KR20240081813A - 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저를 출력하는 레이저 광원; 상기 레이저를 기준 빔과 측정 빔으로 분리하는 빔 스플리터; 융착 가공물에서 반사된 측정 빔과 상기 기준 빔을 기초로 상기 융착 가공물의 상태를 검사하기 위한 스펙트로미터; 및 상기 레이저 광원에서의 레이저 출력 및 상기 검사를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 융착 가공물에 대한 융착 작업 전 및 상기 융착 작업 후에 상기 검사를 행하도록 제어하는, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치가 제공된다.

Description

광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR MONITORING FUSION USING OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY}
본 발명의 실시예는 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치 및 방법 에 관한 것이다.
최근 상용화를 위해 연구되고 있는 수소연료전지 차량에 있어서 수소를 차량에 충전하기 위한 수소저장용기가 핵심 부품에 해당한다. 수소저장용기의 라이너는 플라스틱을 주로 사용하며 플라스틱을 용접을 통해 접합하여 라이너를 제조한다. 그런데, 수소저장용기는 초고압인 700bar 이상의 수소를 저장하여야 하기 때문에 용접에 불량이 존재하는 경우에는 큰 사고로 이어지게 된다. 따라서, 이러한 사고를 예방하기 위하여 수소저장용기 제조에 있어서 용접 품질을 보장해야 하며, 이를 위하여 용접에서의 불량을 판단하기 위한 모니터링이 필요하다.
종래에는 플라스틱 접합을 위하여 열을 가하여 융착하는 방법을 사용하였다. 열융착은 용융된 상태의 플라스틱을 가압하여 접합하는 방식으로서 접합되는 부위가 눌림으로써 용융물이 내외로 돌출되게 된다. 따라서, 이러한 열융착 방식은 융착 부위에 버(burr)가 발생하게 될 수 밖에 없는데 외부로 돌출되는 버는 제거할 수 있지만 내부로 돌출되는 버는 제거가 불가능하여 버를 가진 채로 수소를 저장하게 된다. 그런데, 이러한 버는 차량이 운행할 때 진동에 의해서 용기 내부로 이탈될 수 있고, 버가 이탈되면 수소 배관 또는 연료전지 스택에 붙어서 연료전지의 작동에 결함을 야기할 수 있다.
최근에는 플라스틱 접합에서 레이저를 이용한 융착을 개발하고 있는데 레이저 융착의 경우에는 버가 발생할 염려는 적지만 접합 과정에서 일정한 압력이 융착 부위에 계속 가해져야 하며 레이저가 과하게 가해지면 융착 부위에서 기공이 발생하여 접합이 제대로 이루어지지 않게 될 수 있다.
따라서, 레이저 융착 품질을 모니터링하는 기술이 개발되는 중이며, 특히 융착 부위 내부의 융착 품질을 모니터링하는 기술 개발이 필요한 실정이다.
일본 공개특허공보 JP2017-531192(2017.10.19.)
본 발명의 실시예들은 플라스틱의 열적 접합에 있어서 불량 판단을 모니터링하기 위한 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
그리고, 본 발명의 실시예들은 플라스틱 융착 가공물의 내부를 모니터링하기 위한 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저를 출력하는 레이저 광원; 상기 레이저를 기준 빔과 측정 빔으로 분리하는 빔 스플리터; 융착 가공물에서 반사된 측정 빔과 상기 기준 빔을 기초로 상기 융착 가공물의 상태를 검사하기 위한 스펙트로미터; 및 상기 레이저 광원에서의 레이저 출력 및 상기 검사를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 융착 가공물에 대한 융착 작업 전 및 상기 융착 작업 후에 상기 검사를 행하도록 제어하는, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치가 제공된다.
상기 제어부는 상기 융착 작업 전의 융착 가공물에 대한 가압 여부를 확인할 수 있다.
상기 제어부는 상기 융착 작업 후의 융착 가공물에 대한 융착 품질을 확인할 수 있다.
상기 제어부는 딥러닝(deep learning)을 통해 상기 융착 가공물의 상태를 판단할 수 있다.
상기 융착 가공물은 플라스틱 소재로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 융착 가공물의 융착 부위에 대해서 가압을 행하는 단계; 상기 가압 상태를 검사하기 위하여 광간섭 단층촬영을 이용하는 제 1 모니터링을 행하는 단계; 상기 융착 부위에 대해서 융착을 행하는 단계; 및 상기 융착 부위에서의 융착 품질을 검사하기 위하여 광간섭 단층촬영을 이용한 제 2 모니터링을 행하는 단계;를 포함하는, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 방법이 제공된다.
상기 가압 상태의 검사 및 상기 융착 품질의 검사를 위하여 딥러닝을 통하여 상기 융착 가공물의 상태를 판단할 수 있다.
상기 융착 가공물은 플라스틱 소재로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 플라스틱의 열적 접합에 있어서 불량 판단을 모니터링하기 위한 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치 및 방법이 제공될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 플라스틱 융착 가공물의 내부를 모니터링하기 위한 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치 및 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치를 개략적으로 나타낸 단면 구성도
도 2는 융착 가공물인 플라스틱에 대한 레이저 융착을 나타내는 도면
도 3은 융착 가공물에 대한 융착이 행해지기 전에 융착 부위에 대한 가압 상태를 광간섭 단층촬영한 것을 나타내는 사진
도 4는 융착 가공물에 대한 융착을 행한 후 융착 부위를 광간섭 단층촬영한 것을 나타내는 사진
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 방법을 나타내는 순서도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 개시되는 실시예들은 이에 제한되지 않는다.
실시예들을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 개시되는 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 개시되는 실시예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
본 발명의 일 실시예에서 사용되는 광간섭 단층촬영(Optical Coherence Tomography)는 빛을 이용하여 대상물 내부의 3차원 이미지를 캡처하는 영상기술일 수 있다. 이는 빛의 간섭 성질을 이용하는 것으로서, 하나의 빛은 진공상태에 위치하는 거울로 보내고 다른 빛은 대상물로 보낼 수 있다. 이 경우 주파수에 따라서 대상물 측으로 간 빛은 대상물을 일정 정도 투과하고 되돌아 오게 되는데 이 과정에서 빛(예를 들어 근적외선)이 대상물 내부의 상태에 따라서 굴절이 발생하고 속도가 변화하게 될 수 있다. 그래서, 거울로 간 빛과 대상물로 간 빛 간의 차이가 발생하게 되어 이러한 차이를 분석함으로서 대상물 내부의 정보를 얻을 수 있다.
이러한 광간섭 단층촬영은 영상 획득 속도가 빠르기 때문에 실시간으로 영상획득이 가능하고, 일반적으로 근적외선의 파장의 빛을 사용하기 때문에 대상물에 대한 침습이 없다. 그리고, 일반적으로 사용되는 초음파보다 주파수가 높기 때문에 광간섭 단층촬영의 경우에는 높은 축방향 해상도를 가지게 되어 대상물의 내부 구조를 정확하게 파악할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치(100)를 개략적으로 나타낸 단면 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 융착 모니터링 장치(100)는, 융착 가공물(200)에 대한 융착 공정에서의 융착 품질을 검사하는 장치로서, 크게 레이저를 출력하는 레이저 광원(110), 레이저를 기준 빔(R1)과 측정 빔(M1)으로 분리하는 빔 스플리터(120), 기준 빔(R1)을 반사하는 기준 미러(130), 융착 가공물(200)에서 반사되어 다시 빔 스플리터(120)를 지난 측정 빔(M2)과 기준 미러(130)에서 반사되어 다시 빔 스플리터(120)를 지난 기준 빔(R2)을 기초로 융착 가공물의 상태를 검사하는 스펙트로미터(spectrometer)(160), 레이저 광원(110)에서의 레이저 출력 및 스펙트로미터(160)를 통한 검사를 제어하는 제어부(170)를 포함할 수 있다.
레이저 광원(110)은 브로드밴드 레이저를 출력할 수 있다. 빔 스플리터(120)에서는 레이저를 기준 빔(R1)과 측정 빔(M2)으로 분리하고 기준 빔(R1)은 기준 미러(130)로 진행하여 기준 미러(130)에서 반사되어 다시 빔 스플리터(120) 측으로 복귀할 수 있다. 기준 미러(130)는 일정한 펄스를 가지는 기준 빔(R2)을 보내기 위하여 고정된 상태이며 움직이지 않을 수 있다. 빔 스플리터(120)에서 분리된 측정 빔(M1)은 측정 빔 각도 조절부(140)에 의해 적절하게 융착 가공물(200)의 검사 부위 측으로 진행할 수 있다. 측정 빔 각도 조절부(140)는 측정 빔(M1)을 원하는 위위로 보내기 위하여 움직일 수 있다. 측정 빔(M1)의 초점을 조절하기 위하여 대물 렌즈(150)가 융착 가공물(200) 측에 배치될 수 있다. 융착 가공물(200)의 검사 부위에서 반사된 측정 빔(M2)은 빔 스플리터(120) 측으로 복귀할 수 있다.
빔 스플리터(120)로 복귀한 기준 빔(R2)과 측정 빔(M2)은 같이 스펙트로미터(160)로 진행하여 융착 가공물의 상태를 검사하기 위한 데이터로 사용될 수 있다. 스펙트로미터(160)에서는 기준 빔(R2)과 측정 빔(M2) 간의 간섭을 통해 기준 빔(R2)과 측정 빔(M2) 간의 속도 차이를 분석할 수 있다.
제어부(170)에서는 스펙트로미터(160)를 통해 분석된 기준 빔(R2)과 측정 빔(M2)간의 속도 차이로부터 융착 가공물(200)의 융착 부위의 상태를 이미지화할 수 있다. 이미지화된 융착 부위의 상태는 디스플레이를 통해 표시되어 사용자에게 이를 나타낼 수 있다. 제어부(170)는 융착 가공물에 대한 검사 시기를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(170)는 융착 가공물에 대해서 융착 작업을 진행하기 전 및 융착 작업을 진행한 후 각각에 대해서 검사를 행할 수 있다. 이러한 검사 시기에 대해서는 후술한다.
도 2는 융착 가공물인 플라스틱에 대한 레이저 융착을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 융착 가공물인 플라스틱은 융착을 위한 레이저 빔(LB)을 투과시키는 광학적 특성을 가지는 상부층(10)과 레이저 빔(LB)을 흡수하는 특성을 가지는 하부층(20)으로 구성될 수 있다. 상부층(10)에 대해서 레이저 빔(LB)을 조사하면 상부층(10)을 투과한 레이저 빔(LB)이 하부층에 흡수됨으로써 하부층(20)의 표면 온도를 상승시키게 되고 이로 인하여 발생된 열이 상부층(10)으로 전도되어서 하부층(20) 뿐만 아니라 상부층(10)에 대해서도 용융되어 융착이 이루어질 수 있다.
이 경우 융착이 원하는 정도로 이루어지기 위해서는 상부층(10) 및 하부층(20)의 사이의 용융 부위(30)에 대해서 가압(P1, P2)이 가해질 수 있다. 즉, 상부층(10)과 하부층(20)의 상하 양측에서 가압(P1, P2)이 행해진 상태에서 레이저 빔(LB)을 조사하는 방식으로 융착이 이루어질 수 있다. 융착이 이루어지는 부위를 따라서 레이저가 일정 방향(LD)으로 진행할 수 있다. 만약, 가압(P1, P2)이 제대로 이루어지지 못하여 상부층(10) 및 하부층(20) 사이에 간극이 발생하게 되면 레이저 융착이 제대로 되지 않기 때문에 이를 모니터링할 필요가 있다. 또한, 가압(P1, P2)이 융착 부위에 대하여 균일하게 되지 않으면 레이저 융착의 품질이 일정하게 되지 않을 수 있어서 이에 대한 모니터링도 필요할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 단층촬영에 의한 모니터링은 레이저 융착을 행한 후의 결과 뿐만 아니라 레이저 융착을 행하기 전의 가압 상태에 대해서도 행할 필요가 있다.
도 3은 융착 가공물에 대한 융착이 행해지기 전에 융착 부위에 대한 가압 상태를 광간섭 단층촬영한 것을 나타내는 사진이다.
도 3을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 융착 가공물(200)에 대해서 융착을 하기 전에 융착 부위에 대해서 가압을 행하게 되는데, 가압이 제대로 되지 지지 않아 상부층(10) 및 하부층(20) 간에 간극이 발생하게 되면 그 후에 융착 품질이 저하되기 때문에 가압 상태에 대한 모니터링이 필요할 수 있다. 도 3(a)는 상부층(10) 및 하부층(20) 간에 간극(A)이 발생한 것을 광간섭 단층촬영한 것을 나타내는 사진이다.
또한, 융착부위에 대해서 균일한 압력이 가해지지 않게 되면 부위마다 융착 품질에 차이가 발생하게 되기 때문에 균일한 압력이 가해지는지에 대해서도 모니터링이 필요할 수 있다. 도 3(b)는 상부층(10)과 하부층(20) 간에 가압하여 발생하는 응력 분포(B)가 균일한지를 광간섭 단층촬영을 통해 확인한 것을 나타내는 사진이다.
도 4는 융착 가공물에 대한 융착을 행한 후 융착 부위를 광간섭 단층촬영한 것을 나타내는 사진이다.
도 4를 참조하면, 융착 가공물인 플라스틱을 레이저 융착한 결과 결함(D)이 발생한 것을 광간섭 단층촬영을 한 것을 나타내고 있다. 융착 공정 전에 가압이 제대로 이루어졌다고 하더라도 융착 과정에서 레이저에 의해 발생하는 열이 과하게 발생하게 되면 해당 부위에서 기공이 생김으로써 융착 부위에 결함(D)이 발생할 수 있다. 따라서, 융착 공정 후에 이러한 부위가 존재하는지를 확인하기 위하여 융착 공정 후에도 광간섭 단층촬영을 통한 모니터링을 행할 필요가 있다. 그리고, 융착 부위에서 접합된 길이(L)를 측정하는 데에서도 광간섭 단층촬영을 이용할 수 있다.
도 3 및 도 4에서 나타내는 광간섭 단층촬영 결과에서 결함 부위를 도출하는데에 있어서 딥러닝(deep learning)을 사용할 수 있다. 딥러닝을 행하는데 있어서 객체 인식을 위하여 YOLO v2를 기반으로 하며, 사전학습된 ResNet-50 모델을 이용할 수 있다. 그리고, 컨볼루션(convolution), 배치 정규화(batch normalization), 활성화 함수(activation fuction)을 49회 통과하여 미세한 결함도 검출할 수 있도록 할 수 있다. 결함부위 도출을 위한 훈련 주기는 200회, 검증은 20회마다 행할 수 있다. 딥러닝한 결과 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error; RMSE)가 0.3, 평균 정밀도(mean average precision)는 0.9로 나타났다. 상기 설명한 학습의 방법이나 사용된 모델은 바람직한 적용예로서 상기 기술한 학습 방법이나 모델로 한정되지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 방법은 다음과 같이 행해질 수 있다.
우선, 융착 가공물의 융착 부위에 대해서 가압을 행할 수 있다(S10). 가압을 한 상태에서 이러한 가압 상태를 검사하기 위하여 앞서 설명한 광간섭 단층촬영을 이용하는 융착 모니터링 장치를 이용하여 제 1 모니터링을 행할 수 있다(S20). 제 1 모니터링은 융착 부위에 대한 가압 상태를 검사하여 융착 부위에서의 간극이나 응력 분포를 확인할 수 있다. 만약, 융착 부위에서 간극이 확인되거나 응력 분포가 불균일한 것으로 확인되면, 융착 부위에 대한 가압 상태를 조정하고 다시 제 1 모니터링을 행할 수 있다. 따라서, 융착 부위에 대한 가압이 문제가 없을 때까지 가압 상태를 조정하여 이후 진행할 융착 과정에서의 에러 발생을 최소화할 수 있다.
그리고, 융착 부위에 대한 융착을 행할 수 있다(S30). 융착은 도 2에서 설명한 레이저 융착일 수 있다. 융착이 행해지면, 융착 부위에 대해서 융착 품질을 검사하기 위하여 다시 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치를 이용하여 제 2 모니터링을 행할 수 있다(S40). 제 2 모니터링을 통해 융착 상태를 검사하여 융착과정에서 기공이 발생하였는지를 확인할 수 있다. 만약, 융착 상태에서 문제가 발생하면 재융착을 행하여 융착 상태가 문제가 없도록 할 수 있다.
이와 같이, 융착이 완료되면 최종 제품을 완성할 수 있다(S50). 최종 제품은 수소저장용기로 사용되는 라이너일 수 있다. 이는 수소 연료전지차량의 핵심 부품으로서 초고압인 700 bar 이상을 견딜 수 있어야 하기 때문에 융착 품질이 매우 중요하여 융착 품질에 대한 모니터링이 필수적이며, 제조 중에 실시간으로 모니터링을 행하는 것이 중요하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 융착 모니터링 장치 및 융착 모니터링 방법이 수소저장용기용 라이너 제조에 있어서 중요하게 이용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 융착 모니터링 장치
110 : 레이저 광원
120 : 빔 스플리터
130 : 기준 미러
140 : 빔 각도 조절부
150 : 대물렌즈
160 : 스펙트로미터
170 : 제어부

Claims (8)

  1. 레이저를 출력하는 레이저 광원;
    상기 레이저를 기준 빔과 측정 빔으로 분리하는 빔 스플리터;
    융착 가공물에서 반사된 측정 빔과 상기 기준 빔을 기초로 상기 융착 가공물의 상태를 검사하기 위한 스펙트로미터; 및
    상기 레이저 광원에서의 레이저 출력 및 상기 검사를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 융착 가공물에 대한 융착 작업 전 및 상기 융착 작업 후에 상기 검사를 행하도록 제어하는, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 융착 작업 전의 융착 가공물에 대한 가압 여부를 확인하는, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 융착 작업 후의 융착 가공물에 대한 융착 품질을 확인하는, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 딥러닝(deep learning)을 통해 상기 융착 가공물의 상태를 판단하는, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 융착 가공물은 플라스틱 소재로 형성되는, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 장치.
  6. 융착 가공물의 융착 부위에 대해서 가압을 행하는 단계;
    상기 가압 상태를 검사하기 위하여 광간섭 단층촬영을 이용하는 제 1 모니터링을 행하는 단계;
    상기 융착 부위에 대해서 융착을 행하는 단계; 및
    상기 융착 부위에서의 융착 품질을 검사하기 위하여 광간섭 단층촬영을 이용한 제 2 모니터링을 행하는 단계;를 포함하는, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 가압 상태의 검사 및 상기 융착 품질의 검사를 위하여 딥러닝을 통하여 상기 융착 가공물의 상태를 판단하는, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 융착 가공물은 플라스틱 소재로 형성되는, 광간섭 단층촬영을 이용한 융착 모니터링 방법.

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