Surface Measurement & Manufacturing
작성자 Christopher Brown 박사
산업 제조 분야에서 표면 계측은 제품 개발, 공정 개선, 품질 보증 등에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 산업 표면 계측은 자동차 산업에서 1930년대에 시작되었고, 당시 대부분의 계측은 접촉식 센서를 사용하여 진행되었습니다. 1960년대에 마이크로 전자기기와 관련된 복잡한 구조들이 발전함에 따라 접촉 센서 자기 테이프의 측정 강도를 줄여야 할 필요성이 대두되었습니다. 더 많은 산업 분야에서 생산 및 품질 보증 공정의 일부로 표면 계측을 사용하기 시작함에 따라 비접촉식 계측 기술이 발달하기 시작했습니다.
접촉식 스타일러스에서 광학 센서로
마이크로 전자기기와 관련된 부드럽고 작은 물체에 대한 효과적인 계측을 제공하기 위해 접촉식 스타일러스에서는 계측하기 어렵거나 불가능한 경우에 계측을 제공할 수 있는 광학 센서가 개발되었습니다. 초기에는 마이크로 전자기기에만 사용된 광학 센서는 이후 기계 애플리케이션에서도 사용되기 시작했습니다. 고성능 디젤 엔진의 핵심 부품인 고압 인젝터의 경우, 완벽한 씰링 표면을 만들기 위해 광학 계측을 사용하는 제조 공정을 도입했습니다. 우주왕복선 챌린저 폭발 사고 이후, 광학 센서는 우주왕복선 폭발의 원인으로 지목된 O링 홈의 거칠기를 분석하는데 사용되었습니다.
'노이즈' 이해하기: 대량의 광학 데이터 해석
광학 장비의 특징 중 하나는 대량의 계측 데이터를 전달할 수 있다는 점입니다. 초기 광학 센서 사용자들은 계측과 그 결과로 생성된 이미지가 제공하는 데이터를 추출하는 방법을 몰랐습니다. 초기 광학 센서에서 제공한 미세 디테일은 당시 사용자들에게 '노이즈'로 인식되었습니다. 데이터 해석 방식이 발달함에 따라 광학 센서 사용자들은 이러한 '노이즈'의 대부분이 매우 유용한 계측 데이터라는 것을 깨닫기 시작했습니다. 현재 연구자들과 국제 표준 기관들은 광학 계측이 가진 잠재력을 극대화할 수 있는 데이터 해석 방식을 계속해서 발전시키고 있습니다.
모든 면 보기: 면적 계측 및 표면 측정
광학 면적 계측은 3D로 이미지를 생성할 수 있습니다. 현재 중요 씰링 애플리케이션, 마이크로 전자기기, MEMS 시스템, 나노기술, 의료 장비, 연마제, 첨단 제조업, 인류학 등에서 실행되는 표면 계측에 사용됩니다. 면적 계측은 계측값 사이의 표면 구분 및 상관 관계를 발견하는 것으로 처리 및 성능 측면에서 표면 측정에 더 큰 가치를 부여할 수 있습니다. 더 많은 표면을 관찰할 수 있는 능력을 통해 휴대전화 카메라 크기를 줄이는 것부터 제트 엔진의 연비 향상 등 다양한 기회가 새로 만들어집니다. 이외에도 면적 계측은 고정밀 금형 제조 및 다이아몬드 터닝 기계 등의 가공 도구 개발에서도 핵심적인 역할을 수행합니다.
범세계적인 계측 표준 확립
미국의 경우, Brown 박사가 수장으로 활동하는 ASME B46이 계측 표준과 표면 특성에 대한 책자를 출간합니다. 과거 구성원들의 대부분은 자동차 산업 출신이었습니다. 그러나 현재는 다양한 산업 분야 뿐만 아니라 자연 인류학과 같은 자연 과학 분야에서 활동하는 구성원들로 이루어져 있습니다.
표면 측정의 첫 표준은 1940년, 미국에서 개발되었습니다. 이후 미국 표준이 전세계적으로 사용(미국이 면적 계측 관련 표준을 주도적으로 개발)되고 있습니다. Brown 박사가 속한 ISO 위원회 TC213은 현재 개별적으로 사용할 수 있는 여러 표면 측정 표준들을 제공합니다.
레이저 스캐닝 컨포칼 현미경과 미래 과제
비접촉식 광학 계측은 대상의 크기, 해상도, 획득 속도 등의 여러 측면에서 다양한 장점을 제공합니다. 광학 계측의 전체적인 성능은 뛰어나며, 이론 상으로 가장 높은 해상도(연구에 따르면 500nm 크기의 홈을 관찰 맟 계측 가능)를 얻을 수 있습니다.
Brown 박사가 진행하고 있는 연구에서 레이저 스캐닝 컨포칼 현미경은 가장 유용한 광학 계측 시스템 중 하나입니다. 이는 수평 및 수직 방향으로 균형 잡힌 고해상도를 제공하기 때문입니다. 지난 30년간 이 분야가 이룬 성장은 실로 대단합니다. 과거 수천개의 높이 프로필을 계측할 수 있었던 시스템이 이제 레이저 스캐닝 현미경을 통해 1600만개의 높이 프로필(1024 또는 4096의 픽셀 크기 선택 시)을 계측할 수 있으며, 그 값은 합성 사용 시 더욱 커집니다.
레이저 스캐닝 현미경이 앞으로 해결해야 하는 과제는 대부분 계측 관련 지형, 클린업, 샘플 크기, 유연성 등 계산 관련 요소들입니다. 빠르게 성장하고 있는 이 기술은 레이저 스캐닝 현미경이 계속 진화함에 따라 상기 기술한 과제들을 극복할 수 있을 것이라는 믿음을 심어줍니다.
 | Christopher Brown 박사는 우스터폴리테크닉대학 기계공학 교수이자 표면 측정 연구소 소장으로 활동하고 있습니다. 그는 과거 스위스 연방공과대학의 소재학부에서 근무하며 가공 표면을 연구했으며 Atlas Copco 유럽 연구 센터에서 근무하며 제품 및 공정 개발에도 참여했습니다. |
Olympus LEXT 레이저 스캐닝 컨포칼 현미경이 사용된 Christopher Brown 교수의 논문
- Matthew A. Gleason, Stephen Kordel, Adam Lemoine, Christopher A. Brown, Profile Curvatures by Heron’s Formula as a Function of Scale and Position on an Edge Rounded by Mass Finishing, 14th International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces (Met & Props 2013),Taipei, Taiwan, June 17-21, 2013.
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- Christopher A. Brown, Douglas R. S. Brown*, Joseph A. Feula, Gregory Hesler, Brendan M. Powers Discrimination of Surfaces using Surface Texture Measurements and Area-scale Analysis, Microscopical Society of Canada, Winnipeg, 17-19 June 2009 (extended abstract).
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