KR20110011998A - 이동 중인 소재의 표면조도 측정방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

이동 중인 소재의 표면을 라인스캔 또는 에어리어스캔을 통해 촬영하는 단계; 및
상기 촬영된 소재 표면의 영상으로부터 산과 골의 명도차를 측정하여 표면조도를 구하는 단계를 포함하는 이동 중인 소재의 표면조도 측정방법 및 이에 사용되어지는 시스템을 제공한다.
소재, 표면조도, 측정방법

Description

이동 중인 소재의 표면조도 측정방법 및 시스템{DETECTION METHOD OF SURFACE ROUGHNESS OF RUNNING MATERIAL AND THE SYSTEM}
본 발명은 연속생산 중인 소재의 표면조도 측정방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각종 소재의 권취과정 중 또는 이동 중인 소재 표면의 조도를 실시간으로 측정함으로써 권취완료 또는 생산공정의 완료 이전 단계에서 표면에 결함이 존재하는 소재를 신속하면서 정확하게 검출하는 것이 가능한 이동 중인 소재의 표면조도 측정방법 및 시스템에 관한 것이다.
연속으로 생산되는 소재의 생산공정에서 표면조도(광택도,거칠기,조직) 관리의 필요성은 다방면으로 요구되고 있다. 일반적으로 미세한 영상정보를 얻기 위해서는 광학장치의 초점거리가 중요한데 소재가 이동할 때는 표면이 진동하거나 비교적 안정된 롤러의 표면도 소재의 장력으로 인하여 일정위치를 유지하기가 어렵다. 따라서, 현재 이동 중인 소재의 표면조도를 측정하는 방법으로는 시료를 채취하여 정지상태에서 카메라를 이용하여 소재의 표면을 촬영하거나, 직접 접촉하는 방법을 통해 표면조도를 측정하는 방법이 이용되고 있다.
하지만 전자의 경우 제품생산이 완료된 후에나 표면조도값을 구할 수 있어 만일 소재가 불량으로 판정될 경우 제품 전체를 폐기해야 하는 문제가 있고, 후자의 경우에도 소재가 연속생산되는 상황에서는 시료의 채취가 불가능하며, 시료의 채취를 위해 생산라인을 정지하여야 하므로 생산에 지장을 초래하거나 이미 품질결과가 종료된 후의 측정값만을 얻을 수 있는 문제가 있다. 따라서, 상기와 같은 방법에 의하여서는 얻어진 측정값을 다음 생산공정에 반영할 수 밖에 없고 만약 생산완료된 제품에 문제가 있다면 십수시간 생산한 제품을 폐기할 수 밖에 없는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같이 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로,
그 목적은 각종 소재의 권취과정 중 또는 이동 중인 소재 표면의 조도를 측정함으로써 권취완료 또는 생산공정의 완료 이전 단계에서 표면에 결함이 존재하는 소재를 신속하면서 정확하게 검출하는 것이 가능한 이동 중인 소재의 표면조도 측정방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 각종 소재의 권취과정 중 또는 이동 중인 소재 표면의 조도를 측정함으로써 권취완료 또는 생산공정의 완료 이전 단계에서 표면에 결함이 존재하는 소재를 신속하면서 정확하게 검출하는 것이 가능한 이동 중인 소재의 표면조도 측정시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.
(1) 이동 중인 소재의 표면을 라인스캔 또는 에어리어스캔을 통해 촬영하는 단계; 및
상기 촬영된 소재 표면의 영상으로부터 산과 골의 명도차를 측정하여 표면조 도를 구하는 단계를 포함하는 이동 중인 소재의 표면조도 측정방법.
(2) 제1항에 있어서,
산과 산의 피치를 더 측정하는 것을 특징으로 하는 이동 중인 소재의 표면조도 측정방법.
(3) 제1항에 있어서,
촬영은 복수회 수행하고, 이중에서 가장 선명한 영상을 추출하는 단계를 포함하는 이동 중인 소재의 표면조도 측정방법.
(4) 이동 중인 소재의 표면을 촬영하는 영상획득부; 상기 영상획득부로부터 얻은 소재 표면의 영상으로부터 산과 골의 명도차를 측정하여 표면조도의 결과값을 제공하는 영상처리부; 및 상기 측정된 표면조도의 결과값을 표시하는 화면표시부를 포함하는 이동 중인 소재의 표면조도 측정장치.
본 발명에 의하면, 각종 소재의 권취과정 중 또는 이동 중인 소재 표면의 조도를 측정함으로써 권취완료 또는 생산공정의 완료 이전 단계에서 표면에 결함이 존재하는 소재를 신속하면서 정확하게 검출하는 것이 가능하다.
이하, 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 이동 중인 소재의 표면을 라인스캔 또는 에어리어스캔을 통해 촬영하는 단계; 및
상기 촬영된 소재 표면의 영상으로부터 산과 골의 명도차를 측정하여 표면조도를 구하는 단계를 포함하는 이동 중인 소재의 표면조도 측정방법을 포함한다.
또한, 본 발명은 이동 중인 소재의 표면을 촬영하는 영상획득부; 상기 영상획득부로부터 얻은 소재 표면의 영상으로부터 산과 골의 명도차를 측정하여 표면조도의 결과값을 제공하는 영상처리부; 및 상기 측정된 표면조도의 결과값을 표시하는 화면표시부를 포함하는 이동 중인 소재의 표면조도 측정장치를 포함한다.
본 발명에서 측정의 대상이 되는 「소재」는 이동 중인 상태에서도 측정이 요구되어지는 표면을 가지는 중간적인 제품 내지 최종 제품의 어떠한 것도 포함한다. 따라서, 예를 들어 동박, 필름, 전자회로 내지 전자기기에 사용되는 각종 소재 등도 모두 본 발명의 「소재」에 포함된다.
본 발명에 따른 표면조도 측정방법은 비젼센서 또는 카메라를 이용하여 라인스캐닝 방식 또는 에어리어 스캐닝 방식으로 표면 영상을 촬상하고, 이에 의해 얻은 영상으로부터 산과 골의 명도차를 측정하여 소재 표면의 조도 및 단위면적당 산 과 골의 개수 등의 표면 정보를 얻는 과정을 통해 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 표면조도 측정장치의 일예를 보여주고 있다.
본 발명에 따른 표면조도 측정장치는 롤러(12, 12′)사이에 권취 또는 이동중인 소재(11)의 표면 중 일정 라인 또는 영역을 촬상하는 영상획득부(13), 상기 영상획득부(13)로부터 얻은 영상을 처리하는 영상처리부(14), 및 상기 영상처리부에서 처리된 데이터를 사용자가 확인할 수 있는 형식으로 제공하는 화면표시부(15)를 포함한다.
본 발명에서 상기 영상획득부(13)는 라인스캔 카메라 또는 에어리어 스캔 카메라일 수 있고, 또는 비젼센서를 구성하는 촬영부일 수 있다. 비젼센서일 경우 자체적으로 영상처리부가 내장된 경우에는 별도의 영상처리를 위한 외부장치를 둘 필요는 없다. 통상적인 라인스캔 카메라 또는 에어리어 스캔 카메라와 같은 경우 획득한 영상의 처리를 위한 외부 PC와 같은 영상처리부를 필요로 한다. 상기 영상획득부(13)는 이동 중인 소재 표면의 일정 영역을 촬상한다.
영상은 일정시간 간격으로 1회 내지는 수 회 촬상할 수 있다. 수회 촬상하는 경우에는 획득된 많은 영상 중 가장 선명한 영상 중 몇 개 또는 하나를 선택하면 된다. 이때 선명한 영상의 선택은 기존에 알려진 다양한 선명영상선정 알고리즘이 이용될 수 있으며, 소재 표면에 형성된 산과 산의 구분이 명확한 영상을 선택하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 선명영상선정 알고리즘은 다음과 같은 과정에 의해 구성되어질 수 있다.
1. 주어진 시간(예로 1분 동안) 동안 취득한 영상의 개수를 N(예로 2000장)이라고 할 때 각각의 영상을 I0, I1, ... Ik .. IN - 1 으로 둔다.
2. 각 영상 Ik에 대해 고주파 필터링을 하고 영상의 모든 화소의 필터 결과 값의 평균 Hk를 구한다.
3. N개의 Hk를 정렬(sort)한 후 큰 값부터 순서대로 M(예로 N의 5%)개의 영상을 선택한다.
4. 크기순으로 선택된 M개의 영상이 표면 거칠기에 사용되는 영상이 될 수 있다.
상기 과정에서 선명한 영상을 M개 선정한 예를 들고 있지만, 가장 선명한 영상 1개를 선택하는 것으로 하여도 무방하다. 선정된 선명한 영상을 이용하여 전자현미경 상에서 얻은 영상과 동등한 수준의 해상도를 가지는 영상을 제공하기 위하여 패턴매치 방식과 같은 캘리브레이션(calibration) 기능이 이용될 수 있다. 이를 위해 전자현미경에서 기준 측정을 하고, 온라인 방식으로 동일 대상을 측정하여 캘리브레이션 스케일로 이용할 수 있다.
상기 영상획득부(13)으로부터 얻어진 영상은 영상처리부(14)에서 처리된다. 여기서 영상처리란 영상획득부(13)에서 획득한 영상으로부터 표면조도를 측정하는 과정을 의미한다. 얻어진 영상의 표면에는 입자의 부착 또는 롤러 표면의 불균일성 등 다양한 요인에 의해 형성된 돌기(또는 입자)가 존재하며, 본 발명에서는 이러한 돌기의 크기를 나타내는 척도로서 표면조도를 측정하게 된다. 본 발명에서는 표면조도로서 중심선 평균조도(Ra), 최대높이(Rmax), 또는 10점 평균조도(Rz) 등이 사용될 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명에 따른 평균조도의 측정방법은 영상에 나타나는 점들의 명암차를 분석하는 방법에 따른다.
도 2는 본 발명에 따른 표면조도 측정장치를 구성하는 영상획득부에서 얻을 수 있는 영상의 일 예를 보여주고 있다. 도 2에 제시된 영상의 예를 참조하여 설명하면, 소재 표면으로부터 획득한 촬상영역(20)에 형성된 산(21)과 골(22)는 영상에서 명암의 차가 확연하게 드러난다. 산(21)의 높이가 높으면 높을수록 명도가 증가하게 되며, 골(22)의 깊이가 깊을수록 명도는 감소하게 된다. 명도의 측정을 위해 그레이스케일(gray scale)이 이용될 수 있다. 각 그레이스케일에 대응되는 산의 높이와 골의 깊이는 실험적으로 미리 구할 수 있으며, 이를 표준값으로 하여 측정된 영상의 각 화소에 대하여 그레이스케일을 매핑할 수 있다.
예를 들어, 10점 평균조도가 이용될 경우는 단면곡선에서 가장 높은 산 5개의 평균 높이와 가장 깊은 골 5개의 평균 깊이의 차를 표면조도로 이용한다. 따라서, 각 구간당 측정된 가장 밝은 점 5개와 가장 어두운 점 5개의 화소에 대응되는 그레이스케일을 지정하고, 이에 매핑되는 높이 및 깊이를 각각 얻은 뒤 이들의 평균을 구하여 차를 얻으면 10점 평균조도(Rz)를 얻을 수 있다. 중심선 평균조 도(Ra) 값이 이용될 경우에는 거칠기 곡선에서 기준길이 전체에 걸쳐 평균선으로부터 벗어나는 모든 산과 골의 편차 평균값을 표면조도로 사용하면 된다.
상기와 같은 과정에 의해 얻어진 표면조도로부터 소재의 양, 불량을 판단하고, 이러한 결과는 화면표시부(15)를 통해 사용자에게 제공되어진다. 이와 같은 영상의 처리과정은 통상적으로 외부 PC에 장착될 수 있는 그래버보드에 의해 수행되어질 수 있으며, 비젼센서를 이용할 경우 자체내 내장된 영상처리부에서 처리되어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 측정장치 중 영상처리를 위해 사용될 수 있는 구체적인 장치는 기존에 알려진 하드웨어 내지 소프트웨어, 또는 이들의 결합 중 사용자가 작업에 따라 최적으로 생각되는 것을 적의 선택하여 사용하면 된다.
도 3은 본 발명에 의해 동박의 두께, 조도별로 카메라 픽셀 300×300과 256×256으로 2회 측정한 결과 얻어진 영상을 나타낸다.
상기 영상은 카메라를 확대 촬상하여 영상을 얻고, 표면의 영상파형을 분석하여 단위 면적당 표면조도(Ra) 값과 입자의 개수 등을 분석하는데 사용하였으며, 그 분석결과는 하기 표 1에 정리되어 있다.
<표 1>
영상사이즈(300×300) 영상사이즈(256×256) 조도(Ra) 실측정값(Ra)
소재종류 평균크기 입자개수 평균크기 입자개수
G-12-2-4 49 177 44 156 2.96 2.85
G-18-3-6 58 173 54 151 6.20 5.04
G-35-5-8 105 158 96 139 9.72 8.09
G-70-9-13 139 113 123 100 16.2 14.1
G-70-11-15 191 82 138 90 19.5 18.1
상기 본 발명에 따라 실시한 이동 중인 소재의 표면조도 Ra의 측정값과 실제 접촉식 레이저 조도계에 의한 측정값의 상관관계를 도 4에 제시하였다.
이에 의하면, 조도에 있어서 실측정값과 본 발명에 따른 측정값이 약간의 오차는 있지만 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 소재두께가 두껍고 Ra 값이 클수록 입자의 개수가 반비례하는 것을 확인할 수 있다. 상기 결과에 의하면, 본 발명에 따른 표면조도 측정방법 및 시스템을 이용할 경우 현장에서 소재의 표면조도 관리가 실시간으로 이루어질 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 소재의 표면조도 측정장치를 이용하여 이동 중인 동박표면을 촬상하고, 얻어진 사진을 영상처리하여 이로부터 표면조도를 측정한 결과를 화면표시기에 출력한 것이다. 이에 의하면 상단의 소재표면의 사진에 대하여 하단에 그 표면의 조도를 길이로서 기준선 레벨과 함께 표시해 주고 있어 사용자는 온라인상에서 간단하게 소재의 표면조도를 측정할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 표면조도 측정장치를 이용하면 소재의 생산 공정중 첨가제의 함량이나 기타 작업조건이 표면조도에 미치는 영향을 실시간으로 파악할 수 있어 공정관리의 측면에서도 매우 유용함을 확인할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 표면조도 측정시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 표면조도 측정 방법의 이해를 돕기 위해 제시되는 처리대상인 영상의 일 예시도이다.
도 3은 본 발명에 의해 실제 측정하여 얻은 소재의 영상을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따라 실시한 이동 중인 소재의 표면조도 Ra의 측정값과 실제 접촉식 레이저 조도계에 의한 측정값의 상관관계를 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 소재의 표면조도 측정장치를 이용하여 이동 중인 동박표면을 촬상하고, 얻어진 사진을 영상처리하여 이로부터 표면조도를 측정한 결과를 보여주는 화면의 일예이다.
<주요부분에 대한 부호설명>
11: 소재
12,12′: 롤러
13: 영상획득부
14: 영상처리부
15: 화면표시부

Claims (4)

  1. 이동 중인 소재의 표면을 라인스캔 또는 에어리어스캔을 통해 촬영하는 단계; 및
    상기 촬영된 소재 표면의 영상으로부터 산과 골의 명도차를 측정하여 표면조도를 구하는 단계를 포함하는 이동 중인 소재의 표면조도 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    산과 산의 피치를 더 측정하는 것을 특징으로 하는 이동 중인 소재의 표면조도 측정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    촬영은 복수회 수행하고, 이중에서 가장 선명한 영상을 추출하는 단계를 포함하는 이동 중인 소재의 표면조도 측정방법
  4. 이동 중인 소재의 표면을 촬영하는 영상획득부; 상기 영상획득부로부터 얻은 소재 표면의 영상으로부터 산과 골의 명도차를 측정하여 표면조도의 결과값을 제공하는 영상처리부; 및 상기 측정된 표면조도의 결과값을 표시하는 화면표시부를 포함하는 이동중인 소재의 표면조도 측정시스템.
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