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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 인라인 상에서 마이크로 단위의 계측이 가능한 검사 시스템 개발을 위한 기초연구로 연삭 가공된 표면에서의 레이저 산란 매개변수들에 대해 고찰하였다. 또한, 실험계획법을 이용하여 암시야(dark-field) 검사법에서 이 변수들이 영상에 미치는 영향을 분석함으로써 레이저 산란 검사 시스템의 최적 조건을 선정하였다 이를 바탕으로 획득한 표면 거칠기 별 레이저 산란 영상들을 비교 분석하여 상호 간의 관계성에 대해 정성적으로 규명하였다.
- 본 논문에서는 거친 표면에서 발생하는 레이저 산란광의 크기에 영향을 미치는 매개변수와 편향되는 산란광 광로에 대해 고찰한 후 기본적인 레이저 산란광 측정 시스템을 구성하였다. 다구찌의 직교배열법에 의해 실험을 최소화하여 레이저 산란 매개변수를 최적으로 선정하였다.
제안 방법
- 는 비교용 표면거칠기 시편 제작 전문 기업으로 유럽의 여러 연구실에서 표면거칠기 비교 시 이사의 시편을 사용하고 있다.(11) 또한 본 논문의 실험에서는 표면에서의 광산란 특징을 확인하거나, 결과값으로 표면거칠기 증가에 따른 경향을 파악할 때 주로 사용하는 단위인 Ra 값을 사용하였다 皿(2)
- 다구찌의 직교배열법에 의해 실험을 최소화하여 레이저 산란 매개변수를 최적으로 선정하였다. 또한, Ra 0.
- 다음은 제어인자들의 수준을 결정하기 위해 고찰해본 결과, 레이저의 입사각의 경우 광 간섭(interference) 이 일어나는 0°를 제외하고 기구적 제한에 의해 20° ~80°의 범위를 균등하게 나누어 선정하였다. 또한 거 친 표면에서 나타나는 산란성분이 밝은 영상으로 획득되는 암시야 검사법을 선정하였기 때문에 레이저의 정반사 성분을 Fig.
- 먼저 레이저와 카메라의 중심죽을 동일평면(coplanar)에 위치시키고 검사표면의한 점에 포커스를 일치 시켰다. 또한 표준 법선에 대해 원주 방향으로 20° ~ 80° 까지 레이저와 카메라를 이동 가능하게 함으로써 다양한 레이저 입사각 구현과 함께 거친 표면에서 나타나는 레이저 산란광을 카메라가 다양한 각도에서 관찰할 수 있게 하였다. 실험에 사용한 레이저는636.
- 대해 고찰하였다. 또한, 실험계획법을 이용하여 암시야(dark-field) 검사법에서 이 변수들이 영상에 미치는 영향을 분석함으로써 레이저 산란 검사 시스템의 최적 조건을 선정하였다 이를 바탕으로 획득한 표면 거칠기 별 레이저 산란 영상들을 비교 분석하여 상호 간의 관계성에 대해 정성적으로 규명하였다.
- 먼저 레이저 산란 영상에 영향을 줄 수 있는 인자들을 고찰하여 제어 가능한 인자들과 잡음 인자들을 분류하였다. 우선 산란광 광로와 광강도에 영향을 미치는 레이저의 입사각(incident angle)과 산란광을 수집하는데 중요한 카메라의 관찰각(viewing angle)이 제어인자로 존재한다.
- 이러한 경우 각각의 제어인자가 레이저 산란 영상에 미치는 영향을 도출하기에 어려움이 있으므로 재실험을 위해 오류영상들을 분석하여 제어인자를축소하였다. 먼저 획득된 레이저 산란 영상들을 Fig. 6 에 나타낸 연삭 표면의 가공결 특징과 비교하여 살펴보았다. 암시야 검사법을 사용하여 거친 표면의 골과 마루 부분에서 나타나는 정반사에 의한 산란 성분을 최소화 했기 때문에 영상에서 밝게 나타난 부분은 거친 표면의 경사진 곳에서 나타난 산란성분이라 추정할 수 있다.
- 이들 레이저 산란 영상을 분석한 결과 3 번, 5 번, 9 번 실험 영상은 CCD 세서에 수렴한 레이저 산란광의 양이 많아 포화되는 것을 알 수 있었다. 이러한 경우 각각의 제어인자가 레이저 산란 영상에 미치는 영향을 도출하기에 어려움이 있으므로 재실험을 위해 오류영상들을 분석하여 제어인자를축소하였다. 먼저 획득된 레이저 산란 영상들을 Fig.
- 이러한 광과 표면과의 관계를 고려하여 Fig. 2와 같이 레이저 산란 측정시스템을 구성하였다. 먼저 레이저와 카메라의 중심죽을 동일평면(coplanar)에 위치시키고 검사표면의한 점에 포커스를 일치 시켰다.
- 는 o i레이저의 입사각을 의미한다. 표면의 가공결 방향(①°)의 경우 레이저 입사방향에 대해 0°, 45°, 90°틀어진 조건으로 설정하여 연삭 표면의 가공결 이레이저 산란 영상에 미치는 영향을 알고자 하였다. F-number 의 경우 제어 가능한 4개의 수준 중 최소값의 경우 영상이 많은 광량에 의해 CCD 세서에 맺히는 산란광이 포화되는 경우가 많고, 최대값의 경우에는 적당량의 광량에도 불구하고 영상에서 블러링(blurring) 현상이 나타나므로 4와 8두 수준을 선정하였다.
대상 데이터
- 다구찌 직교배열법에 의해 실험을 수행한 결과 레이저 산란 영상을 Fig. 5와 같이 획득하였다. 이들 레이저 산란 영상을 분석한 결과 3 번, 5 번, 9 번 실험 영상은 CCD 세서에 수렴한 레이저 산란광의 양이 많아 포화되는 것을 알 수 있었다.
- 또한 표준 법선에 대해 원주 방향으로 20° ~ 80° 까지 레이저와 카메라를 이동 가능하게 함으로써 다양한 레이저 입사각 구현과 함께 거친 표면에서 나타나는 레이저 산란광을 카메라가 다양한 각도에서 관찰할 수 있게 하였다. 실험에 사용한 레이저는636.6nm 파장을 갖는 점 광원이고, 해상도(resolution) 1392 x 1040 에 픽 셀크기(pixel size) 4.65 仏mx 4.65 仏m를갖는 CCD Area 카메라를 사용하였다. 검사시편을 고정시켜주는 지그(jig) 부분은0° ~360° 까지 회전할 수 있어 표면의 각 방향으로 레이저 입사를 가능하게 하였다.
이론/모형
- 레이저 산란 변수들의 최적 조건을 결정하기 위한실험을 위해 다구찌 직교배열법(Tguchi orthogonal array)을 적용하였다. 실험에 있어서 다구찌 직교배열법을 사용하는 이유는 다양한 인자와 수준이 존재할 경우 실험을 최소화 할 수 있고 최적 조건을 선정함에 있어 유리하며 실험의 재현이 용이하기 때문이다。3)
성능/효과
- 따라서, SN 비 값과 분산분석 그래프를 통해 확인한 결과 레이저 입사각 80°, 카메라 관찰각 0°, 가공결 방향 90°, F-number 는 4 일 경우가 거친표면에서 레이저 산란을 이용하여 표면 검사를 할 경우 최적 조건임을 확인하였다.
- 다구찌의 직교배열법에 의해 실험을 최소화하여 레이저 산란 매개변수를 최적으로 선정하였다. 또한, Ra 0.05 四~1.6 ㎛를 갖는 연삭 표면에 대해 선정된 매개변수를 적용하여 레이저 산란 영상을 얻은 결과 최적 조건임을 확인할 수 있었다. 표면거칠기 별레이저 산란 영상의 비교와 분석을 통해 표면 거칠기가 증가함에 따라 레이저 산란 영상에서의 산란광 분포가 선형성을 보이며 증가함과, 표면 거칠기가 커질수록 표면의 특성을 나타내는 산란광의 특징이 잘 나타남을 정성적으로 규명하였다.
- 거친 표면에서 나타나는 산란성분의 특징이 연삭 표면의 특징을 전반적으로 잘 표현함을 알 수 있다. 또한, 표면거칠기가 증가함에 따라 영상에 나타나는 레이저 산란성분과 그렇지 못한 레이저 정반사성분의 특징을 더욱 명확하게 보이는 것도 확인할 수 있다. 이는 거칠기가 커질수록 가공표면의 특징인 가공결의 간격이 멀어져서 나타나는 특징이라 판단된다.
- 5와 같이 획득하였다. 이들 레이저 산란 영상을 분석한 결과 3 번, 5 번, 9 번 실험 영상은 CCD 세서에 수렴한 레이저 산란광의 양이 많아 포화되는 것을 알 수 있었다. 이러한 경우 각각의 제어인자가 레이저 산란 영상에 미치는 영향을 도출하기에 어려움이 있으므로 재실험을 위해 오류영상들을 분석하여 제어인자를축소하였다.
- 암시야 검사법을 사용하여 거친 표면의 골과 마루 부분에서 나타나는 정반사에 의한 산란 성분을 최소화 했기 때문에 영상에서 밝게 나타난 부분은 거친 표면의 경사진 곳에서 나타난 산란성분이라 추정할 수 있다. 이를 바탕으로 3 번 영상을 분석 하면 가공결의 경우 입사광에 직교하는 방향이고, 카메라 관찰각이 레이저의 입사각보다 크다. 이는 레이저의 입사광이 카메라와 마주보는 거친 표면의 경사면에 스침(grazing) 입사각으로 조사되어 강한 산란 성분이 카메라로 수렴되어 영상이 포화되는 것이라 판단된다.
- 6 ㎛를 갖는 연삭 표면에 대해 선정된 매개변수를 적용하여 레이저 산란 영상을 얻은 결과 최적 조건임을 확인할 수 있었다. 표면거칠기 별레이저 산란 영상의 비교와 분석을 통해 표면 거칠기가 증가함에 따라 레이저 산란 영상에서의 산란광 분포가 선형성을 보이며 증가함과, 표면 거칠기가 커질수록 표면의 특성을 나타내는 산란광의 특징이 잘 나타남을 정성적으로 규명하였다. 향후, AFM 측정을 통해 얻은 시편표면의 형상과 정성적으로 얻은 결과와 비교 분석할 예정이고, 인라인 상에서 여러 방식으로 가공된 표면을 강건하게 검사 및 측정할 수 있는 시스템을 연구할 예정이다.
후속연구
- 11에서는 표면 거칠기가 증가함에 따라 그래프 역시 어느 정도의 선형성을 유지하고 있음을 알 수 있다. 이를 통해 레이저 산란영상을 이용하여 표면 거칠기를 측정할 수 있으리라 판단되며, 선형성이 약하게 나타난 것은 실험상의 잡음의 영향일수도 있겠지만, 측정방식에 있어서 전체 면적에 대해 측정하지 않고 표본 실험을 수행함으로서 발생하는 문제일 것으로 판단된다.
- 표면거칠기 별레이저 산란 영상의 비교와 분석을 통해 표면 거칠기가 증가함에 따라 레이저 산란 영상에서의 산란광 분포가 선형성을 보이며 증가함과, 표면 거칠기가 커질수록 표면의 특성을 나타내는 산란광의 특징이 잘 나타남을 정성적으로 규명하였다. 향후, AFM 측정을 통해 얻은 시편표면의 형상과 정성적으로 얻은 결과와 비교 분석할 예정이고, 인라인 상에서 여러 방식으로 가공된 표면을 강건하게 검사 및 측정할 수 있는 시스템을 연구할 예정이다.
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