WO2022025699A1 - 이물 검출 장치 및 검출 방법 - Google Patents

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infrared
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박정호
오은호
김태수
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention claims the benefit of the filing date of Korean Patent Application No. 10-2020-0095886 filed with the Korean Intellectual Property Office on July 31, 2020, and all of the contents are included in the present invention.
  • the present invention is an inspection during the battery manufacturing process
  • the present invention relates to a foreign material detection apparatus and a detection method capable of easily detecting a metal foreign material present on a surface of an object.
  • metal foreign substances may occur in mechanical mold processing (swaging, beading, etc.) of the exterior.
  • Metal foreign substances such as fine metal chips or particles generated during mechanical processing may cause an electric short, which in turn may cause battery failure. Therefore, after the swaging and beading process, the presence of fine metal particles on the upper part of the jelly roll on which the electrode and the separator are rolled and the upper part of the insulating layer for electrical insulation of the electrode upper cap must be removed in advance through a process such as a vision inspection.
  • the diameter of the metal foreign material is 100 ⁇ m or less, it is difficult to identify the metal foreign material unless a microscope having a large magnification is used. In addition, it may be difficult to distinguish it from simple non-metallic dust.
  • a conventional foreign material detection apparatus determines whether a foreign material exists in a battery (hereinafter, referred to as an 'inspection object') using the light scattering method on the surface of the battery case.
  • the conventional foreign object detection apparatus detects a foreign object in a manner that, after irradiating a straight line light to an inspection object at a predetermined angle of incidence, the reflection angle of the reflected light is different from the incident angle, which is regarded as diffuse reflection by the foreign material.
  • This method has the advantage of having a simple structure since the sensor is installed at a predetermined angle.
  • the conventional foreign material detection apparatus may diffuse light at an angle different from the incident angle, and there is a problem in that this case may be mistaken for a foreign material.
  • the present invention has been devised to solve the above-described problems, and by analyzing the characteristics reflected from the surface of the inspection object through a thermal image recording unit after emitting electromagnetic waves of a far-infrared wavelength toward the inspection object during the battery manufacturing process, the surface of the inspection object
  • An object of the present invention is to provide a foreign material detecting apparatus and a foreign material detecting method capable of easily detecting a metal foreign material present in the .
  • the infrared emitting unit for irradiating infrared rays toward the object to be inspected; an optical unit for amplifying an infrared signal reflected from a metal foreign material present on the surface of the object to be inspected or filtering to obtain a desired signal; and a thermal image recording unit configured to detect whether a metal foreign material is present on the surface of the object to be inspected and the size and location of the metal foreign material through the amplified infrared signal.
  • the infrared emitting unit may maximize the reflected signal from the metal foreign material without increasing the temperature of the object to be inspected by emitting electromagnetic waves having low energy in the far-infrared band (7 to 14 ⁇ m).
  • the infrared emitting unit may be disposed spaced apart on an upper central axis of the object to be inspected, and the optical unit and the thermal image recording unit may be sequentially spaced apart from each other on an upper central axis of the infrared emitting unit.
  • the infrared emitting unit may further include a through hole formed along the central axis, so that the infrared signal reflected from the surface of the inspection object may reach the optical unit and the thermal image recording unit through the through hole.
  • the through hole may be formed to be the same as or larger than the diameter of the object to be inspected.
  • the optical unit may selectively include any one of a polarizing plate, a waveplate, and a band pass filter.
  • the thermal image recorder may include a focal plane array (FPA) and a lens configured of a sensor array for detecting the infrared signal to record the spatial position of the infrared signal.
  • FPA focal plane array
  • the foreign object inspection apparatus having the above configuration can analyze the characteristics reflected from the inspection object through the thermal image recording unit after emitting electromagnetic waves in the far-infrared band toward the inspection object, so that the The presence or absence of a metal foreign material, as well as the size and position of the metal foreign material, can be easily specified.
  • the infrared emitting unit may use a low power that hardly raises the temperature of the object to be inspected when selecting a light source for irradiating far-infrared rays as the infrared emitting unit uses light reflected when detecting a metal foreign object.
  • This technology is different from recognizing metal particles through reflective imaging caused by scattering of fine particles in the visible light region used by the existing vision optical system, by applying a minute light source (heat source) in the long wavelength infrared region to reflect the reflected light by the metal particles.
  • a minute light source heat source
  • This is a method of increasing the resolution by using the high reflectivity of metals at long wavelengths compared to short wavelengths. It is possible to distinguish other foreign substances such as organic/inorganic dust or dust with insulating properties similar to foreign metal particles that are difficult to distinguish in the existing vision method. It is possible to secure a resolution capable of discriminating and detecting the existing metal particles through the infrared region imaging described in the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic side view showing a foreign material detection device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a foreign material detection process using the foreign material detection apparatus according to the present invention
  • FIG. 3 and 4 are experimental results comparing the performance of the foreign material detection apparatus according to the present invention
  • FIG. 5 is a graph showing the difference in sensitivity of the thermal image according to the size of the metal foreign material detected by the foreign material detection apparatus according to the present invention to be.
  • inspection object 11 battery can
  • FIG. 1 is a schematic side view showing a foreign material detecting apparatus according to the present invention.
  • the foreign material detecting apparatus 100 may include an infrared emitting unit 110 , an optical unit 120 , and a thermal image recording unit 130 .
  • the inspection object 10 includes a cylindrical battery can 11 constituting the exterior of the battery, and a cell 13 that is rolled in a jelly-roll shape accommodated inside the battery can 11 and , which is laminated on the upper surface of the cell 13 and may include an insulator 15 made of a nonwoven fabric to prevent a short circuit caused by a metal foreign material P.
  • an insulator 15 made of a nonwoven fabric to prevent a short circuit caused by a metal foreign material P.
  • P metal foreign material
  • the infrared radiation unit 110 may irradiate infrared rays toward the object 10 to be inspected.
  • the infrared emitting unit 110 may be composed of a radiator having an appropriate energy enough to hardly heat the surface of the inspection object 10 .
  • the infrared emitting unit 110 emits electromagnetic waves having low energy in the far-infrared band (7 to 14 ⁇ m) enough to cause infrared reflection from the metal foreign material P existing on the surface of the object 10 to be inspected. can be radiated.
  • the far-infrared band radiated from the infrared emitter 110 is an electromagnetic wave in a band that a general object emits at room temperature, and the infrared emitter 110 can be easily implemented without a special light source.
  • the metal foreign material P has a high far-infrared reflection characteristic. Therefore, only a heat source (infrared emitting part) of about a low temperature (approximately 36.5° C.) generated by a human hand makes the infrared signal reflected by the metal foreign body P prominently appear through the thermal image recording unit 130 to be described later. can
  • the far-infrared (7 ⁇ 14 ⁇ m) band emitted from the infrared emitting unit 110 can maximize the infrared reflection signal from the metal foreign material P without increasing the temperature of the inspection object 10 much.
  • the thermal image recording unit 130 may have a resolution sufficient to accurately specify even a metal foreign material P having a size of several tens of ⁇ m.
  • the infrared emitter 110 preferably uses an infrared emitter of appropriate energy (eg, a human hand, an organic material having an infrared emissivity of an appropriate temperature, a polymer, etc.).
  • the infrared radiation unit 110 as described above may be spaced apart on the central axis of the upper side of the inspection object 10 .
  • the optical unit 120 and the thermal image recording unit 130 may be sequentially spaced apart from each other on the same central axis above the infrared emitting unit 110 .
  • the infrared radiation unit 110 may have a through hole 111 formed along a vertical central axis.
  • the through hole 111 allows the infrared signal reflected from the surface of the inspection object 10 to easily reach the optical unit 120 and the thermal image recording unit 130 to be described later through the through hole of the infrared emitting unit 110 . can make it happen
  • the through hole 111 may be formed to be equal to or larger than the diameter of the object 10 to be inspected.
  • the optical unit 120 may amplify an infrared signal reflected from the metal foreign material P existing on the surface of the inspection object 10 through an optical effect or filter it to obtain a desired signal.
  • the optical unit 120 may selectively apply a polarizing plate, a waveplate, a band pass filter, or the like.
  • the thermal image recording unit 130 may detect whether a metal foreign material P is present on the surface of the inspection object 10 through the infrared signal amplified through the optical unit 120 .
  • the thermal image recording unit 130 may include a thermal image camera, a computer, and the like.
  • the thermal image recording unit 130 may include a close-up lens to enlarge the image in the thermal image recording unit 130 to increase detection power.
  • the thermal image recording unit 130 determines the size and position of the metal foreign material P, not the degree of determining whether the metal foreign material P is present in the inspection object 10 through the array sensor (not shown) of the thermal image camera. can detect
  • the thermal image recording unit 130 can accurately record the spatial position of the infrared signal by including a focal plane array (FPA) including a sensor array for detecting an infrared signal and a lens.
  • FPA focal plane array
  • the array sensor of the thermal image recording unit 130 is disposed on the same central axis as the infrared emitting unit 110 at the same angle. That is, since the present invention does not compare the incident angle/reflection angle, it may not be affected by the curvature or surface roughness of the surface of the inspection object 10 .
  • the infrared emitting unit 110 irradiates far-infrared rays in a band of 7 to 14 ⁇ m toward the test object 10 ( S1 ).
  • the infrared emitting unit 110 may maximize the reflected signal from the metal foreign material P existing on the surface of the inspection object 10 without increasing the temperature of the inspection object 10 much.
  • the infrared signal reflected from the metal foreign material P may be amplified through the optical unit 120 or filtered to obtain a desired signal (S2).
  • the thermal image recording unit 130 records the spatial position through the infrared signal passing through the optical unit 120 to determine whether the metal foreign material 10 is present on the surface of the inspection object 10 and the size and position of the metal foreign material P. and the like can be detected (S3).
  • the metal foreign material P is simulated using aluminum powder ( ⁇ 100 ⁇ m) on the upper surface of the insulator 15 of the inspection object 10, and the infrared emitting part 110 of the present invention is applied.
  • the measurement result (orange image portion) of the thermal image recording unit 130 and the measurement result (black and white image portion) of the optical microscope (x100) were compared with each other.
  • the heat source was irradiated with an infrared light source or a heat source in a way that the hand was placed around the detection unit based on the body temperature of the person, and particle-type contamination (single particles with a diameter of >20 ⁇ m or more) and fiber-type contamination ( ⁇ 10 The form in which ⁇ m particles are gathered in the fiber) was compared respectively.
  • the optical microscope actually saw the position of the metallic foreign material (P) on the fiber, and the measurement result of the thermal image recording unit 130 shows that the thermal image signal is actually captured at the metallic foreign material (P) position confirmed by the optical microscope.
  • the detection resolution of contamination can be increased.
  • the difference in thermal image signal sensitivity according to the size of the metal foreign material P was investigated.
  • the heat source was human hands.
  • the metal foreign material P having a size of 24.64 ⁇ m is close to the resolution limit of the thermal imager of the thermal image recording unit 130 and is not significantly distinguished from noise.
  • the size of the metal foreign material P must be at least 30 ⁇ m or more to be distinguished from noise.
  • the infrared signal itself is small, it is judged that there is a difference in resolution only when a close-up lens is used.
  • the measurable size of the metal foreign material P may be smaller than 30 ⁇ m.

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Abstract

본 발명은 배터리 제조 공정 중 검사 대상물을 향해 원적외선 대역 파장의 전자기파를 방출한 후 검사 대상물의 표면에서 반사되는 특성을 열화상 기록부를 통해 분석함으로써, 검사 대상물 표면에 존재하는 금속 이물을 용이하게 검출할 수 있도록 한 이물 검출 장치 및 이물 검출 방법에 관한 것이다.

Description

이물 검출 장치 및 검출 방법
본 발명은 2020년 07월 31일에 한국특허청에 제출된 한국 특허출원 제10-2020-0095886호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 발명에 포함된다.본 발명은 배터리 제조 공정 중 검사 대상물 표면에 존재하는 금속 이물을 용이하게 검출할 수 있는 이물 검출 장치 및 검출 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 원통형 배터리 제조 공정 중 금속 이물은 외관의 기계적 금형 가공(스웨이징, 비딩 등)에서 발생할 수 있다. 기계적 가공 과정에서 발생한 미세한 금속 부스러기 또는 입자와 같은 금속 이물은 전기적인 쇼트의 원인이 될 수 있으며, 결국 배터리의 고장 원인이 될 수 있다. 따라서 스웨이징, 비딩 공정 후, 전극과 분리막을 말아놓은 젤리롤 상부와 전극 상부 캡의 전기적 절연을 위한 절연층 상부 미세 금속 입자들의 존재 여부를 비전 검사 등의 과정을 통해 사전에 제거되어야 한다.
그러나 금속 이물의 직경이 100㎛ 이하인 경우에는 큰 배율의 현미경을 사용하지 않는 이상 금속 이물이 특정되기 어렵다. 아울러 금속성이 아닌 단순한 먼지와 구분이 어려울 수 있다.
이와 같이 배터리 제조 공정 중 이물을 검출하기 위한 장치에 대하여 종래 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0029011호(공개일: 2011.03.22.) 등으로 선 출원된 바 있다.
종래의 이물 검출 장치는 전지케이스 표면을 광 산란법을 이용하여 배터리(이하, '검사 대상물'이라 함) 내의 이물질 여부를 판별해주게 된다.
구체적으로, 종래의 이물 검출 장치는 검사 대상물에 기설정된 입사각도로 직선광을 조사한 후, 반사광의 반사 각도가 입사각도와 다른 경우 이를 이물에 의한 난반사로 간주하는 방식으로 이물을 검출해준다. 이러한 방식은 정해진 각도에 센서가 설치되어 구조가 간단한 장점이 있다.
그러나 종래의 이물 검출 장치는 검사 대상물의 표면이 거칠거나 굴곡지게 형성된 경우에도 이를 입사각도와 다른 각도로 빛을 난반사 시킬 수 있으며, 이 경우를 이물로 오인하는 경우가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 배터리 제조 공정 중 검사 대상물을 향해 원적외선 대역 파장의 전자기파를 방출한 후 검사 대상물의 표면에서 반사되는 특성을 열화상 기록부를 통해 분석함으로써, 검사 대상물 표면에 존재하는 금속 이물을 용이하게 검출할 수 있도록 한 이물 검출 장치 및 이물 검출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 이물 검출 장치는, 상기 검사 대상물을 향해 적외선을 조사해주는 적외선 방사부; 상기 검사 대상물의 표면에 존재하는 금속 이물로부터 반사되는 적외선 신호를 증폭시켜주거나 원하는 신호를 얻을 수 있도록 필터링해주는 광학부; 및 상기 증폭된 적외선 신호를 통해 상기 검사 대상물의 표면에 금속 이물이 존재하는지와 금속 이물의 크기와 위치를 검출해주는 열화상 기록부;를 포함할 수 있다.
이 경우 상기 적외선 방사부는, 원적외선 대역(7 ~ 14㎛)의 낮은 에너지를 가지는 전자기파를 방사하여 상기 검사 대상물의 온도를 많이 높이지 않으면서 상기 금속 이물로부터의 반사 신호를 극대화시킬 수 있다.
또한 상기 적외선 방사부는 상기 검사 대상물의 상측 중심축선 상에 이격 배치되고, 상기 광학부와 열화상 기록부는 상기 적외선 방사부의 상측 중심축선 상에 순차적으로 이격 배치될 수 있다.
또한 상기 적외선 방사부는, 상기 중심축선을 따라 관통홀이 형성된 것을 더 포함하여, 상기 검사 대상물의 표면에서 반사되는 적외선 신호가 상기 관통홀을 통해 상기 광학부 및 열화상 기록부에 도달할 수 있다.
또한 상기 관통홀은, 상기 검사 대상물의 직경과 동일하거나 크게 형성될 수 있다.
또한 상기 광학부는, 편광판, 파장판(Waveplate), 밴드 패스 필터(band pass filter) 중 어느 하나를 선택적으로 포함할 수 있다.
또한 상기 열화상 기록부는, 상기 적외선 신호를 감지하기 위한 센서 배열로 이루어진 초점면 배열(FPA, Focal plane array) 및 렌즈를 포함하여, 상기 적외선 신호의 공간적 위치를 기록할 수 있다.
상기 이물 검출 장치를 이용한 이물 검출 방법에 있어서,
검사 대상물을 향해 7 ~ 14㎛ 대역의 원적외선을 조사하는 단계;
상기 검사 대상물의 표면에 존재하는 금속 이물로부터 반사되는 적외선 신호를 증폭시키거나 원하는 신호를 얻을 수 있도록 광학부를 통해 필터링하는 단계; 및 상기 광학부를 거친 적외선 신호를 통해 공간적 위치를 기록하여 상기 검사 대상물의 표면에 금속 이물이 존재하는지와 금속 이물의 크기와 위치를 검출해주는 단계;를 포함할 수 있다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 이물 검사장치는, 검사 대상물을 향해 원적외선 대역의 전자기파를 방출한 후 검사 대상물에서 반사되는 특성을 열화상 기록부를 통해 분석할 수 있음으로써, 검사 대상물 표면에 존재하는 금속 이물의 여부는 물론 금속 이물의 크기 및 위치를 용이하게 특정할 수 있다.
이 경우 적외선 방사부는 금속 이물 검출 시 반사되는 빛을 사용함에 따라 원적외선을 조사하기 위한 광원의 선택 시 검사 대상물의 온도를 거의 올리지 않는 낮은 파워를 사용할 수 있다.
또한 낮은 파워의 광원을 이용함에 따라, 금속 이물에 의한 시그널을 만들 수 있으면서도 검사 대상물 주변의 온도는 올라가지 않음으로 금속 이물 검출의 해상도를 높일 수 있다.
해당 기술은 기존 비젼 광학 시스템이 이용한 가시광선 영역의 미세 입자의 산란에 기인한 반사형 이미징을 통해 금속입자를 인식하는 것과 달리 긴파장의 적외선 영역의 미소 광원(열원)을 가하여 금속 입자에 의한 반사광을 검출 및 이미지화하는 형태로 짧은 파장영역 대비 긴 파장에서 금속의 반사율이 높은 특성을 이용하여 해상도를 높이는 방식이다. 기존 비젼 방식에서 구별하기 어려운 이물 금속 입자와 유사한 미세 입경을 갖는 절연특성을 갖는 유/무기 성분의 먼지 또는 분진 등의 다른 이물 구분이 가능하며 가시광 영역에서 난반사 또는 산란을 일으키는 거칠기를 갖는 기재 상부에 존재하는 금속입자의 구별을 본 발명에서 기술한 적외선 영역의 이미징을 통해 구별하여 검출할 수 있는 분해능을 확보할 수 있다.
해당기술은 기존의 일정량의 에너지를 대상물에 가하여 가열을 통한 온도 상승 통해 상이한 방사율을 갖는 물체를 구분해내는 방식과는 달리 미소한 적외선 영역의 광원을 입사시켜 금속의 높은 반사특성을 이용하여 선택적인 반사광을 검출하는 방식이다.
도 1은 본 발명에 따른 이물 검출 장치를 보여주는 개략적인 측면도,
도 2는 본 발명에 따른 이물 검출 장치를 이용한 이물 검출 과정을 보여주는 흐름도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 이물 검출 장치의 성능을 비교한 실험결과자료, 도 5는 본 발명에 따른 이물 검출 장치를 통해 검출된 금속 이물 크기에 따른 열화상 신호 감도의 차이를 보여주는 그래프이다.
※부호의 설명※
10 : 검사 대상물 11 : 배터리 캔
13 : 셀 15 : 절연체
P : 금속 이물 100 : 이물 검출 장치
110 : 적외선 방사부 111 : 관통홀
120 : 광학부 130 : 열화상 기록부
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 이물 검출 장치를 보여주는 개략적인 측면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이물 검출 장치(100)는, 적외선 방사부(110), 광학부(120), 열화상 기록부(130)를 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 검사 대상물(10)은 배터리의 외관을 구성하는 원통형의 배터리 캔(11)과, 상기 배터리 캔(11) 내부에 수용되는 젤리-롤(Jelly-roll) 형태로 말려 있는 셀(13)과, 상기 셀(13)의 상면에 적층되어 금속 이물(P)에 의한 쇼트를 방지해주는 부직포 재질의 절연체(15)를 포함할 수 있다. 이하, 본 발명에서는 이물 검출 장치(100)를 이용하여 검사 대상물(10)의 절연체(15) 상면에 금속 이물(P)이 존재하는지를 검사해주는 경우의 일례를 들어 도시하고 설명하기로 한다. 물론 이에 한정되는 것은 아니다.
적외선 방사부(110)는 검사 대상물(10)을 향해 적외선을 조사해줄 수 있다. 적외선 방사부(110)는 검사 대상물(10)의 표면을 거의 가열하지 않을 정도의 적절한 에너지를 가진 방사체로 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 적외선 방사부(110)는 검사 대상물(10)의 표면에 존재하는 금속 이물(P)에서 적외선 반사를 일으킬 수 있을 정도인 원적외선 대역(7 ~ 14㎛)의 낮은 에너지를 가지는 전자기파를 방사시킬 수 있다.
상기 적외선 방사부(110)에서 방사되는 원적외선 대역은 일반적인 물체가 상온에서 방출하는 대역의 전자기파로, 특별한 광원 없이도 손쉽게 적외선 방사부(110)를 구현해줄 수 있다.
즉 금속 이물(P)은 높은 원적외선 반사 특성이 있다. 따라서 사람 손에서 발생하는 낮은 온도(대략 36.5℃) 정도의 열원(적외선 방사부)만으로 상기 금속 이물(P)에 의해 반사되는 적외선 신호가 후술할 열화상 기록부(130)를 통해 두드러지게 나타나도록 할 수 있다.
다시 말해, 상기 적외선 방사부(110)에서 방사되는 원적외선(7 ~ 14㎛) 대역은 검사 대상물(10)의 온도를 많이 높이지 않으면서 금속 이물(P)로부터 적외선 반사 신호를 극대화시킬 수 있다. 이에 따라 열화상 기록부(130)에서는 수십 ㎛ 크기의 금속 이물(P)도 정확히 특정할 수 있을 정도의 해상도를 가질 수 있다.
만약, 상기 적외선 방사부(110)에서 방사되는 적외선에 의해 검사 대상물(10) 표면의 온도가 과도히 상승하게 되면, 검사 대상물(10) 표면의 온도가 증가하게 되고, 이로 인해 검사 대상물(10) 자체에서 적외선이 방출하게 된다. 이 경우 검사 대상물(10) 자체에서 방출되는 적외선은 금속 이물(P)에서 반사되는 적외선 신호와 섞여 구분이 어려워질 수 있다. 이에 따라 적외선 방사부(110)는 적절한 에너지의 적외선 방사체(예컨대, 사람의 손이나, 적절한 온도의 적외선 방사율을 가진 유기물, 폴리머 등)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 적외선 방사부(110)는 검사 대상물(10) 상측의 중심축선 상에 이격 배치될 수 있다. 아울러 상기 광학부(120)와 열화상 기록부(130)는 적외선 방사부(110)의 상측의 동일 중심축선 상에 순차적으로 이격 배치될 수 있다.
이 경우 상기 적외선 방사부(110)는 수직 중심축선을 따라 관통홀(111)이 형성될 수 있다. 상기 관통홀(111)은 검사 대상물(10)의 표면에서 반사되는 적외선 신호가 적외선 방사부(110)의 관통홀을 통해 후술할 광학부(120)와 열화상 기록부(130)에 용이하게 도달할 수 있도록 할 수 있다. 바람직하게, 상기 관통홀(111)은 검사 대상물(10)의 직경과 동일하거나 크게 형성될 수 있다.
광학부(120)는 검사 대상물(10)의 표면에 존재하는 금속 이물(P)로부터 반사되는 적외선 신호를 광학적인 효과를 통해 증폭시키거나 원하는 신호를 얻을 수 있도록 필터링해줄 수 있다. 이러한 광학부(120)는 편광판, 파장판(Waveplate), 밴드 패스 필터(Band pass filter) 등을 선택적으로 적용할 수 있다.
열화상 기록부(130)는 광학부(120)를 통해 증폭된 적외선 신호를 통해 검사 대상물(10)의 표면에 금속 이물(P)이 존재하는지를 검출해줄 수 있다.
이 경우 열화상 기록부(130)는 열화상 카메라, 컴퓨터 등을 포함할 수 있다. 아울러, 열화상 기록부(130)는 클로즈업 렌즈(Close-up lens)를 포함하여 상기 열화상 기록부(130)에 상을 확대하여 검출력을 높여줄 수 있다.
이러한 열화상 기록부(130)는 열화상 카메라의 어레이 센서(미도시)를 통해 검사 대상물(10)에 금속 이물(P)이 존재하는지의 판별 정도가 아니라, 금속 이물(P)의 크기 및 위치를 검출해줄 수 있다.
즉 상기 열화상 기록부(130)는 적외선 신호를 감지하기 위한 센서 배열로 이루어진 초점면 배열(FPA, Focal plane array) 및 렌즈를 포함함으로써, 상기 적외선 신호의 공간적 위치를 정확하게 기록할 수 있다.
특히, 열화상 기록부(130)의 어레이 센서는 적외선 방사부(110)와 동일 중심축선 상에 같은 각도로 배치되어 있다. 즉 본 발명은 입사각/반사각을 비교하는 방식이 아님에 따라 검사 대상물(10) 표면의 굴곡이나 표면 거칠기에 의한 영향을 받지 않을 수 있다.
그러면, 이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 이물 검출 장치(100)를 이용한 이물 검출 과정에 대하여 설명해보기로 한다.
도 2를 참조하면, 적외선 방사부(110)에서 검사 대상물(10)을 향해 7 ~ 14㎛ 대역의 원적외선을 조사해준다(S1). 이 경우 적외선 방사부(110)는 검사 대상물(10)의 온도를 많이 높이지 않으면서 검사 대상물(10) 표면에 존재하는 금속 이물(P)로부터의 반사 신호를 극대화시켜줄 수 있다.
상기 금속 이물(P)로부터 반사되는 적외선 신호는 광학부(120)를 통해 증폭되거나 원하는 신호를 얻을 수 있도록 필터링될 수 있다(S2).
그리고 열화상 기록부(130)에서는 광학부(120)를 거친 적외선 신호를 통해 공간적 위치를 기록하여 검사 대상물(10)의 표면에 금속 이물(10)이 존재하는지와 금속 이물(P)의 크기와 위치 등을 검출해줄 수 있다(S3).
한편, 도 3을 참조하면, 검사 대상물(10)의 절연체(15) 상면에 알루미늄 파우더(<100㎛)를 이용하여 금속 이물(P)을 모사하고, 본 발명의 적외선 방사부(110)를 적용한 경우(a)와, 비교 대상 열원인 할로겐 램프(우측)를 적용한 경우(b)를 제각기 구현하여 열화상 기록부(130)를 통해 비교 관측해보았다.
그 결과 도 3에서와 같이, 본 발명의 적외선 방사부(110)를 적용한 경우(a)에서와 같이 검사 대상물(10)의 주변부를 가열시키지 않고 금속 이물(P)에 의한 반사 신호만 검출되게 하여 금속 이물(P)의 검출 해상도를 높일 수 있음을 확인할 수 있었다. 검사 대상물(10)의 절연체(15) 상면에 떨어지는 금속 이물(P)이 폴리부틸렌테레프텔레이트(PBT) 소재 부직포로 이루어지는 절연체(Top cap insulator)(15)에 대비하여 적외선 반사도가 높아 용이하게 관찰될 수 있다.
또한, 도 4에서와 같이, 열화상 기록부(130)의 측정 결과(주황색 이미지 부분)와 광학 현미경(x100)의 측정 결과(흑백 이미지 부분)를 서로 비교해보았다. 이때, 열원은 사람의 체온을 기반으로 손을 검출부 주변에 갖다 대는 방식으로 적외선 광원 또는 열원을 조사하였으며, 파티클 형태의 오염(>20㎛ 이상의 직경을 가진 단일 입자)과 섬유 형태의 오염(<10㎛ 파티클이 섬유에 모여 있는 형태)를 각각 비교해보았다.
이 경우 상기 광학 현미경은 섬유 위에 금속 이물(P)이 있는 위치를 실제로 본 것이고, 열화상 기록부(130)의 측정 결과는 광학 현미경에서 확인한 금속 이물(P) 위치에서 실제로 열화상 신호가 포착된 상태를 확인한 것이다.
그 결과 본 발명에 따른 열화상 기록부(130)의 경우가 오염의 검출 해상도를 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 도 5에서와 같이, 금속 이물(P)의 크기에 따른 열화상 신호 감도의 차이를 알아보았다. 이 경우 열원은 사람 손을 이용했다.
그 결과 24.64㎛ 크기의 금속 이물(P)은 열화상 기록부(130)의 열화상 카메라 분해능 한계에 근접한 사이즈로, 노이즈와 아주 크게 구별되지 않는 것을 알 수 있다.
즉 금속 이물(P)의 크기가 적어도 30㎛ 이상은 되어야 노이즈와 구별이 될 수 있다. 또한 적외선 신호 자체가 작아서 클로즈업 렌즈를 사용해야 해상도의 변별이 있을 것으로 판단된다.
이 경우 상기 열화상 기록부(130)를 구성하는 열화상 카메라의 분해능이 높은 것을 사용하면 측정할 수 있는 금속 이물(P)의 크기가 30㎛ 보다 더 작아질 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.

Claims (8)

  1. 검사 대상물을 향해 적외선을 조사해주는 적외선 방사부;
    상기 검사 대상물의 표면에 존재하는 금속 이물로부터 반사되는 적외선 신호를 증폭시켜주거나 원하는 신호를 얻을 수 있도록 필터링해주는 광학부; 및
    상기 증폭된 적외선 신호를 통해 상기 검사 대상물의 표면에 금속 이물이 존재하는지와 금속 이물의 크기와 위치를 검출해주는 열화상 기록부;를 포함하는 이물 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 방사부는,
    원적외선 대역(7 ~ 14㎛)의 낮은 에너지를 가지는 전자기파를 방사하여 상기 검사 대상물의 온도를 많이 높이지 않으면서 상기 금속 이물로부터의 반사 신호를 극대화시킬 수 있도록 한 것인 이물 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 방사부는 상기 검사 대상물의 상측 중심축선 상에 이격 배치되고,
    상기 광학부와 열화상 기록부는 상기 적외선 방사부의 상측 중심축선 상에 순차적으로 이격 배치되는 것인 이물 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적외선 방사부는,
    상기 중심축선을 따라 관통홀이 형성된 것을 더 포함하여,
    상기 검사 대상물의 표면에서 반사되는 적외선 신호가 상기 관통홀을 통해 상기 광학부 및 열화상 기록부에 도달할 수 있도록 한 것인 이물 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 관통홀은,
    상기 검사 대상물의 직경과 동일하거나 크게 형성되는 것인 이물 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광학부는,
    편광판, 파장판(Waveplate), 밴드 패스 필터(band pass filter) 중 어느 하나를 선택적으로 포함하는 것인 이물 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열화상 기록부는,
    상기 적외선 신호를 감지하기 위한 센서 배열로 이루어진 초점면 배열(FPA, Focal plane array) 및 렌즈를 포함하여, 상기 적외선 신호의 공간적 위치를 기록할 수 있도록 한 것인 이물 검출 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 이물 검출 장치를 이용한 이물 검출 방법에 있어서,
    검사 대상물을 향해 7 ~ 14㎛ 대역의 원적외선을 조사하는 단계;
    상기 검사 대상물의 표면에 존재하는 금속 이물로부터 반사되는 적외선 신호를 증폭시키거나 원하는 신호를 얻을 수 있도록 광학부를 통해 필터링하는 단계; 및
    상기 광학부를 거친 적외선 신호를 통해 공간적 위치를 기록하여 상기 검사 대상물의 표면에 금속 이물이 존재하는지와 금속 이물의 크기와 위치를 검출해주는 단계;를 포함하는 이물 검출 방법.
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