Optical Instruments Defining the Evolution of Surface Texture Measurement in Manufacturing
작성자 Richard Leach 교수
표면 텍스처 계측 역사는 접촉식 2D 계측의 도래와 함께 약 100여년 전에 시작되었습니다. 비록 광학 장비를 사용한 계측 또한 접촉식 계측과 비슷한 수준의 역사를 가졌음에도 불구하고, 광학 장비 계측은 30여년 전까지 널리 사용되지 않았습니다. 컨포칼 장비는 약 20년 전에 도입되었고, 그 후 다양한 광학 계측 기술이 개발되었습니다. 이러한 발전은 광학 계측이 제조업 분야에서 활용될 수 있는 기회가 빠르게 증가한 시점과 맞물려 도래했으며, 앞으로도 그 수가 계속 증가할 것으로 예상되고 있습니다.
접촉식 2D 계측은 조선, 철강, 자동차 제조 분야에서 주로 활용되었습니다. 그러나 지난 20년 동안 광학, 항공우주, 의료 장치, 광전지, 플라스틱 전자 장치, 전자 종이 등을 포함한 여러 산업 분야에서 표면 텍스처 계측의 중요성이 높아지고 있습니다. 과거와 달리 해당 산업 분야들은 표면 성능(액체 흐름, 빛 반사, 표면 마찰 등)에 표면 텍스처가 어떤 영향을 미치는지에 대한 정보를 필요로 합니다. 이에 더해 더 높은 수준의 기계 가공 공정 및 기능 제어 역량이 요구되고 있기 때문에 빠른 계측이 가능한 광학 3D 표면 텍스처 계측이 광범위하게 사용되는 결과를 낳았습니다.
ISO 표준으로 향상된 광학 안정성
접촉식 계측과 달리 광학 장비를 활용한 계측 방식은 직접 표면 접촉 대신 표면에 반사되는 빛을 기반으로 계측을 진행합니다. 이러한 차이는 최근까지 두 계측 방식을 통해 얻는 계측값이 크게 차이나는 결과를 낳았으며, 비접촉식 계측의 경우, 안정적인 접촉식 계측 방식 대비 낮은 정확성을 가지는 경우가 있었습니다. 그러나 국제 표준화 기구(ISO)가 정의한 사양 표준을 통해 장비 유형과 별개로 여러 계측 특성들이 정의되었습니다. 이를 통해 계측 결과 비교가 가능해졌으며, 이러한 비교를 통해 접촉식 및 비접촉식 계측의 추적성이 확보되었습니다. 그 결과, 광학 장비가 표면 텍스처 계측 장비로 널리 사용되기 시작했습니다.
이와 같은 표준에 더해 NPL은 서로 다른 계측 결과들을 비교하여 의미 있는 정보를 얻을 수 있는 방법을 가르치는 모범 실무 가이드들을 개발했습니다.
계측 추적성 확보를 위한 NPL의 노력
영국의 국립 물리학 연구소(NPL)는 모든 유형의 계측에서 추적성을 확보하기 위해 노력하는 국립 계측 기관입니다. NPL은 현재 계측 결과가 계측 방식 또는 계측 장비에 의해 왜곡되는 것을 방지하는 것을 목표로 여러 계측 관련 문제들을 해결하기 위한 다양한 프로젝트들을 진행하고 있습니다. 여기에는 다양한 계측 장비를 위한 광전달 함수를 정의하는 프로젝트 등이 포함됩니다. 광전달 함수 사용 시 복합 표면에 대한 장비 반응을 교정할 수 있을 뿐만 아니라 경우에 따라 장비를 조정하여 광학 장비와 접촉식 장비의 차이를 야기하는 시스템 효과를 제거하는 것도 가능합니다. NPL은 이렇게 정의된 함수들이 ISO에 의해 채택되기를 바라고 있습니다.
레이저 스캐닝 현미경: 더 넓은 표면, 더 빠른 속도
레이저 스캐닝 현미경과 같은 컨포칼 현미경의 차별화된 특성은 폭넓은 애플리케이션을 자랑한다는 점입니다. 컨포칼 현미경은 매끄러운 표면부터 상대적으로 거친 표면에 이르는 다양한 표면 유형을 계측할 수 있어 광범위한 영역에서 사용될 수 있습니다. 레이저 스캐닝 현미경은 하이 다이내믹 레인지를 가지고 있어 급격한 경사면도 계측할 수 있습니다.
레이저 스캐닝 현미경은 현재 Olympus 광학 장비 중 가장 높은 측방분해능을 가지고 있어 폭넓은 높이 범위 계측과 작은 영역에서 빠른 계측이 가능합니다. 해당 현미경은 표면 텍스처 계측 분야의 미래에 큰 기여를 할 것으로 예상되고 있습니다. 레이저 스캐닝 현미경의 성능은 앞서 설명한 교정 문제가 해결되면 더 많은 발전을 얻게 될 것입니다. 특히 유럽 내 인라인 계측 수요가 증가할 것으로 예상되고 있기 때문에 여러 업계에서는 큰 면적을 더 빠르게 계측할 수 있는 레이저 스캐닝 현미경이 곧 상용화되기를 기대하게 될 것입니다.
 | 국립 물리학 연구소(NPL) 소속 연구 과학자인 Richard Leach 교수는 물리학 연구소와 나노기술 연구소에서 활동합니다. Leach 교수는 표면 지형, 마이크로 좌표 도량, X레이 단층 촬영 등의 계측을 포함한 마이크로 단위부터 나노 단위까지의 계측 및 특성화 기술 개발 전문가입니다. |
Olympus LEXT 레이저 스캐닝 컨포칼 현미경이 사용된 Richard Leach 교수의 논문
- Giusca C L, Leach R K, Fabich M and Gutasuskas T 2011 “Calibration of the areal metological characteristics of scanning confocal microscopes” The 10th International Symposium of measurement technology and intelligent instruments
- Giusca C L, Leach R K, Helary F, Gutauskas and T, Nimishakavi L 2012 “Calibration of the scales of areal surface topography-measuring instruments: part 1. Measurement noise and residual flatness” Meas. Sci. Technol. 23(2012) 035008(10pp)
- Giusca C L, Leach R K and Helary F 2012 “Calibration of the scales of areal surface topography measuring instruments: part 2. Amplification, linearity and squareness” Meas. Sci. Technol. 23(2012) 065005(11pp)
- Giusca, C L, Leach, R K, Helery, F and Gutauskas, T 2013 “Calibration of the geometrical characteristics of areal surface texture measuring instruments.” 13th International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces.
- Giusca C L, Evans A A, McDonald D and Leach, R K 2012 “The effect of use duration on surface roughness measurements of stone tool.” 2012 NPL Report ENG 35