WO2015050286A1

WO2015050286A1 - 단결정잉곳 성장로의 아일랜드 위치검출장치 및 아일랜드 위치검출방법

Info

Publication number: WO2015050286A1
Application number: PCT/KR2013/010691
Authority: WO
Inventors: 김성렬; 김철민; 조형호; 이영철; 김형재
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-04-09
Also published as: US10233563B2; US20160032484A1; KR101481442B1

Abstract

본 발명의 목적은 사파이어 잉곳과 같은 단결정의 제조를 위하여 성장로 내부에서 유동하는 용융체에서 아일랜드의 위치를 획득된 이미지의 분석을 통해 자동으로 검출할 수 있는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치 및 그것의 검출방법을 제공하는 것이다. 본 발명은, 잉곳재료가 용융되는 잉곳성장로와, 상기 잉곳성장로의 상부에 설치되어 용융체 표면의 이미지를 획득하는 촬영수단과, 상기 촬영수단이 획득한 이미지를 분석하여 아일랜드의 위치를 검출하는 제어수단과, 용융체의 표면에 시드가 접촉하도록 하강시키기 위해 상기 잉곳성장로의 상부에 설치된 시드작동수단을 포함하되, 상기 제어수단은 상기 이미지에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 특이점을 도출하고, 일련의 특이점들이 서로 연결되어 각각 직선을 이루게 되는 다수의 연결라인을 도출하며, 그 다수개의 연결라인이 서로 교차하는 영역 중 가장 많은 교차가 발생하는 영역을 아일랜드로 하고, 상기 시드가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역에 상기 아일랜드가 위치하는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치를 제공한다.

Description

단결정잉곳 성장로의 아일랜드 위치검출장치 및 아일랜드 위치검출방법

본 발명은 단결정잉곳 성장로의 아일랜드 위치검출장치 및 아일랜드 위치검출방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는, 본 발명은 성장로 내부에 수용된 용융체 표면의 이미지를 획득하고, 그 이미지의 처리과정을 거침으로써 용융체의 아일랜드 위치를 검출하며, 이를 통해 아일랜드의 위치가 목표영역에 진입시 알람신호를 발생시키거나, 시드(seed)가 하강하도록 하는 단결정잉곳 성장로의 아일랜드 위치검출장치 및 아일랜드 위치검출방법에 관한 것이다.

단결정 사파이어는 파손에 대한 저항성, 높은 강도, 넓은 파장범위의 광학적 투과성과 같은 장점이 있는 재료이므로, 군수, 항공, 광학, 의료 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 특히, 근래에는 발광다이오드(LED) 제품생산을 위해 사파이어 잉곳의 수요가 기하급수적으로 성장하고 있다.

도 1은 종래의 사파이어잉곳 성장로에서 단결정 육성을 위한 장치의 일예를 도시한다.

그 잉곳생산의 과정의 살펴보면, 먼저, 성장로의 도가니(2)에 원료를 넣은 뒤 히팅수단을 작동시켜 사파이어 원료를 용해시킨다.

그런 다음, 잉곳로드의 하단에 시드(seed;종자결정)(3)을 장착한 후, 시드작동수단(4)의 동작에 의해 시드(3)를 도가니(2) 내의 용융표면 중심위치에 근접시켜 용융체(Melt)와 접촉 또는 일부 침지시킨다.

그러한 상태에서 도가니(2)의 온도를 조절하여 사파이어 단결정의 육성을 개시하고, 이후 인상 속도 및 위치, 온도를 적절히 조절함으로써 원기둥에 가까운 형상의 단결정 잉곳을 얻을 수 있다.

그 공정의 초기에, 시드(3)가 시드작동수단(4)의 동작에 의해 용융체(1)에 접촉 후 천천히 상승되는데, 시드가 용융체(1)에 접촉하는 지점과 접촉시점은 사용자의 육안관찰과 경험적 판단에 의존하고 있다.

도 2는 성장로 내부에서 용융체 표면의 유동상태를 도시하는 개략도이다.

도 2를 참조하면, 아일랜드는 도 2에서 도면부호 6으로 표시된 부분으로서, 가열에 의해 용융체의 용융이 양호한 정상상태인 경우, 아일랜드(6)는 동전크기만한 면적을 가지고 식별될 수 있는 영역으로 나타난다. 용융체(1)의 표면은 하측에서 표면으로 상승하는 높은 온도의 상승부(7)와, 표면으로 상승한 용융체가 다시 하강하는 부분으로서 상승부(7)에 비해 온도가 약간 낮은 하강부(6,8)로 나뉘어 유동하고 있다. 중심부에서 방사상으로 뻗어 있는 하강부(8)에는 주위의 용융체가 모여들어 하강함으로서 유동경계선(9)이 나타나고, 그러한 유동경계선(9)은 아일랜드(6)를 중심으로 방사상으로 생성된다.

상기 아일랜드(6)는 융융액이 하강하는 부분으로서, 용융액이 상승하는 주위의 영역들에 비해 온도가 낮은 영역이다. 따라서, 주위보다 온도가 낮은 상기 아일랜드(6)에 시드(3)를 접촉시키고 상기 아일랜드(6)로부터 단결정의 성장이 시작된다.

상기 아일랜드(6)는 용융체의 표면의 중심에 항상 발생하는 것은 아니고, 용융체의 유동에 따라 그 위치가 변하고 있다.

이에 따라, 조작자는 상기 아일랜드(6)가 시드(3)의 하강위치에 진입한 적절한 시점에서, 시드(3)의 하강조작을 하여야 하므로 그 시점 포착을 위해 고온의 성장로 내부를 육안으로 빈번하게 관찰해야 하는 어려움이 있다.

또한, 고품질의 단결정잉곳 생산을 위해서 계속 위치가 변하는 아일랜드(6)에 시드(3)를 정확히 접촉시켜야 하므로 숙련도가 높은 조작자에 의해 작업이 이루어질 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 관점에서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 사파이어 잉곳과 같은 단결정의 제조를 위하여 성장로 내부에서 유동하는 용융체에서 아일랜드의 위치를 획득된 이미지의 분석을 통해 자동으로 검출할 수 있는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치 및 그것의 검출방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 그와 같은 아일랜드 위치검출장치 및 검출방법을 이용하여 아일랜드가 특정위치에 도달하면 시드의 하강시점을 관리자에게 알리거나, 자동으로 시드를 하강시키는 제어신호를 출력할 수 있는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치 및 검출방법을 제공하는 것이다.

이에 따라 본 발명은, 잉곳재료가 용융되는 잉곳성장로와, 상기 잉곳성장로의 상부에 설치되어 용융체 표면의 이미지를 획득하는 촬영수단과, 상기 촬영수단이 획득한 이미지를 분석하여 아일랜드의 위치를 검출하는 제어수단과, 용융체의 표면에 시드가 접촉하도록 하강시키기 위해 상기 잉곳성장로의 상부에 설치된 시드작동수단을 포함하되, 상기 제어수단은 상기 이미지에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 특이점을 도출하고, 일련의 특이점들이 서로 연결되어 각각 직선을 이루게 되는 다수의 연결라인을 도출하며, 그 다수개의 연결라인이 서로 교차하는 영역 중 가장 많은 교차가 발생하는 영역을 아일랜드로 하고, 상기 시드가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역에 상기 아일랜드가 위치하는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제어수단이 상기 다수의 특이점을 검출하기 위해, 상기 이미지 상에서 서로 평행한 다수의 측정라인을 따라 온도 또는 명도에 관한 각 데이터를 연속적으로 획득하고, 상기 특이점은 상기 다수의 측정라인 별로 상기 데이터를 미분하여 그 위치를 도출하는 것을 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 촬영수단에 상기 촬영수단과 상기 용융체 표면 사이를 차단하는 셔터와, 상기 셔터를 작동시키는 셔터작동수단을 포함하고, 상기 셔터작동수단은 상기 이미지의 획득을 위한 작동신호의 입력시 소정시간동안만 상기 셔터를 개방하여 상기 촬영수단의 온도상승을 방지하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 표시수단을 더 포함하고, 상기 제어수단은 상기 아일랜드가 상기 시드접촉영역에 위치하는 경우, 상기 표시수단에 알람신호를 발생시키도록 상기 표시수단을 제어하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제어수단이 상기 아일랜드가 상기 시드접촉영역에 위치하는 경우, 상기 시드작동수단이 상기 시드를 용융체 표면으로 하강시키도록 제어하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 표시수단을 더 포함하고, 상기 제어수단은 상기 아일랜드의 크기를 판별하여 상기 아일랜드가 상기 시드접촉영역에 위치하고 상기 아일랜드의 크기가 설정크기보다 큰 경우에, 상기 표시수단에 알람신호를 발생시키도록 상기 표시수단을 제어하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제어수단이 상기 아일랜드의 크기를 판별하여 상기 아일랜드가 상기 시드접촉영역에 위치하고 상기 아일랜드의 크기가 설정크기보다 큰 경우에, 상기 시드작동수단이 상기 시드를 용융체 표면으로 하강시키도록 제어하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

한편, 다른 관점에서 본 발명은 잉곳재료가 용융되는 잉곳성장로와, 상기 잉곳성장로의 상부에 설치되어 용융체 표면의 이미지를 획득하는 촬영수단과, 상기 촬영수단이 획득한 이미지를 분석하여 아일랜드의 위치를 검출하는 제어수단과, 용융체의 표면에 시드가 접촉하도록 하강시키기 위해 상기 잉곳성장로의 상부에 설치된 시드작동수단을 포함하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치를 이용하여 아일랜드의 위치를 검출하는 방법에 있어서, 상기 촬영수단에 의해 용융체 표면의 이미지를 획득하는 1단계, 상기 이미지획득단계에서 획득된 이미지에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 특이점을 도출하는 2단계, 일련의 특이점들이 서로 연결되어 각각 직선을 이루게 되는 다수의 연결라인을 도출하는 3단계, 다수의 상기 연결라인들이 가장 많이 교차하는 영역인 아일랜드를 도출하는 4단계, 및 상기 시드가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역에 상기 아일랜드가 위치하는지 여부를 판단하는 5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 2단계에서 상기 다수의 특이점을 검출하기 위해, 상기 이미지 상에서 서로 평행한 다수의 측정라인을 따라 온도 또는 명도에 관한 각 데이터를 연속적으로 획득하고, 상기 특이점은 상기 다수의 측정라인 별로 상기 데이터를 미분하여 그 위치를 도출하는 것을 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 5단계 후, 상기 아일랜드가 상기 시드접촉영역에 위치하는 경우, 표시수단에 알람신호를 발생시키는 6단계를 더 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 5단계 후, 상기 아일랜드가 상기 시드접촉영역에 위치하는 경우, 상기 시드작동수단이 상기 시드를 용융체 표면으로 하강시키는 6단계를 더 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 아일랜드의 크기를 판별하는 별도의 단계를 더 포함하고, 상기 5단계 후, 상기 아일랜드가 상기 시드접촉영역에 위치하고 상기 아일랜드의 크기가 설정크기보다 큰 경우에, 표시수단에 알람신호를 발생시키는 6단계를 더 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 아일랜드의 크기를 판별하는 별도의 단계를 더 포함하고, 상기 5단계 후, 상기 아일랜드가 상기 시드접촉영역에 위치하고 상기 아일랜드의 크기가 설정크기보다 큰 경우에, 상기 시드작동수단이 상기 시드를 용융체 표면으로 하강시키는 6단계를 더 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 아일랜드의 크기를 판별하기 위하여, 상기 이미지에서 온도 또는 명도가 일정수준 이하인 픽셀을 선별하고, 그 선별된 픽셀에서 설정간격 이내로 인접한 픽셀들을 모아 덩어리화시킨 픽셀그룹을 다수 형성하며, 형성된 다수의 픽셀그룹 중에서 상기 아일랜드의 위치에 있는 픽셀그룹의 면적을 상기 아일랜드의 크기로 하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명에 따른 단결정잉곳 성장로의 아일랜드 위치검출장치 및 그것의 검출방법에 의하면, 성장로 내에 수용된 용융체의 아일랜드 위치를 작업자의 육안관찰없이도 정확히 검출할 수 있다.

그러한 검출결과를 통하여 시드의 하강시점을 알리거나, 시드의 하강작동이 자동으로 발생할 수 있도록 구현이 가능하므로, 숙련되지 않은 작업자에 의해서도 높은 품질의 단결정잉곳의 생산이 가능하고, 단결정잉곳의 생산을 위해 투입하는 작업자의 작업시간과 노력을 줄일 수 있다.

본 발명의 아일랜드 위치검출장치 및 그것의 검출방법은 사파이어 잉곳에만 한정되지 않고, 아일랜드에 시드를 접촉시키는 과정을 포함하는 다양한 재료의 단결정 성장로에서 활용될 수 있다.

도 1은 종래의 사파이어 잉곳성장로에서 단결정 육성을 위한 장치의 일예를 도시하는 구성설명도

도 2는 성장로 내부에서 용융체 표면의 유동상태를 도시하는 개략도

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치의 구성설명도

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치에서 제어장치의 동작과정을 설명하는 블록도

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치에서 이미지 상에서 특이점을 도출하는 과정을 설명하는 설명도

도 6의 (a)는 촬영수단에 의해 촬영된 용융체 표면의 실제이미지이고, 도 6의 (b)는 그 이미지로부터 특이점이 도출되어 특이점이 다수의 점으로 나타나도록 처리된 이미지

도 7은 허프변환(Hough transform)의 원리에 관한 설명도

도 8의 (a)는 허프변환을 이용하여 이미지 상에 나타난 특이점을 파라미터 공간상에 다수의 곡선으로 나타낸 그래프이고, 도 8의 (b)는 파라미터 공간상에 도 8의 (a)의 곡선들이 만나는 교점들만을 남긴 상태도

도 9는 촬영된 이미지 상에 도 8의 (b)의 교점들을 직선으로 각각 표현한 설명도

도 10은 용융체 표면의 중심점과 아일랜드의 위치를 표시하고 있는 설명도

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치에서 제어장치의 동작과정을 설명하는 블록도

도 12의 (a)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치에서 촬영된 이미지를 이진화시킨 설명도이고, 도 12의 (b)는 이진화된 이미지에서 밝은 색을 가진 픽셀들을 인접해 있는 것들끼리 묶어 그룹화시킨 설명도

도 13의 (a)는 도 12의 (b)의 픽셀그룹들을 추출한 이미지이고, 도 13의 (b)는 픽셀그룹들을 라벨(Label)화 하고 아일랜드를 검출하는 과정을 설명하는 설명도

본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 잉곳성장로(10)의 아일랜드 위치검출장치는, 잉곳재료가 용융되는 잉곳성장로(10)와, 상기 잉곳성장로(10)의 상부에 설치되어 용융체 표면의 이미지를 획득하는 촬영수단(20)과, 상기 촬영수단(20)이 획득한 이미지를 분석하여 아일랜드(6)의 위치를 검출하는 제어수단(30)과, 용융체의 표면에 시드(3)가 접촉하도록 하강시키기 위해 상기 잉곳성장로(10)의 상부에 설치된 시드작동수단(40)을 포함한다.

상기 잉곳성장로(10)는 그 내부에 사파이어 등 단결정을 형성하기 위한 원료를 충전하여 용융하는 도가니(2)가 설치된다.

상기 도가니(2)의 외부에는 도가니(2)로 공급된 원료를 용융할 수 있도록 히팅수단이 설치되고, 상기 히팅수단의 외부에는 히팅수단과 도가니의 열분포를 확산시켜 안정화시킬 수 있도록 냉각수단을 설치한다.

잉곳성장로(10)의 상부에는 상부커버(12)가 설치되어 도가니(2)에서 용융된 용융체를 보호하는 역할을 하고, 촬영수단(20), 시드작동수단(40) 등이 고정된다.

상기 시드작동수단(40)은 잉곳성장로(10)의 상부커버(12)의 중심부에 수직으로 설치되는 것으로서, 시드(seed)(3)가 하단에 부착되어 있는 시딩로드가 구비되고, 시딩로드의 하강에 의해 시드(3)가 용융체의 표면에 접촉되거나 침지될 수 있다.

상기 촬영수단(20)은 잉곳성장로(10)의 상부커버(12)에서 시드작동수단(40)의 일측에 설치되고 상부커버(12)의 하측에서 용융체의 표면을 촬영한다. 고온표면의 영상을 얻을 수 있는 통상의 고화질화상카메라를 사용하거나, 용융체 표면의 온도분포를 측정하는 열화상카메라가 사용될 수도 있다.

상기 촬영수단(20)은 표면에서의 유동경계선(9)을 촬영하기 위한 것으로서, 유동시 경계를 형성하는 부분에서는 육안으로 관찰시에 명도의 차이가 발생하고, 온도분포에 있어서도 유동경계선(9)과 그 주변부분에서 차이가 발생하므로 이를 이용하여 촬영이 이루어진다.

전술한 촬영수단(20)에 의해 용융체의 표면을 촬영한 이미지는 도 2에서 도시하는 유동경계선(9)에서 명도나 색깔의 차이를 발생시킨다. 도 6의 (a)를 참조하면, 실제 이미지에서 유동경계선(9)이 그 주위와 명도의 차이가 있음을 확인할 수 있다.

상기 촬영수단(20)에는 엔디필터(Neutral density filter)가 설치되어 고온의 용융체 표면에서 방출되는 빛을 양을 일정비율로 차단시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 촬영수단(20)에는 상기 촬영수단(20)과 상기 용융체 표면 사이를 차단하는 셔터와, 상기 셔터를 작동시키는 셔터작동수단(21)을 포함한다.

상기 셔터작동수단(21)은 컨트롤 시스템의 디지털 I/O와 연결하여 솔레노이드밸브의 개폐에 의해 셔터를 구동시키는 공압실린더를 제어한다.

공압실린더의 동작으로 소정시간(수 sec)동안 셔터의 개폐가 이루어지고, 잉곳성장로(10)의 상부커버(12)의 하측에서 촬영수단(20)과 고온의 용융체 사이를 셔터가 차단하도록 하며, 촬영시에만 소정시간 동안 셔터를 개방한다.

제어수단(30)으로부터 이미지의 획득을 위한 작동신호가 입력되면 셔터가 개방되되, 촬영수단(20)의 촬영이 이루어지는 시간이외에는 셔터가 차단됨으로써 복사열에 의한 촬영수단(20)의 온도상승과 온도변화에 따른 촬영불량의 요인을 최소화시키고 있다.

한편, 상기 제어수단(30)은 상기 잉곳성장로(10)의 온도조절, 상기 셔터작동수단(21)의 작동, 상기 시드작동수단(40)의 작동 등을 위한 제어신호를 전송한다. 또한, 상기 제어수단(30)은 시드작동수단(40)에 의해 시드(3)의 하강동작을 실시하기 위하여 촬영수단(20)이 획득한 이미지를 분석하여 아일랜드(6)의 위치를 먼저 검출한다.

제어수단(30)에 의해 아일랜드(6)의 위치가 검출되고, 용융체의 표면에서 용융체의 유동에 의해 이동하는 아일랜드(6)가 설정된 영역에 진입하면 제어수단(30)은 시드작동수단(40)을 하강작동시킴으로써 시드(3)를 용융체(아일랜드)에 접촉시킨다.

이하, 촬영수단(20)이 획득한 이미지를 제어수단(30)이 분석하여 아일랜드(6)의 위치를 검출하는 작동과정을 설명한다.

도 4를 참조하면, 먼저, 제어수단(30)은 촬영수단(20)에 동작신호를 전송하여 용융체 표면의 이미지를 획득한다.(S10단계)

제어수단(30)의 제어신호가 전송되면, 수초동안 셔터가 개방되면서 동기화되어 있는 카메라에 의한 이미지 촬영이 이루어진다. 이후, 셔터가 폐쇄됨으로써 고온의 복사열로부터 카메라를 보호한다.

상기와 같이 촬영수단(20)이 이미지를 획득하기 위해 셔터를 개폐하고 그 사이에 촬영이 이루어지는 동작은 설정시간(예컨대 10초)마다 반복됨으로써 용융체 표면에서 용융체의 유동으로 그 위치가 변화하고 있는 아일랜드(6)의 위치를 설정시간마다 감시할 수 있다.

촬영된 용융체 표면의 이미지는 도 2에 대략적으로 도시되어 있고, 유동경계선(9) 등의 형상은 용융체의 유동이 계속 발생하고 있으므로 시간에 따라 변한다.

한편, 촬영수단(20)에 의해 획득된 이미지가 제어수단(30)에 전송되면, 비관심영역 및 노이즈를 제거하기 위해 그 이미지에 대한 필터링과정이 이루어진다.(S20단계)

관심영역만의 이미지를 획득하기 위하여 공지된 마스킹(Masking)법을 사용하여 비관심영역을 제거한다. 비관심영역의 제거를 통해 노이즈나 후술하는 특이점이 불필요하게 많이 생성되는 것을 방지한다.

비관심영역이 제거된 이미지는 이미지의 해석에 불필요한 정보(색)를 삭제하고 데이터 처리의 편의를 위하여 이미지를 그레이스케일(Gray scale)로 변환한다.

상기 변환이 완료되면 용융체 표면의 흐름 표시를 보다 뚜렷하게 하기 위하여 각 픽셀의 값에 일정한 값을 곱하여 증폭처리(multiplication)를 실시한다.

전술한 이미지필터링 과정이 완료되면, 이미지에서 다수의 특이점을 도출하는 과정이 이루어진다.(S30단계)

상기 특이점 도출과정은 용융체 표면에서 유동경계선(9)의 위치데이터를 획득하기 위해 실시되는 것이다. 유동경계선(9)의 위치데이터가 이미지상에서 획득되면 유동경계선(9)이 모이고 있는 아일랜드(6)의 위치가 파악될 수 있다.

도 5를 참조하면, 이미지 상에서 서로 평행한 다수의 측정라인(La,Lb,Lc...Lz)을 따라 온도 또는 명도에 관한 각 데이터를 연속적으로 획득하고, 상기 특이점(Pa1,Pa2,Pa3,Pa4,Pb1,Pc1,Pz1)은 상기 다수의 측정라인 별로 상기 데이터를 미분하여 그 위치를 도출한다.

즉, 특이점(Pa1,Pa2,Pa3,Pa4,Pb1,Pc1,Pz1)을 도출하기 위하여 이미지 상에서 횡으로 연장되는 직선형태인 측정라인을 따라 온도 또는 명도에 관한 데이터가 연속적으로 획득된다. 측정라인을 따라가면서 픽셀(pixel)별로 온도 또는 명도에 관한 데이터가 획득되는 것이다.

용융체 표면에 나타나는 유동경계선(9)은 용융체 표면을 이동하는 용융체들이 서로 부딪히면서 하강하는 영역으로서 선의 형태로 나타난다. 또한 그 유동경계선(9)은 비교적 온도가 낮은 부분이면서 밝기가 주위와 차이가 있으므로 주위의 명도와 유동경계선(9)의 명도가 구분될 수 있다.

만일, 열화상카메라에 의해 온도분포를 색상의 차이가 발생하도록 촬영한 이미지의 경우라면, 색상데이터를 획득하고 그 색상데이터에서 색도의 차이에 따라 측정라인별로 특이점을 도출할 수 있다. 상기 색상데이터는 온도분포를 나타내는 것이므로 온도에 관한 데이터라 할 수 있다.

색상데이터에서 색도에 의해 특이점을 도출하는 경우라면, 전술한 그레이스케일(Gray scale)로의 변환과정은 생략되어야 할 것이다.

상기 특이점(Pa1,Pa2,Pa3,Pa4,Pb1,Pc1,Pz1)은 실질적으로 측정라인과 상기 유동경계선(9)이 만나는 점이므로 서로 수평인 측정라인(La,Lb,Lc...Lz)을 조밀하게 배치하면 보다 정확한 유동경계선(9)을 탐색할 수 있으나, 처리할 데이터량이 증가하므로 제어수단(30)의 처리용량에 따라 측정라인(La,Lb,Lc...Lz)의 적정 간격증감에 의해 발생하는 특이점의 개수 조절이 이루어져야 한다.

상기 특이점이 위치하는 유동경계선(9)은 측정라인(La,Lb,Lc...Lz)을 따라 명도를 측정할 때 명도가 점차 낮아졌다가 유동경계선(9)에서 최저명도가 되고 다시 명도가 높아지는 경계영역이므로, 측정라인(La,Lb,Lc...Lz) 별로 획득된 데이터를 연속적으로 미분할 때 나타나는 특이점으로 그 위치를 확인할 수 있다.

도 6의 (a)는 촬영수단(20)에 의해 촬영된 실제 이미지이고, 도 6의 (b)는 그 이미지로부터 특이점이 도출되어 특이점이 다수의 점으로 나타나 있는 이미지를 도시하고 있다. 참고로, 도 6의 (a)는 용융로(10) 내의 장애물들이 가린 부분을 제거하고 용융체 표면이 나타나는 부분만 발췌된 것이다.

특이점들이 도출된 이미지는 이진화하는 것이 이미지를 명확하게 하여 이후 연결라인의 도출과정이 보다 용이해질 수 있다.

한편, 특이점들이 도출된 이후, 다수의 특이점을 연결하는 다수의 연결라인(50)을 도출하는 과정이 진행된다.(S40단계)

이는 특이점이 도출된 이미지 상에서 특이점들을 서로 연결할 때 유동경계선(9)이 될 것으로 판단되는 다수의 직선을 도출하는 과정이다.

상기 연결라인(50)의 도출을 위해, 허프변환(Hough transform)을 이용한다.

도 7을 참고하면, x, y축으로 이루어지는 이미지 상에서 직선으로 표현되는 y=mx+b 방정식은 ρ=xcosθ+ysinθ의 방정식으로 변환이 가능하다. 여기서, ρ는 원점에서 직선까지의 법선거리이고, θ는 x축과의 각도를 나타낸다.

공지된 바와 같이, 허프변환은 이미지 공간에서 직선으로 표현되는 ρ= x cosθ+y sinθ의 방정식이 θ,ρ축의 파라미터 공간에서는 곡선으로 나타난다. 또한, 이미지 공간에서 직선 ρ= x cosθ+y sinθ의 위에 위치하는 점 P1, P2, P3는 θ,ρ축을 가진 파라미터 공간에서 각각의 곡선 P1, P2, P3로 나타난다.

결국, 상기 파라미터 공간에서의 점은 이미지 공간에서 선으로 나타나는 성질이 있고, 상기 이미지 공간에서 점 P1 ,P2, P3는 하나의 직선위에 있던 점들이므로, 파라미터 공간에서 곡선 P1, P2, P3이 서로 교차하는 하나의 점 C를 생성한다. 그 점 C는 이미지 공간상에서 직선 ρ= x cosθ+y sinθ을 나타내게 된다.

본 실시예에 상기 허프변환(Hough transform)을 활용하여, 도 6의 (b)에서 나타나는 이미지 상의 특이점들을 도 8의 (a)와 같이 파라미터 공간에서 각각의 곡선으로 나타낸다. 다수의 특이점은 그 각각에 해당하는 곡선이 각각 생성되므로, 수많은 곡선이 서로 중첩되면서 표현된다.

도 7의 허프변환(Hough transform)의 원리와 같이, 이미지 상에서 하나의 직선위에 존재하는 점들이 파라미터 공간에서 각각 생성하는 곡선은 그 직선을 의미하는 하나의 점 C에서 교차하는 성질이 있다. 따라서, 도 8의 (a)에 생성된 다수의 곡선들이 하나의 점에서 교차하고 있다면, 그 하나의 교차점을 가지는 다수의 곡선들은 이미지 상에서 하나의 직선위에 있는 점들에 의해 생성된 것임을 알 수 있다.

따라서, 도 8의 (a)에서 복수의 곡선들이 한 점에서 교차하고 있는 교점을 도출하되, 하나의 교점에서 교차하는 곡선의 수가 설정갯수(예컨대 5개) 이상인 교점들만을 남기면 도 8의 (b)와 같이 파라미터 공간상에 다수의 교점들(원으로 표시된 부분)이 남게 된다.

도 8의 (b)의 파라미터 공간에서 나타나는 교점들을 다시 이미지 상으로 변환하여 직선을 생성시키면, 파라미터 공간에 남아 있던 각각의 교점들은 도 9와 같이, 이미지상에서 1 대 1로 매칭되는 다수의 직선으로 변환된다. 그 직선들이 특이점들 중 유동경계선(9) 상에 위치하는 특이점들을 연결한 것으로 판단되는 연결라인(50)들이 된다.

다수의 연결라인(50)이 도출된 후, 다수의 연결라인(50)이 가장 많이 교차하는 영역을 아일랜드(6)로써 도출한다.(S50단계)

연결라인(50)들의 교차점이 다수 발생하여 분포하면, 제어수단(30)은 이미지 상에서 가장 많은 교차점이 발생한 영역을 탐색하여 아일랜드(6)의 위치를 도출한다. 이 때, 가장 많은 교차점이 발생하는 영역은 설정된 탐색면적 내에 가장 많은 교차점이 위치하는 영역으로서, 그 영역의 중심점을 아일랜드(6)의 중심점으로 한다.

이 후, 도 10과 같이, 획득된 아일랜드(6)의 중심점 좌표와 용융체 표면의 중심점(o) 사이의 거리를 측정한다.(S60단계) 용융체 표면의 중심점(o)은 시드(3)가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역의 중심점이다. 거리 측정은 픽셀(Pixel) 정보를 통하여 실제 거리를 측정할 수 있으며, 그 거리가 설정거리(fa) 이하가 되는지를 판단한다.(S60단계)

상기 거리가 설정거리(fa) 이하가 되는지를 판단하는 것은 그 발생위치가 계속 변화하는 아일랜드(6)의 위치가 시드접촉영역에 위치하게 되었는지를 판단하는 것이고, 상기 거리가 설정거리(fa) 미만이 되면, 상기 시드(3)가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역에 아일랜드(6)가 들어옴으로써 아일랜드(6)가 시드접촉영역에 위치하게 되었음을 의미한다.

이후, 상기 거리가 설정거리(fa) 미만이 되면 작업자가 인식할 수 있도록 알람정보를 제공하거나, 자동시딩(Auto seeding)을 위한 제어신호를 전송하여 시드(3)가 아일랜드(6)에 접촉하도록 작동시킨다.(S90단계)

만일, 상기 거리가 설정거리(fa) 이상이면, 다시 이미지를 획득하여 아일랜드의 위치를 도출하는 전술한 과정(S10~S60단계)이 반복된다.

다음은 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.

본 실시예에서는 아일랜드(6)가 시드접촉영역에 진입하여 시드접촉영역에 위치하게 되었는지 여부를 확인함과 함께 아일랜드(6)의 크기도 판단하여 아일랜드(6)이 크기가 설정크기 이상인 경우에만, 알람정보를 제공하거나, 자동시딩(Auto seeding)이 이루어지도록 한다.

사파이어 단결정잉곳의 성장과 관련하여서는 아일랜드(6)의 크기가 설정크기 이상인 경우에 시딩작업을 수행할 필요가 있으므로, 본 실시예의 과정이 적용된다.

도 11은 상기 다른 실시예에 따른 제어수단(30)의 작동과정을 도시하는 블록도이다.

도 11을 참고하면, 아일랜드(6)의 위치를 검출하여 융융체 표면의 중심점으로부터의 거리를 산출하고 그 거리가 설정거리(fa) 이내인지 여부를 판단하는 과정(S10~S60단계)은 전술한 실시예와 동일하다.

다만, 본 실시예에서는 아일랜드(6)의 크기를 판별하는 과정이, 아일랜드(6)의 위치를 검출하는 과정(S10~S60단계)에 이어서 진행되거나, 그 산출과정(S10~S60단계)과 병행해서 진행된다.

따라서, 본 실시예에서는 알람정보의 제공이나 자동시딩을 위한 제어신호의 발생이, 아일랜드(6)가 융융체 표면의 중심점(o)으로부터 설정거리(fa) 이내에 위치하고, 아일랜드(6)의 크기가 설정크기(fb)보다 크다는 조건을 동시에 만족하는 경우에 수행된다.

아일랜드(6)의 위치검출 및 융융체 표면의 중심점(o)으로부터의 거리를 산출하는 과정(S10~S60단계)은 전술한 실시예에서 설명한 바와 같고, 이하에서 아일랜드(6)의 크기를 판별하는 과정을 설명한다. 참고로, 아일랜드(6)는 시딩에 적합한 시점이 되면 동전크기와 같은 면적을 가진 영역으로 나타난다.

먼저 아일랜드(6)의 크기를 산출하기 위하여, 도 12의 (a)와 같이 이미지를 이진화한다. 즉, 촬영수단(20)에 의해 획득된 도 6(a)의 이미지에서 각 픽셀의 밝기가 일정수준 이하인 경우에만 밝은 색으로 나타내고, 그 수준을 넘는 밝기를 가진 픽셀은 검은 색으로 표현하는 방식으로 이진화함으로써 도 12의 (a)와 같이 변환한다.

도 12의 (a)와 같이 이진화된 이미지에서 밝은 색을 가진 픽셀들을 인접해 있는 것들끼리 묶어 그룹화시킴으로써 도 12의 (b)와 같이, 덩어리형태의 픽셀그룹(61,62)을 생성시킨다.

그와 같은 그룹화 과정에서는 공지된 컨벡스헐(convex hull) 알고리즘을 사용한다.

컨벡스헐 알고리즘은 간단하게 점들의 외각선을 그려주는 알고리즘으로서, 외곽에 있는 임의의 점 a에서 시작하여, 그 주위에서 설정거리(Rc) 이하인 점들 중 상기 임의의 점 a를 중심으로 가장 큰 각도의 방향에 위치하는 점과 연결선을 형성하고, 그 연결선이 연결된 점을 기준으로 그 주위에서 설정거리(Rc) 이하인 점들 중 가장 큰 각도의 방향에 위치하는 점과 연결선을 형성시키는 방식을 반복함으로써, 그 연결선이 외곽선이 되어 임의의 점 a에서 시작과 마침이 이루어진다. 본 실시예에서 상기 설정거리(Rc)는 1mm 또는 그 이하로 설정하는 것이 바람직하고, 경험적 판단에 의해 그 입력치를 달리할 수 있다.

컨벡스헐 알고리즘을 이용하여 도 12의 (a)의 이진화된 이미지에서 밝은색의 픽셀들을 인접해 있는 것들끼리 묶으면, 12의 (b)와 같이, 분리된 덩어리형태로 다수 픽셀그룹(61,62)을 생성할 수 있다.

그룹화과정을 거친 이미지에서 면적이 일정 수준이하인 픽셀그룹들을 삭제하고, 남아있는 픽셀그룹들을 추출하면 도 13의 (a)와 같은 픽셀그룹들(61,62)이 남게 된다. 남아 있는 픽셀그룹들(61,62)을 라벨(Label)화 하여 색을 달리하여 표현한 후, 각 라벨별로 중심좌표, 크기 등을 산출한다.

이후, 검출되어 있는 아일랜드(6)의 중심좌표와 가장 가까운 거리에 있는 중심좌표의 픽셀그룹(63)을 아일랜드(6)로 정의하고, 그 픽셀그룹의 크기를 설정크기(fb)와 비교한다.(S80단계)

비교결과, 아일랜드(6)에 해당하는 픽셀그룹(63)의 크기가 설정크기(fb)보다 크다는 조건을 만족하면, 이전에 진행된 과정에서 아일랜드(6)가 융융체 표면의 중심점(o)으로부터 설정거리(fa) 이내에 위치하는 조건하에서, 제어수단(30)은 알람정보를 제공하거나, 자동시딩(Auto seeding)이 이루어진다.(S90단계)

만일, 아일랜드(6)의 크기가 설정크기(fb) 이하이면, 다시 이미지를 획득하여 아일랜드(6)의 위치를 도출하고 아일랜드(6)이 크기를 비교하는 전술한 과정(S10~S80단계)이 반복된다.

본 발명에 따른 단결정잉곳 성장로의 아일랜드 위치검출장치 및 아일랜드 위치검출방법은 단결정잉곳이 제조되는 성장로를 자동화하기 위한 장치 및 방법으로 유용하게 이용될 수 있다. 특히, 사파이어 단결정잉곳의 제조과정에서 유용하게 활용될 수 있다.

Claims

잉곳재료가 용융되는 잉곳성장로(10)와,

상기 잉곳성장로(10)의 상부에 설치되어 용융체 표면의 이미지를 획득하는 촬영수단(20)과,

상기 촬영수단(20)이 획득한 이미지를 분석하여 아일랜드(6)의 위치를 검출하는 제어수단(30)과,

용융체의 표면에 시드(3)가 접촉하도록 하강시키기 위해 상기 잉곳성장로(10)의 상부에 설치된 시드작동수단(40)을 포함하되,

상기 제어수단(30)은

상기 이미지에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 특이점을 도출하고, 일련의 특이점들이 서로 연결되어 각각 직선을 이루게 되는 다수의 연결라인(50)을 도출하며, 그 다수개의 연결라인(50)이 서로 교차하는 영역 중 가장 많은 교차가 발생하는 영역을 아일랜드(6)로 하고, 상기 시드(3)가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역에 상기 아일랜드(6)가 위치하는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치
제1항에 있어서,

상기 제어수단(30)은

상기 다수의 특이점을 검출하기 위해,

상기 이미지 상에서 서로 평행한 다수의 측정라인을 따라 온도 또는 명도에 관한 각 데이터를 연속적으로 획득하고,

상기 특이점은 상기 다수의 측정라인 별로 상기 데이터를 미분하여 그 위치를 도출하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치
제2항에 있어서,

상기 촬영수단(20)에는

상기 촬영수단(20)과 상기 용융체 표면 사이를 차단하는 셔터와,

상기 셔터를 작동시키는 셔터작동수단(21)을 포함하고,

상기 셔터작동수단(21)은 상기 이미지의 획득을 위한 작동신호의 입력시 소정시간동안만 상기 셔터를 개방하여 상기 촬영수단(20)의 온도상승을 방지하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

표시수단을 더 포함하고,

상기 제어수단(30)은 상기 아일랜드(6)가 상기 시드접촉영역에 위치하는 경우, 상기 표시수단에 알람신호를 발생시키도록 상기 표시수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제어수단(30)은

상기 아일랜드(6)가 상기 시드접촉영역에 위치하는 경우, 상기 시드작동수단(40)이 상기 시드(3)를 용융체 표면으로 하강시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치
제2항에 있어서,

표시수단을 더 포함하고,

상기 제어수단(30)은

상기 아일랜드(6)가 상기 시드접촉영역에 위치하는 것으로 판단하고, 상기 아일랜드(6)의 크기를 판별하여 상기 아일랜드(6)의 크기가 설정크기보다 큰 것으로 판단하는 경우에,

상기 표시수단에 알람신호를 발생시키도록 상기 표시수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치
제2항에 있어서,

상기 제어수단(30)은

상기 아일랜드(6)가 상기 시드접촉영역에 위치하는 것으로 판단하고, 상기 아일랜드(6)의 크기를 판별하여 상기 아일랜드(6)의 크기가 설정크기보다 큰 것으로 판단하는 경우에,

상기 시드작동수단(40)이 상기 시드(3)를 용융체 표면으로 하강시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 아일랜드(6)의 크기를 판별하기 위하여,

상기 이미지에서 온도 또는 명도가 일정수준 이하인 픽셀을 선별하고, 그 선별된 픽셀에서 인접한 픽셀과 설정간격 이내에 있는 픽셀들을 서로 모아 덩어리화시킨 픽셀그룹(61,62,63)을 다수 형성하며, 형성된 다수의 픽셀그룹 중에서 상기 아일랜드(6)의 위치에 있는 픽셀그룹(63)의 면적을 상기 아일랜드(6)의 크기로 하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치
잉곳재료가 용융되는 잉곳성장로(10)와,

상기 잉곳성장로(10)의 상부에 설치되어 용융체 표면의 이미지를 획득하는 촬영수단(20)과,

상기 촬영수단(20)이 획득한 이미지를 분석하여 아일랜드(6)의 위치를 검출하는 제어수단(30)과,

용융체의 표면에 시드(3)가 접촉하도록 하강시키기 위해 상기 잉곳성장로(10)의 상부에 설치된 시드작동수단(40)을 포함하는 잉곳성장로의 아일랜드 위치검출장치를 이용하여 아일랜드(6)의 위치를 검출하는 방법에 있어서,

상기 촬영수단(20)에 의해 용융체 표면의 이미지를 획득하는 1단계,

상기 이미지획득단계에서 획득된 이미지에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 특이점을 도출하는 2단계,

일련의 특이점들이 서로 연결되어 각각 직선을 이루게 되는 다수의 연결라인(50)을 도출하는 3단계,

다수의 상기 연결라인(50)들이 가장 많이 교차하는 영역인 아일랜드(6)를 도출하는 4단계, 및

상기 시드(3)가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역에 상기 아일랜드(6)가 위치하는지 여부를 판단하는 5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드의 위치검출방법
제9항에 있어서,

상기 2단계에서

상기 다수의 특이점을 검출하기 위해,

상기 이미지 상에서 서로 평행한 다수의 측정라인을 따라 온도 또는 명도에 관한 각 데이터를 연속적으로 획득하고,

상기 특이점은 상기 다수의 측정라인 별로 상기 데이터를 미분하여 그 위치를 도출하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드의 위치검출방법
제9항 또는 제10항에 있어서,

상기 5단계 후,

상기 아일랜드(6)가 상기 시드접촉영역에 위치하는 경우, 표시수단에 알람신호를 발생시키는 6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드의 위치검출방법
제9항 또는 제10항에 있어서,

상기 5단계 후,

상기 아일랜드(6)가 상기 시드접촉영역에 위치하는 경우, 상기 시드작동수단(40)이 상기 시드(3)를 용융체 표면으로 하강시키는 6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드의 위치검출방법
제10항에 있어서,

상기 아일랜드(6)의 크기를 판별하는 별도의 단계를 더 포함하고,

상기 5단계 후,

상기 아일랜드(6)가 상기 시드접촉영역에 위치하는 것으로 판단되고 상기 아일랜드(6)의 크기가 설정크기보다 큰 것으로 판단된 경우에, 표시수단에 알람신호를 발생시키는 6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드의 위치검출방법
제10항에 있어서,

상기 아일랜드(6)의 크기를 판별하는 별도의 단계를 더 포함하고,

상기 5단계 후,

상기 아일랜드(6)가 상기 시드접촉영역에 위치하는 것으로 판단되고 상기 아일랜드(6)의 크기가 설정크기보다 큰 것으로 판단된 경우에, 상기 시드작동수단(40)이 상기 시드(3)를 용융체 표면으로 하강시키는 6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드의 위치검출방법
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 아일랜드(6)의 크기를 판별하기 위하여,

상기 이미지에서 온도 또는 명도가 일정수준 이하인 픽셀을 선별하고, 그 선별된 픽셀에서 인접한 픽셀과 설정간격 이내에 있는 픽셀들을 서로 모아 덩어리화시킨 픽셀그룹(61,62,63)을 다수 형성하며, 형성된 다수의 픽셀그룹 중에서 상기 아일랜드(6)의 위치에 있는 픽셀그룹의 면적을 상기 아일랜드(6)의 크기로 하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장로의 아일랜드의 위치검출방법