KR20120088742A - 단일 및 다층 물체의 계면 특성의 검출 및 측정을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
제1층과 제2층 사이의 인터페이스에서 재료 특성을 결정하기 위한 시스템은 샘플에 전자기 방사선을 출력하는 송신기와, 상기 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 수신하는 수신기와, 데이터 취득 장치를 포함한다. 데이터 취득 장치는 파형 데이터를 형성하기 위해 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 디지탈화하도록 형성되며, 상기 파형 데이터는 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 나타내며, 상기 파형 데이터는 제1크기와 제2크기 및 제3크기를 갖는다. 결정된 재료 특성은 일반적으로 제1층과 제2층 사이의 접착 강도이다.
Description
본 발명은 전자기 방사선을 사용하여 재료 특성을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전자기 방사선은 잠재적으로 많은 산업적 측정 용도에 유용하다. 샘플로부터 및/또는 샘플을 통해 반사된 및/또는 송신된 방사선은 여러가지 재료 특성을 결정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전자기 방사선은 공항 및 항구 스캐닝 시스템에서 통상적으로 발견되는 것처럼 샘플이 폭발성 장치인지의 여부를 결정하는데 사용된다.
그러나, 전자기 방사선은 다층 샘플의 층들이 서로 적절히 접착되는지의 여부를 결정하는데 사용되지 않았다. 또한, 파괴 시험 이외에, 다층 샘플의 층들 사이의 접착을 결정하는 것은 극히 어렵다. 따라서, 비파괴 시험 및 분석 시스템이 다층 샘플의 층들 사이의 접착 강도를 결정할 필요가 있다.
샘플의 제1층과 제2층 사이의 인터페이스(interface)에서 재료 특성을 결정하기 위한 시스템 및 방법이 서술된다. 시스템은 샘플에 전자기 방사선을 출력하는 송신기와, 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 수신하는 수신기와, 데이터 취득 장치를 포함한다. 데이터 취득 장치는 파형 데이터를 산출하기 위해 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 디지탈화하도록 형성되며, 상기 파형 데이터는 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 방사선을 나타내며, 파형 데이터는 제1크기와 제2크기 및 제3크기를 갖는다.
제1크기는 제1층의 상면 인터페이스에 제공된 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타낸다. 제2크기는 제1층과 제2층 사이의 인터페이스에 제공된 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내며, 제3크기는 제2층의 바닥면 인터페이스에 제공된 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타낸다. 그후, 데이터 취득 장치는 제2크기 및/또는 제3크기를 분석함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 재료 특성을 결정하도록 형성된다. 일반적으로, 결정되는 재료 특성은 제1층과 제2층 사이의 접착 강도이다.
데이터 취득 장치는 제2크기를 기준 크기와 비교함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하도록 추가로 형성된다. 데이터 취득 장치는 제3크기를 기준 크기와 비교함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하도록 추가로 형성된다. 마지막으로, 데이터 취득 장치는 제3크기를 제2크기와 비교함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하도록 추가로 형성된다.
또한, 데이터 취득 장치는 제4크기가 제3크기와 제2크기 사이에 제때에 위치되는지의 여부를 결정하기 위해 파형 데이터를 분석함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하도록 추가로 형성된다. 데이터 취득 장치는 제4크기가 제3크기와 제2크기 사이에 제때에 배치될 때 제1층과 제2층 사이에 감소된 접착 강도가 있는지의 여부를 결정한다.
사용된 전자기 방사선에 관하여, 전자기는 25GHz 내지 10THz 주파수에서 연속적인 웨이브(wave) 또는 시간 도메인(domain) 테라헤르쯔 방사선인 테라헤르쯔 방사선이다. 그러나, 다른 형식의 전자기 방사선이 사용될 수도 있다.
도1a는 반사된 전자기 방사선을 사용하여 샘플의 2개의 층들 사이의 재료 특성을 결정하는 시스템을 도시한 도면.
도1b는 송신된 전자기 방사선을 사용하여 샘플의 2개의 층들 사이의 재료 특성을 결정하는 시스템을 도시한 도면.
도2는 2층 샘플의 파형을 도시한 도면.
도3은 샘플의 모든 인터페이스 피크(peak)에 대한 반사 진폭을 도시한 도면.
도4는 샘플의 계면(interfacial) 반사 피크의 진폭을 도시한 도면.
도5는 샘플의 인터페이스 반사 피크 및 후면 반사 피크의 진폭을 도시한 도면.
도6은 3층 샘플을 도시한 도면.
도1b는 송신된 전자기 방사선을 사용하여 샘플의 2개의 층들 사이의 재료 특성을 결정하는 시스템을 도시한 도면.
도2는 2층 샘플의 파형을 도시한 도면.
도3은 샘플의 모든 인터페이스 피크(peak)에 대한 반사 진폭을 도시한 도면.
도4는 샘플의 계면(interfacial) 반사 피크의 진폭을 도시한 도면.
도5는 샘플의 인터페이스 반사 피크 및 후면 반사 피크의 진폭을 도시한 도면.
도6은 3층 샘플을 도시한 도면.
도1a에는 샘플(18a)의 제1층(14a)과 제2층(16a) 사이의 인터페이스(12a)의 재료 특성을 결정하기 위한 시스템(10a)이 도시되어 있다. 그 주 부품으로서, 시스템(10a)은 옵티칼 제어 소스(20a)와, 전자기 방사선 송신기(22a)와, 전자기 방사선 수신기(24a)와, 상기 옵티칼 제어 소스(20a)에 의해 출력된 옵티칼 신호를 송신기(22a) 및 수신기(24a)에 제공하기 위한 수단(26a, 28a)을 포함한다. 옵티칼 신호를 제공하기 위한 수단(26a, 28b)은 옵티칼 제어 소스(20a)에 의해 방출된 옵티칼 신호에 의해 수신기(24a)가 송신기(22a)로 동기화(synchronize)되게 한다. 이 실시예에서, 수단(26a, 28b)은 단일 모드(single mode) 옵티칼 파이버이다. 그러나, 수단(26a, 28b)은 다모드 파이버이거나 또는 옵티칼 제어 소스(20a)로부터 송신기(22a) 및/또는 수신기(24a)로 옵티칼 신호의 무공간 송신부이다.
일반적으로, 옵티칼 제어 소스(20a)는 상이한 다양한 형태를 취한다. 이런 1 실시예에서, 옵티칼 제어 소스(20a)는 옵티칼 펄스를 출력하도록 형성된 레이저 소스(30a)를 포함한다. 일반적으로, 레이저 소스(30a)는 펨토초(femtosecond) 출력 펄스를 생산한다. 보상기(compensator)(32a)는 레이저 소스(30a)에 광학적으로 연결된다. 레이저 소스(30a)에 의해 방출된 옵티칼 펄스는 수단(26a, 28b)이 옵티칼 파이버일 때 수단(26a, 28b)을 통해 이동함에 따라 옵티칼 펄스의 스트레칭(stretching)을 수정하기 위해, 옵티칼 펄스에 반대측 사인 분산(sign dispersion)을 추가하는 보상기(32a)에 제공된다. 송신기(22a) 및 수신기(24a)로의 옵티칼 펄스의 무공간 송신에 있어서, 보상기(32a)는 일반적으로 불필요하며 생략될 수 있다. 보상기(32a) 및 레이저 소스(30a)는 옵티칼 파이버에 의해 서로 광학적으로 연결되거나 또는 무공간 방식으로 서로 광학적으로 연결된다.
일단 반대측 사인 분산의 적절한 양이 보상기(32a)에 의해 옵티칼 펄스에 제공되면, 옵티칼 펄스는 스플리터(spilitter)(34a)에 제공된다. 스플리터(34a)는 옵티칼 펄스를 분할하고, 이들을 제1옵티칼 파이버(26a) 및 제2옵티칼 파이버(28a)에 제공한다. 이 실시예에서, 제1옵티칼 파이버(26a)는 단일 모드 파이버이며, 스플리터(34a)에 의해 분할된 펄스는 옵티칼 파이버(26a)에 제공된다. 유사한 방식으로, 제2옵티칼 파이버(28a)는 스플리터(34a)로부터 분할된 옵티칼 파이버 수신 펄스이다.
옵티칼 파이버(24a)는 송신기(22a)에 연결된다. 유사하게, 옵티칼 파이버(26a)는 수신기(24a)에 광학적으로 연결된다. 수신기(22a)가 옵티칼 파이버(26a)로부터 이들 옵티칼 펄스를 수신할 때, 수신기(22a)는 방사선(36a)을 샘플(18a)로 출력할 것이다. 수신기(24a)가 옵티칼 파이버(28a)로부터 옵티칼 펄스를 수신할 때, 수신기(24a)는 송신기(22a)로부터 방출되어 샘플(18a)로부터 반사된 방사선(38a)을 수신할 것이다. 이 때문에, 수신기(24a)가 옵티칼 파이버(26a, 28a)상을 이동하는 옵티칼 펄스에 의해 송신기(22a)에 동기화되도록 타이밍이 매우 중요하다.
일단 방사선(38a)이 수신기(24a)에 의해 수신되면, 수신기(24a)는 데이터 취득 시스템(40a)에 의해 해석되고, 스케일링(scaling)되고 및/또는 디지탈화될 수 있는 전기 신호를 발생시킨다. 데이터 취득 시스템(40a)은 수신기(24a)로부터 전기 신호를 수신하기 위해 일반적으로 수신기(24a)에 전기적으로 연결된다.
이 실시예에서, 방사선(36a)은 샘플(18a)로부터 반사되고, 방사선(38a)으로서 수신기(24a)로 전송된다. 그러나, 본 출원에 서술된 시스템 및 방법은 송신된 방사선에 동일하게 적용할 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 도1b에는 도1a의 시스템(10a)과 유사한 시스템(10b)이 도시되어 있다. 유사한 부품을 나타내기 위해 유사한 도면부호가 사용되었으며, 도1a의 도면부호 뒤의 "a" 대신에 도1b에서는 도면부호 뒤에 문자 "b" 를 갖는 것이 유일한 차이점이다. 시스템(10b)은 샘플(18b)을 통해 방사선(36b)을 전송하는 송신기(22b)를 도시하고 있다. 이 방사선은 샘플(18b)을 통해 송신되고, 방사선(38b)으로서 수신기(24b)로 송신된다. 또한, 시스템은 단일 시스템에 송신된 및 반사된 방사선의 사용을 통합하는 것을 인식해야 한다.
일반적으로, 송신기(22a, 22b)로부터 방출된 방사선(36a, 36b)은 10 GHz 내지 최대 50 THz 의 주파수 범위를 갖는 테라헤르쯔 방사선이지만, 일반적으로 25 GHz 내지 10 THz 범위를 갖는다. 그러나, 다른 주파수 범위도 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 다른 형식의 대역폭 소스는 연속적인 웨이브 및 불연속적인 대역폭 소스를 포함하여 사용될 수도 있다.
샘플(18a, 18b)은 동일하며, 따라서 오직 샘플(18a)만 서술될 것이지만, 동일한 서술이 샘플(18b)에도 적용된다. 샘플(18a)은 제1층(14a) 및 제2층(16a)을 갖는다. 샘플이 제1표면(42a)(전면)과, 샘플(18a)의 반대측에 배치된 제2표면(44a)(후면)을 갖는 것을 인식하는 것도 중요하다. 2개의 층(14a, 16a) 사이에는 인터페이스(12a)가 있다. 인터페이스(12a)는 일반적으로 제1층(14a)과 제2층(16a) 사이의 접착 영역이다.
일단 시간-도메인 테라헤르쯔 방사선(36a)의 펄스가 샘플(18a)과 상호작용하면, 취득한 시간-도메인으로부터 또는 변형된 분광기식(spectroscopic) 도메인 데이터로부터 많은 유용한 측정값이 추출될 수 있다. 가능한 측정값은 샘플 질량, 두께, 밀도, 굴절률, 밀도 및 표면 변화, 및 분광학(spectroscopy)[예를 들어, 수분함량(moisture content), 다형체 식별(polymorth identification)]을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 시간-도메인 테라헤르쯔에서, 샘플(18a)과 상호작용한 후의 테라헤르쯔 방사선 펄스의 변화는 전형적으로 시간-도메인 파형으로서 사용할 수 있으며, 그것은 다른 매개변수들(예를 들어, 펄스 신호 진폭)을 결정하기 위해 기록되거나 분석될 수 있다.
예를 들어, 펄스가 샘플(18a)을 통해 전송될 때, 수신기(24a)에의 테라헤르쯔 펄스의 도착은 공기 경로를 통한 동일 펄스의 송신과 비교하였을 때 감쇠 및 지연될 것이다. 펄스 지연의 양은 샘플(18a)의 그룹 굴절률 값 및 샘플링 비임의 질량에 의해 결정된다. 또한, 펄스의 감쇠는 회절률[프레넬(Fresnel) 반사 손실] 및 샘플(18a) 재료의 펄스 주파수의 감쇠에 따른다. 또한, 샘플(18a)내의 방사선의 스캐터링(scattering)은 펄스의 진폭에 영향을 끼칠 것이다.
단일 또는 다층 샘플 물체로부터 시간-도메인 테라헤르쯔의 반사에 의해 추가적인 측정이 이루어질 수 있다. 본 출원에 청구된 시스템 및 방법은 샘플(18a)의 인터페이스(12a)의 물리적 특성을 측정 및 수량화함으로써 또한 그 정보를 특성 측정값(예를 들어, 인터페이스 접착 또는 분리도)의 더욱 넓은 등급을 추가하는데 사용함으로써 능력을 추가시킨다.
전자기 방사선은 상이한 재료(프레넬 반사) 또는 재료 특성들(예를 들어, 유전율 및 그에 따른 굴절율의 변화로 이어지는 밀도 변화)의 인터페이스에 일부 에너지를 반사할 것이다. 따라서, 전면/후면 및 샘플의 계면으로부터의 반사가 관찰될 수 있다. 반사된 펄스의 진폭은 물리적 재료 특성의 즉각적인 계산을 허용한다. 예를 들어, 반사된 입사력(전형적으로 R 로 표기되는) 또는 전기장 진폭의 프랙션(fraction)은 양호하게 설정된 프레넬 방정식에 따라 재료의 굴절률을 직접 계산하는데 사용될 수 있다.
이 방정식으로부터 2개의 재료의 굴절률 값 사이의 차이가 클수록 반사된 입사력의 프랙션도 커지는 것을 알 수 있다. 상기 방정식이 유효하기 위해, 반사는 수직입사일 필요가 있다. 만일 인터페이스 주변의 재료들중 하나의 굴절률이 알려져 있다면(예를 들어, 공기), 제1표면(42a)으로부터의 반사계수의 측정값은 알려지지 않은 재료의 굴절률을 직접 계산하는데 사용될 수 있다. 또한, 수직 입사에 있어서, 입사된 전자기 방사선의 2개의 편광 상태의 반사계수는 동일하다. 2개의 편광 상태에 대한 반사계수에 대해 동일하지 않은 값으로 이어지는 비 수직입사의 측정이 아래에 고려될 것이다.
샘플(18a)과 같은 다층 물체의 인터페이스에 대해, 절대값을 얻기 위해 하나 또는 두개의 층(14a, 16a)의 굴절률이 미리 결정될 필요가 있다. 그러나, 많은 경우에 있어서, 굴절률 값의 상대적 차이가 매우 중요한 정보를 제공할 수 있다.
그 예는 동일하거나 상이한 재료인 2개의 층(14a, 16a) 사이의 접촉(contact)이다. 만일 2개의 층(14a, 16a)이 동일하고 상기 층들(14a, 16a) 사이의 접촉이 충분히 밀접하다면, 이론적으로는 반사된 에너지가 없을 것이다. 이것은 층(14a, 16a)이 밀접하게 접촉될 때 완전히 간섭하고 그에 따라 없어지는 2개의 인터페이스를 위한 역전된 진폭으로서 시각화될 수 있다. 이 경우, 반사된 에너지가 없다.
그러나, 2개의 층(14a, 16a)이 서로 분리되거나 또는 정반대로 인터페이스(12a)에서 압축될 때, 층(14a, 16a) 인터페이스(12a) 사이의 영역은 그 유전율/굴절률 값으로 변화되어야 한다. 만일 층(14a, 16a)의 굴절률이 변화하면, 이 인터페이스(12a)에 대한 반사계수도 변화할 것이다. 이 인터페이스(12a)로부터 반사된 펄스의 진폭의 측정은 반사계수의 변화를 반영할 것이다. 따라서, 이 진폭은 계면 영역의 물리적 및 재료 특성 변화를 모니터링하는데 사용될 수 있다.
만일 처음에 2개의 층(14a, 16a)이 상이한 재료라면, 층(14a, 16a)이 밀접한 접촉인 경우라도 약간의 반사계수값이 있다. 2개의 간섭하는 반사의 진폭은 동일하지 않으며, 따라서 완전히 없어지지 않는다. 따라서, 입사 에너지의 일부 나머지는 인터페이스(12a)에서 반사된다.
다시, 층(14a, 16a)이 분리되거나 인터페이스(12a)에서 압축될 때, 층(14a, 16a)의 물리적 특성과 인터페이스(12a) 자체의 물리적 특성이 변화된다. 이 델타(delta) 변화는 반사된 에너지의 진폭으로부터 관찰 및 측정될 수 있다. 이들 델타 변화는 틈새 인터페이스(12a)의 굴절률값상의 재료의 그 어떤 지식이 없어도 관찰 및 측정될 수 있다.
다른 실시예는 인터페이스(12a)의 층(14a, 16a)이 서로 접착될 때를 고려한다. 인터페이스(12a)에는 2개의 층(14a, 16a) 및 굴절률의 델타값이 있을 것이다. 0 이 아닌 델타 굴절률값에 의해 약간의 반사된 파워가 있을 것이다. 샘플(18a)에 대한 이 지점을 나타내는 예시적인 시간-도메인 파형이 도2에 도시되어 있다. 도2는 제1표면(42a)에 제공된 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내는 제1크기(46)와, 인터페이스(12a)에 제공된 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내는 제2크기(48)와, 제2표면(44a)에 제공된 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내는 제3크기(50)를 도시하고 있다.
서로 접착된 층(14a, 16a)에 대해, 접착은 층(14a, 16a)이 완전히 분리되는 지점까지 변할 수 있다. 층(14a, 16a) 사이에 약간의 접촉 및/또는 접착을 갖는 층(14a, 16a)의 경우, 3개의 반사 크기가 발생될 것이다.
층(14a, 16a)이 완전히 분리되는 경우, 추가적인 반사 피크(들)가 보여진다. 2층 실시예에서, 샘플에는 4개의 인터페이스, 즉 제1층(14a)의 전면 및 후면과 이와 유사하게 제2층(16a)의 상면 및 후면이 있다. 제1층(42a)의 후면 및 제2층(44a)의 전면으로부터의 반사 사이의 시간 측정은 층(14a, 16a)의 분리 거리를 측정하는데 사용된다. 이 실시예에서, 네번째 피크는 선택적 피크로 지칭되는데, 그 이유는 층(14a, 16a)이 완전히 분리될 때의 상황에서만 나타날 것이기 때문이다. 층 분리의 검출은 2개의 층의 재료의 물리적 특성값의 지식을 요구하지 않는다.
층들이 완전히 분리된 부분을 보유하는 명목적으로 접착된 2층 샘플(18a)은 반사가 측정된다. 샘플은 원형 벨트로 제조되었으므로, 동일한 위치가 반복해서 측정될 수 있다. 모든 인터페이스 피크에 대한 반사 진폭이 도3에 도시되어 있다.
이 데이터는 샘플(18a)의 3개의 회전(반복된 측정)을 나타낸다. 4개의 반사 피크가 관찰되며, 따라서 선택적 피크가 존재한다. 이 데이터는 다층 샘플(18a)의 다양한 인터페이스(들)로부터 부분적인 반사력을 측정하는 능력을 확인하고, 완전히 분리된 층을 갖는 샘플의 부분을 검출 및 배치하기 위해 측정된 진폭을 사용한다. 만일 이들 층들(약한 접착 상태) 사이에 약간의 접착이 있다면, 선택적 피크(들)의 진폭은 완전한 층 분리의 상태를 나타내기 위해 규정된 레벨 세트 이하로 떨어질 것이다.
그러나, 인터페이스 피크의 진폭은 아직 인터페이스의 변화를 나타낼 것이다. 접촉중인 재료의 경우와 유사하게, 인터페이스의 물리적 성질은 층 변화들 사이의 접착으로서 변화될 것이다.
층들 사이의 접착을 감소시키는 가능한 조건은 분리(즉, 당기는) 힘 또는 부적절하게 조정된 제조 과정이다. 계면 재료의 밀도는 인터페이스의 사이 공간에의 공기 또는 부분 진공의 도입으로 변화된다(이 경우, 감소된다). 이 재료의 물리적 변화는 밀도 변화로 이어지며, 그후 인터페이스 재료의 굴절률에 영향을 끼친다. 특히, 델타 굴절률값이 변화될 것이다.
층들 사이에 접착이 없거나/약한 의도적으로 도입된 결함(defect) 영역을 갖는 2층 샘플은 인터페이스에서 반사된 전자기 에너지의 진폭을 측정하도록 조사되었다. 계면 반사 피크의 진폭이 도4에 도시되어 있다.
도4에서, 이 데이터에는 4개의 반복되는 결함 영역이 있다. 선택적 피크[(도4의 피크(3)]는 기본적으로 0 인 것을 인식해야 한다. 따라서, 층들 사이의 적어도 약간의 접착이 존재한다. 인터페이스(12a)[피크(2)] 및 제2면(44a)[피크(4)]의 반사력의 반복된 변화에서, 반사는 샘플의 약한 접착 부분에 대응한다. 반사 진폭은 결함 영역에서 증가된다(이 경우 더욱 마이너스로 된다). 이 피크의 진폭은 인터페이스의 접착과 관련될 수 있다.
또한, 샘플 후면/공기 인터페이스에 대응하는 피크(4)의 진폭은 결함 영역에서 변화(감소)되는 것을 인식해야 한다. 이것이 기대된다. 차후의 계면 반사는 상부 인터페이스 반사계수가 변화하는 공간 위치에서 반대 크기로 변화될 것이다. 이 경우, 인터페이스에서의 약한 접착은 인터페이스에서 큰 델타 굴절률로 나타난다. 약한 접착은 공기/부분 진공이 인터페이스에서 큰 델타 굴절률로 나타날 인터페이스(12a)에 존재하게 할 것이다. 이것은 인터페이스(12a)에서 반사되는 입사 에너지의 큰 퍼센트로 나타날 것이다. 따라서, 모든 차후 인터페이스상에 입사 에너지가 적게 될 것이다. 차후의 인터페이스 반사계수의 감소를 수반하는 인터페이스 반사계수의 증가는 인터페이스 특성의 변화의 강력한 표시이다.
계면 반사 에너지의 감소로 나타나는 계면 특성 변화를 가질 수도 있다. 만일 재료의 물리적 특성, 예를 들어 밀도의 변화가 2개의 재료 사이에서 굴절률의 완만한 전이(transition)로 나타난다면, 반사 에너지의 감소가 발생된다. 이것은 차후의 인터페이스로부터의 반사 에너지의 증가를 이끈다. 재료들 사이의 완만한 전이의 제한에 있어서, 문제의 인터페이스의 반사계수는 0 이 된다. 정확한 두께, 굴절률 코팅(즉, 반사방지 코팅)의 스택(stack)으로 유사한 과정이 발생할 수 있다.
인터페이스와 차후의 인터페이스(들) 반사 특성의 진폭의 모니터링의 조합은 인터페이스 특성(예를 들어, 약한 접착)의 더욱 민감한 측정을 제공할 수 있다. 예시적인 계산은 다음 인터페이스(Pkn+1)의 반사 피크 진폭에 대한 관심있는 인터페이스(Pkn)의 반사 피크 진폭의 비율이다.
비율(factor) ∝ APkn/APkn+1
여기서 고려되는 접착의 예에 있어서, 2개의 층(14a, 16a) 사이의 접착을 나타내기 위해 이 비율을 사용한다. 상기 값은 접착이 증가됨에 따라 감소된다. 바람직한 방법은 접착이 증가함에 따라 상기 비율이 증가하는 것이다. 따라서, 2개의 층(14a, 16a) 사이의 접착에 대한 능동적인 상관관계를 나타내는 "접착 비율" 은 다음과 같이 한정된다.
접착 비율 = 1/(APkn/APkn+1) = APkn+1/APkn
상기 비율은 제조중 2층 샘플(18a)을 연구하는데 사용되었다. 연속적으로 제조되는 샘플에 의도적으로 결함이 도입되었다. 완전히 분리된 결함이 샘플(18a)에 즉시 발생되었다. 그후, 제조 과정은 명목적으로 완전히 접착된 샘플 상태로 단계식 제어형태로 재조정되었다. 인터페이스 반사 피크 및 후면(44a) 반사 피크의 진폭들이 모니터링되었고, 접착 비율은 "에러! 기준 소스 발견되지 않음" 으로 계산되었다.
도5에서 약 185 초가 될 때까지 양호하게 접착된 샘플(18a)의 정상적인 작동이 관찰될 수 있다. 그 지점에서, 제조 과정은 완전히 분리된 분리 형식 결함을 발생시키기 위해 의도적으로 부적절하게 조정된다. 그후, 과정을 다시 제어하기 위해 상기 제조 과정이 단계적으로 조정된다. 최종 상태는 다시 제조되는 완전접착 제품이다. 계면 반사 진폭 측정으로부터 계산된 접착 비율은 이러한 행동을 드러내고 있다. 0 접착으로의 즉각적인 점프는 185 초에서 보였으며, 그때 다층 재료가 개별적인 층으로 분리되었다. 그후, 일련의 샘플 특성 상태가 관찰된다.
제품 상태 지속성
정상적으로 양호하게 접착된 작동 185초(0→185초)
완전히 분리된 30초(185→215초)
극단적으로 약한 접착/분리된 28초(215→243초)
전이 영역 15초(243→258초)
중간 영역 59초(258→317초)
전이 영역 8초(317→325초)
강한 접착(그러나 아직 명목상 아니다) 40초(325→365초)
정상 생산으로 복귀 (365초 이후)
샘플 특성 상태는 제조 과정을 명목상 안정된 작동으로 복귀시키기 위해 시도중 취한 동작, 즉 완전히 분리된 제품의 즉각적인 외관과 단계적인 차후 조정에 대응한다.
이 측정 결과도 접착(예를 들어, 당김 강도)의 다른 오프라인 물리적 측정에 비례하였다. 따라서, 상기 비율은 이런 매개변수들을 접촉없이 온라인으로 측정하기 위해 보정된다. 여기에 제공된 예는 인터페이스에서의 접착으로 간주되지만, 본 발명은 이런 특성 측정에 제한되지 않는다. 인터페이스 물리적 특성(예를 들어 인터페이스에서의 재료의 경화)에 영향을 끼치는 그 어떤 과정도 동일한 시스템 및 방법으로 조사될 수 있다.
상기 논의는 샘플 표면과 직교하는 조사를 고려하였다. 인터페이스에서의 반사계수를 서술하는 프레넬 방정식은 오프축(off-axis)에 대한 전자기 방사선의 다양한 편광 상태에 대해 변화한다. 완전한 프레넬 방정식은 다음과 같다.
θi, θr, θt 는 입사된, 반사된, 송신된 광선의 각각의 각도이다.
조사의 각도를 변화시킴으로써, 반사계수도 영향을 받는다. 이 능력은 넓게 변하는 굴절률값과 아주 높거나 낮은 굴절률값을 갖는 개별적인 재료 사이의 인터페이스에서 반사된 파워의 양을 수정하는데 사용될 수 있다. 센서 또는 샘플이 제공 각도로 변화할 동안의 측정은 결과의 추가적인 정보/확인을 제공한다.
이전의 예에서, 서술된 하드웨어 및 시스템은 단면(single sided) 반사 측정을 사용하였다. 이 측정 방법은 시간 및 반사된 펄스의 진폭이 정확하게 결정되게 한다. 서술한 바와 같이, 인터페이스로부터 반사된 전자기 에너지의 진폭은 특정한 계면 특성을 결정하는데 사용될 수 있다.
만일 샘플이 샘플이 샘플(18a)과 같이 다층이라면, 샘플 지연의 소스의 불확실성이 가능하다. 반사시, 측정된 샘플층 시간 지연은 층들의 하나 또는 그 이상의 두께 변화 또는 재료/질량 변화(예를 들어, 밀도)로 인한 것일 수 있다. 따라서, 다층 샘플에서, 두께/재료 특성은 샘플에 대한 약간의 추가적인 정보없이 자주 격리될 수 없다. 단면 반사 측정은 개별적인 층에 관한 약간의 정보를 제공할 있지만, 다른 샘플 특성의 지식없이는 불충분하다.
도6에서, 샘플 송신의 동시 측정은 샘플(46)을 서술하는데 필요한 샘플 특성의 갯수를 감소시킬 수 있다. 이 예에서, 상층(48) 및 바닥층(50)은 동일한 재료이다. 상층 및 바닥층(48, 50)의 두께를 알더라도, 중심층(52)을 통과하는 전자기 방사선(54)의 시간 지연은 두께 변화 또는 재료 밀도 변화에 기인한다. 만일 동시 전송 측정이 이루어진다면, 중심층(52)의 질량으로 인한 시간 지연이 높은 정확도로 발견될 수 있다.
이 예에서는 중심층(52)의 재료의 델타 타임 지연(△tL2)이 관심을 끈다. 전체적인 샘플 두께 및 외측 덮개층(48, 50)의 두께는 알려져 있거나 또는 세팅된 값으로 추정된다. 반사 측정은 △tL2 [중심층(52)의 델타 비행시간]를 정확하게 측정할 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, △tL2 값의 변화가 층 두께변화 또는 층 질량변화 또는 층 밀도변화로 인한 것인지를 결정하는데 충분한 정보가 없다.
만일 송신 측정이 이루어지면, 부조화가 개선될 수 있다.
송신시:
△tTotal = △tSample - △tAir
△tTotal = △tL1 + △tL2 △+tL3
반사시:
△tL1 = 1/2(t2-t1-dL1/C) dL1 = 층(1)의 두께
△tL2 = 1/2(t3-t2-dL2/C) dL2 = 층(2)의 두께
△tL3 = 1/2(t4-t3-dL3/C) dL3 = 층(3)의 두께
층(48, 50)이 동일한 두께(dOuter)인 것으로 가정하면, 반사 방정식을 △tTotal 송신을 위한 방정식으로 치환하여, △tL2 를 산출한다.
△tL2 = △tTotal + dOuter /c - 1/2(t2-t1-t4-t3)
측정만을 위한 반사에 대해, △tL2 의 솔루션은 다음과 같다.
△tL2 = 1/2(t3-t2) - ((dTotal + 2dOuter )/c)
추가된 송신 측정 계산방법은 △tL2 값의 개선된 정확도로 이어지는데, 그 이유는 다음과 같다.
1) 송신/반사 측정은 반사만에 대한 측정의 2dOuter 와는 대조적으로 dOuter 의 변화에만 민감하다.
2) 반사만에 대한 측정은 dTotal 의 변화에 민감하다. 송신/반사 측정의 조합은 없다.
일단 △tL2 에 대한 개량된 정확도[즉, 오직 중심층(52) 질량으로 인한 지연]가 알려져 있다면, 층 두께 및 밀도가 발견될 수 있다. 이미 서술한 바와 같이, dTotal 값은 하드웨어 추가 및 샘플 주위의 내부 보정 에탈론(Etalon) 구조를 이용하는 방법 변화로 발견될 수 있다. 만일 전체 샘플 두께가 알려져 있지 않다면, 이 하드웨어/방법이 필요하다. 그러나, 여기에 서술된 본 발명은 이들 추가적인 부품을 요구하지 않는다. 만일 양면(dual sided) 반사 측정이 이루어지면, 상기 내부 보정 에탈론 구조에 대한 필요성이 제거된다.
상술한 주제는 예시적인 것이고, 제한적이지 않으며, 첨부된 청구범위는 이런 모든 수정, 향상, 본 발명의 정신 및 범위내에 속하는 다른 실시예를 포함한다. 따라서, 법에 의해 허용되는 최대한으로, 본 발명의 범위는 하기의 청구범위 및 그 등가물의 가장 넓게 허용가능한 해석에 의해 결정되어야 하며, 상술한 상세한 설명에 의해 제한되서는 않된다.
14a: 제1층 16a: 제2층
18a: 샘플 20a: 제어 소스
22a: 송신기 24a: 수신기
30a: 레이저 소스
18a: 샘플 20a: 제어 소스
22a: 송신기 24a: 수신기
30a: 레이저 소스
Claims (34)
- 샘플의 제1층과 제2층 사이의 인터페이스에서 재료 특성을 결정하기 위한 방법에 있어서,
상기 샘플에 전자기 방사선을 출력하는 단계와,
상기 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 수신하는 단계와,
파형 데이터를 형성하기 위해 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 디지탈화하는 단계와,
제2크기 및/또는 제3크기를 분석함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 재료 특성을 결정하는 단계를 포함하며,
상기 파형 데이터는 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 나타내며, 상기 파형 데이터는 제1크기와 제2크기 및 제3크기를 가지며,
상기 제1크기는 제1층의 상면 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내고, 상기 제2크기는 제1층과 제2층 사이의 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내며, 상기 제3크기는 제2층의 바닥면 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 방법. - 제1항에 있어서, 상기 재료 특성은 접착 강도인 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2크기를 기준 크기와 비교함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제3크기를 기준 크기와 비교함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제3크기를 제2크기와 비교함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전자기 방사선은 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 테라헤르쯔 방사선은 연속적인 웨이브 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 테라헤르쯔 방사선은 시간-도메인 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 테라헤르쯔 방사선의 주파수는 25GHz 내지 10THz 사이에 있는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제3크기와 제2크기 사이에 제4크기가 제때에 배치되는지의 여부를 결정하기 위해 파형 데이터를 분석함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 제4크기가 제3크기와 제2크기 사이에 제때에 배치될 때 제1층과 제2층 사이에 감소된 접착 강도가 있는 것으로 결론짓는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 방법.
- 샘플의 제1층과 제2층 사이의 인터페이스에서 접착 강도를 결정하기 위한 방법에 있어서,
상기 샘플에 전자기 방사선을 출력하는 단계와,
상기 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 수신하는 단계와,
파형 데이터를 형성하기 위해 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 디지탈화하는 단계와,
상기 제4크기가 제3크기와 제2크기 사이에 제때에 배치되는지의 여부를 결정하기 위해 파형 데이터를 분석함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하는 단계를 포함하며,
상기 파형 데이터는 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 나타내며, 상기 파형 데이터는 제1크기와 제2크기 및 제3크기를 가지며,
상기 제1크기는 제1층의 상면 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내고, 상기 제2크기는 2개의 층 사이의 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내며, 상기 제3크기는 제2층의 바닥면 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내는 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 방법. - 제12항에 있어서, 상기 제3크기와 제2크기 사이에 제4크기가 제때에 배치될 때 제1층과 제2층 사이에 감소된 접착 강도가 있는 것으로 결론짓는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 전자기 방사선은 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 테라헤르쯔 방사선은 연속적인 웨이브 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 테라헤르쯔 방사선은 시간-도메인 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 테라헤르쯔 방사선의 주파수는 25GHz 내지 10THz 사이에 있는 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 방법.
- 샘플의 제1층과 제2층 사이의 인터페이스에서 재료 특성을 결정하기 위한 시스템에 있어서,
상기 샘플에 전자기 방사선을 출력하는 송신기와,
상기 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 수신하는 수신기와,
파형 데이터를 형성하기 위해 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 디지탈화하도록 형성된 데이터 취득 장치를 포함하며,
상기 파형 데이터는 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 나타내며, 상기 파형 데이터는 제1크기와 제2크기 및 제3크기를 가지며,
상기 제1크기는 제1층의 상면 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내고, 상기 제2크기는 제1층과 제2층 사이의 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내며, 상기 제3크기는 제2층의 바닥면 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내며,
상기 데이터 취득 장치는 제2크기 및/또는 제3크기를 분석함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 재료 특성을 결정하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 시스템. - 제18항에 있어서, 상기 재료 특성은 접착 강도인 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 시스템.
- 제18항에 있어서, 상기 데이터 취득 장치는 제2크기를 기준 크기와 비교함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하도록 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 시스템.
- 제18항에 있어서, 상기 데이터 취득 장치는 제3크기를 기준 크기와 비교함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하도록 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 시스템.
- 제18항에 있어서, 상기 데이터 취득 장치는 제3크기를 제2크기와 비교함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하도록 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 시스템.
- 제18항에 있어서, 상기 전자기 방사선은 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 시스템.
- 제23항에 있어서, 상기 테라헤르쯔 방사선은 연속적인 웨이브 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 시스템.
- 제23항에 있어서, 상기 테라헤르쯔 방사선은 시간-도메인 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 시스템.
- 제23항에 있어서, 상기 테라헤르쯔 방사선의 주파수는 25GHz 내지 10THz 사이에 있는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 시스템.
- 제18항에 있어서, 상기 데이터 취득 장치는 제4크기가 제3크기와 제2크기 사이에 제때에 배치되는지의 여부를 결정하기 위해 파형 데이터를 분석함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하도록 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 시스템.
- 제27항에 있어서, 상기 데이터 취득 장치는 제4크기가 제3크기와 제2크기 사이에 제때에 배치될 때 제1층과 제2층 사이에 감소된 접착 강도가 있는 것을 결정하도록 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 특성 결정 시스템.
- 샘플의 제1층과 제2층 사이의 인터페이스에서 접착 강도를 결정하기 위한 시스템에 있어서,
상기 샘플에 전자기 방사선을 출력하는 송신기와,
상기 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 수신하는 수신기와,
파형 데이터를 형성하기 위해 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 디지탈화하도록 형성된 데이터 취득 장치를 포함하며,
상기 파형 데이터는 샘플에 의해 반사되거나 샘플을 통해 송신된 전자기 방사선을 나타내며, 상기 파형 데이터는 제1크기와 제2크기 및 제3크기를 가지며,
상기 제1크기는 제1층의 상면 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내고, 상기 제2크기는 제1층과 제2층 사이의 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내며, 상기 제3크기는 2개의 층 사이의 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내며, 상기 제3크기는 제2층의 바닥면 인터페이스에 제공되는 전자기 방사선의 반사된 또는 송신된 부분을 나타내며,
상기 데이터 취득 장치는 제4크기가 제3크기와 제2크기에 제때에 배치되는지의 여부를 결정하기 위해 파형 데이터를 분석함으로써 샘플의 제1층과 제2층 사이의 접착 강도를 결정하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 시스템. - 제29항에 있어서, 상기 데이터 취득 장치는 제4크기가 제3크기와 제2크기 사이에 제때에 배치될 때 제1층과 제2층 사이에 감소된 접착 강도가 있는 것을 결정하도록 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 시스템.
- 제29항에 있어서, 상기 전자기 방사선은 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 시스템.
- 제31항에 있어서, 상기 테라헤르쯔 방사선은 연속적인 웨이브 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 시스템.
- 제31항에 있어서, 테라헤르쯔 방사선은 시간-도메인 테라헤르쯔 방사선인 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 시스템.
- 제31항에 있어서, 상기 테라헤르쯔 방사선의 주파수는 25GHz 내지 10THz 사이에 있는 것을 특징으로 하는 접착 강도 결정 시스템.
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