[논문]백색광 주사간섭법을 이용한 표면미세형상 측정과 그 적용

성용주; 류정용; 송봉근

문제 정의

최근 들어 기존의 다양한 표면측정방법들이 가지고 있는 단점들을 보완하면서 좀더 정밀하게 표 면구조를 측정할 수 있는 방법들이 많이 개발되는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 최근 주목받고 있는 백색광의 간섭무늬를 이용하는 WLKWhite Light Interferometer)를 소개하고 종이표면구조 연구에의 적용가능성을 알아보고자 한다. 빛의 파 동성을 응용한 이 방법은 반도체나 평판디스플레이 등의 전자 산업 등 좀 더 정밀한 표면 가공 부품의 미세표면구조를 검사하는데 널리 사용되고 있는데, 나노미터의 정밀도로 간단하고 빠르게 표면을 측정 할 수 있어서 지류제품의 표면미세구조특성을 평가 하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
본 연구에서는 전자부품의 표면미세구조를 나노 미터의 해상도로 검사하는 목적으로 개발되어진 백 색광 주사간섭 법을 종이제품, 인쇄물 및 코팅제품의 표면 평가에 적용하여 보았다. 표면이 거친 산업 용지의 경우 각 목재섬유 및 와이어에 의한 표면의 마크를 확인할 수 있었고 아트지의 경우에는 미세한 표면 거칠기의 변이를 평가할 수 있었다.
빛의 파 동성을 응용한 이 방법은 반도체나 평판디스플레이 등의 전자 산업 등 좀 더 정밀한 표면 가공 부품의 미세표면구조를 검사하는데 널리 사용되고 있는데, 나노미터의 정밀도로 간단하고 빠르게 표면을 측정 할 수 있어서 지류제품의 표면미세구조특성을 평가 하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 본고에서는 측정원리 및 종이표면구조에의 적용가 능성 등을 살펴보고자 하였다.

제안 방법

조명의 입사각을 낮추어 음영을 줌으로써 표면에서의 돌출부분 및 골 등을 더욱 뚜렷하게 발견할 수 있었다. 실제 표면 에서 이러한 변이들의 실제 크기 등을 더욱 정확히 정략적으로 평가하기 위하여 표면의 삼차원 프로파 일을 측정하였다.
48 mm). 이러한 단 점을 극복하기 위해서 본 실험에 사용된 표면측정 기의 경우 넓은 면적에 대하여 여러 개의 작은 이미 지를 측정하고 그러한 각각의 이미지들을 합쳐서 큰 면적을 다시 구성하여 분석하는 Stitching Mode를 적용하였다.

대상 데이터

이러한 각각의 화소에서의 높이에 대한 정보들은 전체 화소에서 동시에 저장되어 3D 프로파일 정보로 제 공되어진다. 본 연구에서는 640x480개의 화소로 이루어진 CCD 센서를 기준으로 3차원 미세 형상을 평가하였다 .
본 적용실험에서는 D사에서 제조된 라이너지의 이면을 측정하였는데 그 표면의 현미경(100 이미 지는 Fig. 5에 나타낸 바와 같다. 조명의 입사각을 낮추어 음영을 줌으로써 표면에서의 돌출부분 및 골 등을 더욱 뚜렷하게 발견할 수 있었다.

이론/모형

5. The surface image of a liner board paper obtained with low angle illumination method.
특히, 지폐 및 우표 등의 고급 인쇄물의 경우 인쇄물의 표면특성 및 인쇄된 면의 잉크도막특성 등의 평가는 더욱 중요하다 할 수 있겠다 실례로 현재 사용되고 있는 천원지폐의 경우 다양한 방식으로 인쇄가 되는데 요판인쇄(Intaglio Printing)가 적용된 경우에는 인쇄면의 잉크가 돌출되는 특성을 가지게 된다. 이러한 경우에 잉크도막의 두께 등을 본 연구에 적용된 백색광 주사간섭법을 사용하여 평가하여 보 았다.

성능/효과

표면이 거친 산업 용지의 경우 각 목재섬유 및 와이어에 의한 표면의 마크를 확인할 수 있었고 아트지의 경우에는 미세한 표면 거칠기의 변이를 평가할 수 있었다. 또한 양각인쇄된 인쇄면 에서의 잉크도막을 평가하는데도 적절한 측정방법임을 확인하였다.
하지만 골판지 표면지의 경우, 특히 인쇄용지와 비교해 매우 거친 표면을 가지고 있어서 범용의 표 면특성평가 방법, 즉 기체의 흐름으로 간접적인 평가를 하는 방법으로 평가하기에는 그 거칠은 정도와 변이가 과도한 문제점이 있었다. 본 연구에서 적용된 백색광 주사간섭법은 이러한 거친 표면의 미세구조를 평가하는데 유용하였는데, 특히 일정 면적의 평균값을 제공해오던 간접측정 방법에 비해 각 부분 에서의 변이와 펠트 또는 와이어 마크 등을 평가할 수 있는 삼차원 표면 프로파일을 얻을 수 있었다.
8에는 인쇄용 아트지의 표면미세구조 3D 프로파일이 나타나있다. 실제 측정된 표면구조 데 이터로 계산된 평균 Ra 값은 0.62 pm 로 대단히 낮은 거칠기 값을 가지고 있지만 표면구조 맵에서 볼 수 있듯이 2~3 μm의 높이로 원지의 섬유가 코팅후 표면에서도 윤곽을 드러내 보이는 것이 확인되었다.
7에 나타나 있다. 이러한 라인 프로 파일을 통해 실제 표면구조에서의 높낮이 변이를 계량적으로 평가할 수 있는데 각 골 사이의 간격은 0.8 mm 정도이고 골의 깊이는 약 45 micrometer 인 것을 확인할 수 있었다. 이러한 정량적 분석을 통해 종이의 표면미세구조에 대한 더욱 정확한 정보를 확보할 수 있을 것으로 생각된다.
5에 나타난 라이너 지 이면의 3차원 미세표면구조를 측정한 결과이다. 이를 통해서 표 면에 두드러진 섬유의 위치 및 그 높이 등을 확인할 수 있었고 특히 규칙적으로 존재하는 와이어 마크 의 계량적 평가가 가능한 것을 알 수 있었다.
5에 나타낸 바와 같다. 조명의 입사각을 낮추어 음영을 줌으로써 표면에서의 돌출부분 및 골 등을 더욱 뚜렷하게 발견할 수 있었다. 실제 표면 에서 이러한 변이들의 실제 크기 등을 더욱 정확히 정략적으로 평가하기 위하여 표면의 삼차원 프로파 일을 측정하였다.
투명한 고분자 폴리머 라미네이트 용지의 경우 필름이 투명함에도 불구하고 표면의 미세구조를 평가하는데 어려움이 없었을 뿐만 아니라 광택도의 국부적 변이를 가져오는 투명필름의 미세구조의 변 이를 확인할 수 있었다.
11의 (a)에서보여진 광택도의 변이를 가져올 수 있는 표면미세 구조의 변이는 약 200-300 ym의 직경에 약 2~3 μm의 높이 또는 깊이를 가지는 굴곡들로 인해 기인 하는 것을 알 수 있었다. 특히 각 미세표면 자체는 안료 코팅 (Fig. 8)이나 종이 표면 (Fig. 10)에 비해 상대적으로 보다 균일한 면을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 전자부품의 표면미세구조를 나노 미터의 해상도로 검사하는 목적으로 개발되어진 백 색광 주사간섭 법을 종이제품, 인쇄물 및 코팅제품의 표면 평가에 적용하여 보았다. 표면이 거친 산업 용지의 경우 각 목재섬유 및 와이어에 의한 표면의 마크를 확인할 수 있었고 아트지의 경우에는 미세한 표면 거칠기의 변이를 평가할 수 있었다. 또한 양각인쇄된 인쇄면 에서의 잉크도막을 평가하는데도 적절한 측정방법임을 확인하였다.

후속연구

1 나노미터까지도 가능한 것으로 알려져 있다. 본 장비의 repeatability (10 nm)를 고려하여도 나노미터 수준에서의 미세형상 및 거칠기를 측정할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 각각의 화소에서의 높이에 대한 정보들은 전체 화소에서 동시에 저장되어 3D 프로파일 정보로 제 공되어진다.
이러한 백색광 주사간섭법은 측정 해상도가 대 단히 뛰어나고 속도가 상대적으로 빠르며 또한 측정이 간편하여 앞으로 다양한 종이, 인쇄 및 포장물 질의 표면미세구조 평가에 용이하게 사용될 것으로 기대된다.
8 mm 정도이고 골의 깊이는 약 45 micrometer 인 것을 확인할 수 있었다. 이러한 정량적 분석을 통해 종이의 표면미세구조에 대한 더욱 정확한 정보를 확보할 수 있을 것으로 생각된다.
실제 아트지 표면 미세구 조에 영향을 미치는 원인으로는 도공원지를 이루는 목재섬유들의 불균일한 분포와 도공안료의 응집 혹은 각 도공안료의 불균일한 분포를 들 수 있다. 특히 도공원지 지합의 변이와 그에 따라 안료 코팅 후 형성되는 불균일한 도공층, 그리고 뒤이은 캘린 더링에 의한 도공층 변화 등의 복합적인 원인으로 국소지 역에 따라서 표면 거 칠기가 달라지는 문제점이 유발되는데 이것을 해결하기 위해서는 전체 아 트지에서의 평균 거칠기가 아닌 각 부분별로 발생할 수 있는 거칠기 또는 표면미세구조의 변이에 대한 측정 방법으로 백색광 주사간섭법을 적용하는 시도가 유효할 것으로 기대되었다.

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