인필터(laser line filter; 43)를 더 설치하였다. 상기 레이저 라인필터는 홀더(44)에 의해 헤드의 개구부분에 결합된다.

상기 레이저 라인 필터(43)는 유효 반경을 고려하여 광 감지기(42)보다 5 ~ 30% 정도 큰 직경을 갖도록 하고, 바람직하게는 약 10%정도 큰 직경을 형성하는 것이다. 레이저라인필터(43)는 밴드패스필터(band pass filter)와 같이 고정된 임의의 파장을 갖는 빛만을 통과시킬 수 있다. 그러나 레이저라인필터의 감쇄 특성을 나타낸 그래프인 도 6을 참조한 바와같이 레이저라인필터(43)는 밴드패스필터의 일반적인 최소 투과율(Transmittance)인 30%~45%보다 큰 60%의 최소 투과율을 가지므로 레이저 강도 면에서 밴드패스필터 보다 유리하다. 레이저라인필터를 사용하면 최대 40% 정도의 레이저 강도(intensity) 저하가 발생하며, 이것은 레이저의 출력을 높임으로써 보상이 가능하다. 다이오드 레이저의 경우 암실에서는 10mW의 출력을 사용하며, 본 발명의 실시예에서는 20mW 고정 출력 single longitude mode green laser를 사용하여 레이저의 강도를 높였다.

즉, 본 발명에서는 조사하는 레이저의 파장(wave length)과 동일한 파장만을 감지할 수 있는 레이저 라인 필터(laser line filter)를 사용하여 광 감지기에는 단일 파장 외에 다른 파장의 빛이 감지되지 않도록 암실 효과를 만들어 내었다.

그러나 레이저 라인 필터를 사용하면 최대 40% 정도의 레이저 강도(intensity)의 감쇄가 발생하고, 이 값은 광 감지기가 회절 된 간섭무늬 광과 수직하게 정렬되지 않으면 감쇄율이 더 커지게 되어 레이저의 강도는 더욱 작아지게 된다.

따라서 광 감지기가 간섭 광과 수직하게 정렬되도록 위치 및 각도의 조정이 유연한 장치의 설계도 필요하였다. 그리고 수학식1에서의 시편의 수직방향과 시편 에서 광 감지기로 향하는 방향 사이의 각도 θ ₀ 를 구함에 있어 기존에는 시편과 광감지기와의 거리 x, y를 측정하여 각도로 환산하는 번거로움과 부정확함이 있었다. 본 발명에서는 장치에 micro rotationer인 Y축 미세 로테이셔너를 부착하여 각도 θ ₀ 를 바로 구할 수 있도록 수광부(40)를 설계하였다.

즉, 상기 Y축 미세 로테이셔너(27)를 사용으로 시편의 수직방향과 시편에서 광감지기(42)로 향하는 방향 사이의 각도 θ ₀ 를 즉시 구할수 있는 것이다.

종래의 ISDG는 도 7b에 도시된 바와같이 시험편에 부착되어 있는 마커(marker) 간의 거리 변화(δd)를 수학식1로 계산한다. 이 때 수학식1은 시편의 수직방향과 시편에서 광 감지기로 향하는 방향 사이의 각도 θ ₀ 의 함수이다. 따라서 각도 θ ₀ 를 반드시 정밀하게 측정하여야 한다.

종래의 ISDG에서는 도 8과 같이 시편의 마커에서부터 광 다이오드 열까지의 거리 x₁, y₁, y₂를 측정하여 다음의 수학식2에 대입해 각도 θ ₀ 를 구하였다.

그러나 시편의 마커에서부터 광감지기까지의 거리 x₁, y₁, y₂를 정확히 측정하는 데에는 한계가 있다.

따라서 본 발명에서는 직접 각도 θ ₀ 를 정밀하게 측정할 수 있도록 micro meter에 의해 작동되는 Y축 미세 로테이셔너를 장착하여 신속하고 정밀한 측정이 이루어지는 것이다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 개선된 수광부를 갖는 다관절의 변형률 측정장치는,

다관절에 의해 회절된 레이저의 입사각 조절을 용이하게 할 수 있고, 레이저라인필터의 장착으로 암실이외의 환경에서도 측정이 이루어질 수 있도록 함으로써, 나노/마이크로 크기의 인장시험의 정확성과 효율성 및 편의성을 높여 나노/마이크로 크기 재료를 사용하는 반도체 산업, 바이오 산업, 나노 산업, 공작 기계 산업 등에 손쉬운 물성 측정 방법을 제공할 수 있어 나노/마이크로 공정을 기반으로 하는 각종 제품의 설계, 해석, 성능 평가, quality control 및 신뢰성 평가가 가능하게 되었다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

Claims

나노/마이크로 인장시험에서 비접촉식 변위/변형률을 측정하는 ISDG에 있어서,

인장되는 시편에 근접설치된 포스트(20)에 장착되어 수직방향으로 병진이동되는 제1, 2 Z축 포지셔너(21, 22)와;

상기 제1 Z축 포지셔너(21)에 장착되어 시편의 마커에 레이저를 조사하는 조사부(30)와;

상기 제2 Z축 포지셔너(22)의 양측면에 대칭되게 결합되어 Y축의 힌지점을 중심으로 회동되도록 하는 Y축 로테이셔너(23)와;

상기 Y축 로테이셔너의 단부에 결합되어 X축 방향으로 병진운동이 이루어지는 엘보우바인 X축 포지셔너(24)와;

상기 X축 포지셔너의 단부에 결합되어 Y축 방향으로 병진운동이 이루어지는 Y축 포지셔너(25)와;

상기 Y축 포지셔너의 단부에 결합되어 Y-Z축면에 대한 미세조정이 가능하도록 마이크로메터로 구성된 Y-Z 미세 포지셔너(26)와;

상기 Y-Z 미세 포지셔너의 일측에 장착되어 시편의 마커에서 반사된 레이져를 감지하는 수광부(40);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 개선된 수광부를 갖는 다관절의 변형률 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 제1, 2 Z축 포지셔너(21, 22), X축 포지셔너(24), Y축 포지셔너(25)는 랙엔피니언에 의해 각 축방향으로의 병진이동이 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 개선된 수광부를 갖는 다관절의 변형률 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 수광부(40)는 Y-Z 미세 포지셔너에 결합되는 헤드(41)와, 상기 헤드의 내부에 장착되어 레이저를 감지하는 광감지기(42)와, 상기 광감지기가 내포된 헤드 내부를 암실화하고 특정파장의 레이저만 투과하도록 하는 레이저라인필터(43)와, 상기 레이저라인필터를 헤드의 개구부분에 장착시키는 홀더(44)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개선된 수광부를 갖는 다관절의 변형률 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 Y축 포지셔너(25)와 Y-Z 미세 포지셔너(26) 사이에는 시편의 수직방향과, 시편에서 수광부로 향하는 방향 사이의 각도 θ ₀ 를 구할 수 있는 Y축 미세 로테이셔너(27)가 더 장착됨을 특징으로 하는 개선된 수광부를 갖는 다관절의 변형률 측정장치.