표면적을 쉽고 정확하게 측정하는 방법
표면적이란 입체 표면 면적을 말하며 정육면체나 구, 원뿔형의 표면적 등이 가장 일반적인 표면적의 형태라고 볼 수 있습니다. 그러나 이러한 표면적의 측정은 매우 난이도가 높아 현미경이나 마이크로스코프·CNC 화상 측정기 등을 이용한 면적 측정 결과를 표면적 측정 대신 사용하고 있습니다. 2차원 데이터로부터 표면적을 산출하는 방법도 있지만 정확한 측정은 할 수 없습니다. 변위 센서나 거칠기 측정기를 이용하여 측정하는 방법도 있으나 점이나 선으로 측정하기 때문에 표면적 측정에 많은 수고가 필요합니다.
여기에서는 다양한 대상 물체의 표면적을 설명하고, 표면적 측정 방법의 과제 및 그 해결방법에 대해 소개합니다.
표면적이란?
표면적은 입체 표면의 면적을 말하는 것으로, 눈에 보이는 부분의 면적입니다. 표면적이 가지는 질감·밀착성·미끄럼성·방열성 등은 거칠기 등의 지표와 함께 기능성 평가에 있어 중요한 지표 중 하나입니다. 예를 들어 금속 파단면이나 마찰면, PGA나 레이저 마커에 의한 각인 등은 표면적을 측정함으로써 다양한 정보를 얻을 수 있습니다.
금속 파단면의 표면적
금속 파단면을 상세하게 관찰하면 그 파괴 형태로부터 파괴의 원인을 어느 정도 특정할 수 있습니다. 또한 표면적을 측정함으로써 파면에서 차지하는 취성 파면의 비율인 연성 파면률 등을 산출할 수 있습니다. 이와 같이 금속 파단면의 파면 해석은 파괴 원인 조사의 유력한 수단이라고 할 수 있습니다.
마모면의 표면적
고체 표면에는 거칠기와 굴곡이 존재하기 때문에 평면끼리의 접촉이라 할지라도 실제로는 그 평면에 존재하는 돌기끼리(실제 접촉 면적)의 접촉이 됩니다. 실제 접촉 면적은 마모면의 표면적과 거칠기로부터 산출할 수 있으며, 이를 통해 마찰의 상황을 파악할 수 있습니다. 이와 같이 마모면의 표면적을 측정함으로써 마모의 요인을 알 수 있습니다.
PGA(Pin grid array)의 표면적
PGA(Pin Grid Array)는 IC 패키지 형식의 일종입니다. 핀을 고밀도로 실장하여 소켓에 꽂기 때문에 핀의 굵기, 높이, 각도에 착오가 있으면 소켓에 장착할 수 없게 됩니다. 때문에 핀의 높이나 체적, 표면적 등 많은 항목을 측정하는 것이 중요합니다.
레이저 마커 각인의 표면적
레이저 마커의 각인 품질은 각인 부분의 체적이나 표면적, 단면적을 측정하여 평가할 수 있습니다. 러한 값들은 레이저의 조사 강도와 재료의 레이저 광 흡수율, 스폿 직경 등의 설정에도 도움이 될 수 있습니다.
기존 표면적 측정의 과제
지금까지 표면적 측정에는 현미경이나 CNC 화상 측정기, 거칠기 측정기, 변위 센서가 사용되어 왔습니다. 그러나 이러한 측정의 경우, 면적 측정의 결과를 대용하거나 2차원 데이터로부터 표면적을 산출해야 하는 등 그 정도에 문제가 있었습니다. 게다가 측정에 시간이 소요되는 문제도 있어 측정 난이도가 매우 높다고 여겨져 왔습니다.
현미경을 이용한 표면적 측정 과제
현미경을 이용한 측정은 대상 물체가 작은 경우에 사용할 수 있습니다. 특히 최근 개발되고 있는 현미경은 측정 데이터의 정량화도 제공하고 있어, 사용의 용이성도 향상되고 있습니다. 그러나 대상 물체가 큰 경우에는 대상 물체 전체의 표면적이나 면적, 체적을 측정할 수 없습니다. 또한 측정할 수 있다 하더라도 대상 물체를 이동시키면서 측정하기 때문에 데 매우 오랜 시간과 수고가 필요합니다.
CNC 화상 측정기를 사용한 표면적 측정 과제
일반적으로 CNC 화상 측정기는 스테이지에 세팅한 대상 물체를 CCD 카메라로 읽어 들여 3차원 측정을 진행합니다.
컬러 이미지를 통한 관찰도 가능하지만 표면적 측정에서는 다음과 같은 과제가 있습니다.
- 버나 크랙 등 제품 결함으로 인한 돌기가 있으면 검출 오류가 발생하는 경우가 있습니다. 또한 측정 항목 등의 설정이 다르면 측정 정도에 편차가 생깁니다.
- X, Y, Z 등 측정 항목이 늘어나면 프로그램이 복잡해지고 높은 전문 지식이 요구됨과 동시에 설정 공정 수가 늘어납니다. 이 때문에 측정하는 대상 물체의 수에 비례하여 측정 시간이 길어집니다.
게다가 측정실이 필요하고, 측정실을 기준 온도로 유지할 필요가 있는 등 현장의 모든 사람이 정확하게 측정할 수 없다는 아니라는 것이 큰 과제였습니다.
거칠기 측정기 및 변위 센서를 이용한 표면적 측정 과제
거칠기 측정기를 이용한 표면의 거칠기 측정은 높이 방향을 점 또는 선으로만 측정할 수 있기 때문에, 정확하게 형상을 파악하기 위해서는 측정 항목을 늘려야 합니다. 프로브를 움직여 측정하기 때문에 측정 항목이 많을수록 측정 시간이 걸립니다. 또한 설치 후 대상 물체는 위치 보정이 필요합니다. 게다가 측정자에 의해 측정 항목에도 편차가 생길 수 있기 때문에 측정값의 신뢰성이 떨어집니다.
- A
- 프로브
- B
- 검출기
표면적 측정의 과제 해결 방법
기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기는 대상 물체의 고정에 시간이 걸리고 입체적인 대상 물체·측정 항목을 점이나 선으로 접촉하면서 측정한다는 과제가 있습니다. 이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 정확하게 포착할 수 있습니다. 또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이로 인해 측정 결과의 편차 없이 신속하게 정량 측정을 할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.
장점 1: 최대 200mm×100mm의 광범위를 측정 가능
대상 물체를 스테이지에 놓고 버튼을 누르기만 하면 OK. 정밀한 위치 결정 등의 사전 준비가 필요하지 않으므로 측정기에 관한 지식이나 경험이 없어도 즉시 고정도의 측정을 할 수 있습니다.
기존 측정기와 달리 스테이지에 놓은 대상 물체의 특징을 추출하여 자동으로 위치를 보정할 수 있습니다. 지금까지 많은 노력과 시간이 걸렸던 정밀한 위치 조정이 필요하지 않습니다. 또한 최대 200mm×100mm의 광범위를 연결하여 측정할 수 있습니다. 이로 인해 특정 작업자에게 의존해왔던 측정 작업을 측정에 익숙하지 않은 분이라도 단하고 빠르게 할 수 있습니다. 「VR 시리즈」를 사용하면 냉각판과 같은 넓은 면적의 대상 물체도 스테이지에 두고 버튼을 누르는 것만으로 정확하게 표면적을 측정할 수 있습니다.
장점 2: 표면적·단면적의 정량 평가도 가능
금속 연성 파면의 표면적과 단면적, 나아가 표면적과 단면적의 비율을 측정할 수 있습니다.
「VR 시리즈」는 높이 데이터를 이용하여 대상 물체의 체적이나 면적, 지정 높이의 XY 지름을 측정할 수 있습니다. 또한 카운트도 동시에 실행할 수 있습니다.
요약: 측정하기 어려웠던 표면적 측정을 비약적으로 개선·효율화
「VR 시리즈」를 사용하면 고속 3D 스캔을 통해 비접촉으로 대상 물체의 정확한 3D 형상을 순식간에 측정할 수 있습니다. 표면적은 물론, 체적·단면적·표면적 및 단면적의 비율 등의 측정에서 기존 측정기의 과제를 모두 해결할 수 있습니다.
- 면적, 체적, 표면적을 동시에 측정할 수 있습니다.
- 사람에 의한 측정값의 편차를 해소하여 정량적인 측정을 할 수 있습니다.
- 위치 결정 등의 작업 없이 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작을 실현. 측정 작업을 특정 작업자에게 의존해야 했던 문제를 결했습니다.
- 간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있기 때문에 단시간에 많은 대상 물체를 측정할 수 있어 품질 향상에 도움이 됩니다.
그 외에도 과거의 3D 형상 데이터나 CAD 데이터와의 비교, 공차 범위 내에서의 분포 등을 간단하게 분석할 수 있기 때문에 제품 개발이나 제조 경향 분석, 샘플링 검사 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.
