표면거칠기

[조 도] 1)RA : 중심선평균조도(中心線 平均粗度; arithmetical average roughness, centerline                average roughness):중심선에서 단면곡선까지의 평균 높이로서 Ra, CLA, AA의                기호로 표시한다 2)R MAX : 최대높이조도(最大높이粗度; maximum height roughness)                        채취 부분의 기준길이(cut-off) 내의 조도곡선에서 중심선에 평행하고                        그 곡선의 최고점과 최저점을 지나는 두 평행선간의 상하 거리로 조도의                         크기를 나타낸다. 3)RZ : 10 점 평균 조도(十點平均 粗度; ten point median height):              KS에서는 채취 부분의 기준길이(cut-off) 내의 조도곡선에서 제일 높은 곳에서부터 3번째              의 봉우리와 가장 낮은 쪽에서 순번대로 3번째의 골을 지나고 중심선에 평행한 2선간의             거리로 나타내고, ISO에서는 제일 높은 봉우리에서 5번째까지의 평균 높이와 제일 낮은             골에서 5번째까지의 평균 골깊이 사이의 거리로 나타내는 조도 표시법이다. 10점 평균             조도 Rz는 다음과 같이 구하며 cut-off와 Rz의 단위는 위의 표와 같다.             http://sns.chonbuk.ac.kr/manufacturing/mclass-6-10.htm  4) Rq-제곱평균 거칠기    Rq는 Ra와 비슷한 의미를 갖는 파라미터인데, 계산 방법이 좀 다르다.    Ra는 산술평균으로 일반적 평균방법을 써서 구했으나 Rq는 제곱평균제곱근    (root-mean-square,rms)의 방법을 써서 구한다.      그 두 값은 거의 비슷하며, 대부분의 가공방법에서 Rq가 Ra에 비해    10%정도 커진다고 알려져 있다. 그러나, 이 비율은 절대적인 것이 아니며 연삭 가공처럼    산의 모양 이 밋밋해진 경우는 50%정도까지도 증가할 수 있으므로 일률적으로 적용해서는 안된 다.     * 제곱평균 거칠기     제곱평균 거칠기는 Ra값을 가지지만 Rmax가 다른 단면을 보여 주는 것이다.     Rq를 구하는 식을 표시하면 다음과 같다.     Rq는 거칠기의 RMS값이며, 신호 처리시 전기적으로 구하기 쉬우며,이 계산식은 Rsk, Rku를     구 할 때도 쓰이기도 한다.      1)Ra: 전체 구간에 대한 평균값    2)Rq(RMS): Ra(평균값) 의 RMS 치    3)Rt : 측정구간 전체에서 중심선을 기점으로 상위 최대 값과 하위 최대 값을 더한 값    4)Rz(DIN) : 측정구간 전체를 5등분하여 각 등분별로 최대 값을 구하고 구한 값들의            합을 5로    나눈 값    5)Rmax : 측정구간을 5등분하여 각 구간의 최대 값중 가장 큰 구간의 값    6)R3z : 측정 구 전체를 5등분하여 각 등분별 평균값을 구하고 구한 값의 합을 5로 나눈 값             1. 표면 거칠기(surface roughness)의 개요와 내용 및 측정의 필요성 1) 표면 거칠기의 개요    금속표면을 다듬질 가공할 때에 표면에 생기는 미세한 요철(凹凸)의 정도.    표면 거칠기는 가공에 사용되는 공구, 가공법의 적부(適否), 표면에 긁힌 흠, 녹 등에 의해서 생기는    것이다. 주물의 표면, 목재를 자른 단면 등도 넓은 뜻으로는 표면 거칠기이지만, 보통 표면 거칠기    라고 하면 전자(前者)의 것을 말한다. 2) 표면 거칠기의 내용   어떤 방법의 생산 공정을 채택하던 간에 ,생산 라인에서 가공되는 성분(Component )의 표면은   약간 은 일그러지기 마련이다.     기하학적으로 이상적인 완벽한 표면을 가공한다는 것은 현실적으로 불가능하다.   또한 게이지 블럭(Gauge Block )과 같이 완벽에 가까운 표면을 만든다는 것은 비용이 많이   드는 일이다. 가공된 표면을 확대한 사진을 보면 가공된 표면이 마치 많은 정상과 계곡으로 산과     같은 모습을 하고 있다. 기하학적으로 이상적인 표면으로부터 출발(Departure)은(표면의 왜곡)   가공하고자 하는 부분 의 기능에 상당한 영향을 미친다고 하는 것은 이미 증명된 사실이다.     이런 기능적 측면들에는 내마모성, 베어링(Bearing), 미끌림(Sliding), 매끄러움(Lubricating),피로   저항( Fatigue Resistance), 부식 저항(Corrosion Resistance) 등을 포함한다. 더욱이 매우 타이트   (tight) 한 공차를 요구하는 특수공정에, 기계가공 공정에서 적절히 조절이 되지 않을 경우, 규정된   공차의 50%이상을 초과하고 있다는 것은 경험을 통하여 잘 알고 있다.     기계와 가공된 부분에 대한 기능적인 향상은 끊임없이 요구되기 때문에 ,크기공차(size tolerance)   에 대한 것뿐 아니라 표면 조직(surface texture) 에 대해 신중히 검토되어야 한다는 것은 명백한   사실이다.      거칠기의 정도를 나타내는 데 있어서 ,표면을 측정 물과 직각인 평면으로 절단하고 그 단면을 보면    어떤 곡선을 이루는데, 이 곡선의 가장 낮은 곳에서 가장 높은 곳까지의 높이를 취하여 이것을    최고 값 거칠기라고 하고 Rmax 또는 R 로 표시한다. 또, 표면 거 칠기 곡선의 평균값으로부터    제곱 평균값으로 나타낸 rms 중심선의 양쪽 높이의 절대 값의 평균으로 나타내는 방법도 사용된다.      한국산업규격(KS)에서는 Rmax 가 6μ 이하, 3μ 이상인 것을 6S 로 표기하도록 정했다.   3) 표면 거칠기 측정의 필요성    기계 가공 표면은 대체로 선삭(turning),밀링(milling),연삭(grinding),랩핑(lapping),호닝(honing)등    금속가공에 의해 이루어진다. 이때 사용한 공작기계의 종류에 따라 가공품의 표면 거칠기 형태가    달라진다.      같은 공작기계를 사용했을 경우에도 기계의 마모, 절삭공구의 조건, 가공표면의 성분,    절삭방법, 작업자의 습관, 환경의 조건에 따라 그 치수 및 표면 거칠기가 달라진다.    따라서 부품의 생산 후 완제품이 될 때까지 ,어떤 형태의 통제를 통하는 방법으로,    가장 널리 사용되는 방법이 측정이다.            측정의 결과로서 제품이 설계 규격으로부터 얼마만큼의 오차를 갖고 생산 하는데 사용된      공작기계 자체의 정밀도까지도 통제할 수 있는 것이다.      생산과정에 있어서 어느 조그만 변화라도 가장 민감하게 영향을 받는 것이 바로 표면 거칠기이다.    이는 마치 제품의 지문과 같고 생산 과정 중, 거의 마지막 단계에서 측정되기 때문에 거칠기    측정은 제품의 규격 통제에 있어서 가장 효율적인 방법 중의 하나이다.      제품의 외관을 좋게 하여 소비자의 구매력을 자극하고 , 기계적 기능과 수명을 연장하여 고객의    신뢰를 유지하며 보건, 위생상의 안전을 위해서는 표면 거칠기 측정의 중요성을 잊어서는 안 된다.   4) 표면 거칠기의 측정대상    -.공업 분야에서의 표면 거칠기의 측정 요구대상은 대체로 다음과 같다.     가) 기구적인 기능 향상이 요구되는 곳    -기계류의 운동 부분 : 기어 ,베드면, 피스톤, 피스톤 핀, 크랭크 축, 캠축 등    -측정의 기준이 되는 면 : 게이지 블럭, 마이크로미터    -유밀 또는 기밀을 요하는 부분 : 피스톤 링, 밸브, 하이드릭 실린더(HYDROLIC CYLINDER)    -절단용 날개 : 커터(CUTTER)    -전기적 접촉부분 : 스위치(SWITCH)    -광학부분 : 거울(MIRROR), 렌즈(LENZ)    -기타 : 컴퓨터 디스크, 반도체, 세라믹 원판, 전해극판   나) 접착력 향상이 요구되는 곳    -도장(PAINTING)부분    -PRINTING CIRCUIT     다) 내식성 향상이 요구되는 곳    -피막 보호    -도금 부분     라)외관 향상이 요구되는 곳    -시계 케이스, 고급제품의 표면     마) 시각적 선명도가 요구되는 곳    -활자, 인쇄종이    5. 표면구조   - 표면구조( SERFACE TEXTUER)    기계적으로 가공된 모든 표면은 재료만의 고유표면구조를 갖게 된다.    '표면구조 '이라는 것은, 입체적으로 구조를 형성하는 실측표면의 공칭표면에 대한 변위를 말하는    것이다. 대표적으로 거칠기(rounghness), 결(lay), 흠(flaw),파상도(waviness) 등으로 이루어진다.             그러므로, 측정자가 측정하고자 하는 모든 표면은 복합적인 표면적 구조를 이루고 있다고   볼 수 있다.     6) 표면 거칠기( surface roughness)     표면 거칠기는 어떤 가공된 표면에 작은 간격으로 나타나는 미세한 굴곡이다.     보통 가공과정, 또는 가공방법이나 다듬질 방식에 따라 크기와 모양이 다르게 나타난다.     가) 파상도(waviness)      파상 도는 거칠기의 간격보다 큰 간격으로 나타나는 표면의 굴곡을 말한다.      일반적으로 공작과정에서 일어나는 자가이변(chater)이나 가공재료의 열처리 불균 일등의      원인으로 나타난다.     나) 결(lay)      결은 보통 가공방식에 따라 다르게 나타나는 표면의 주된 무늬 방향을 말한다.      이 무늬의 방향은 촉침 식 표면 거칠기 측정기로 거칠기를 측정할 때 스타일러스(stylus)의      진행방향을 결정하는 중요한 요소가 된다.      통상적으로 설계도면상에서 별다른 지시가 없는 한 , 거칠기는 결의 직각 방향으로 측정한다.     다) 흠(flaw)      흠은 비교적 불규칙하게 공작물 표면에 나타나는 여러 가지 결함이다.      긁힘(scratch), 갈라진 틈(crack), 불순물에 의한 작은 구멍(blow hole)등이 이에 속한다.      흠은 특별한 지시가 없는 한 , 거칠기 측정에 포함되지 않는 것이 일반적인 예이다.     7) 표면의 곡선 중심선 산 과 골    가) 표면곡선     -. 단면곡선( profile) : 단면곡선은 피측정 면의 평균표면에 수직으로 피측 정면을 절단했을 때        그 단면에 나타나는 피 측정 면의 윤곽을 말한다.     -. 공칭단면 곡선(morminal profile) : 설계시 의도된 단면곡선을 말한다.     -.실측단면 곡선(measured profile) : 측정기를 사용하여 실제로 측정된 단면곡선을 말한다.      나)중심선(center line, Arithmetical Mean Line))     -.기하학적 중심선(graphical center line)       기하학적 중심 선이라 함은 기준길이 내에서 평균단면 곡선과 평행한 직선을 그었을 때      이 직선과 단면곡선으로 둘러싸인 면적이 같게 되는 곡선을 말한다.     -.전기적 중심선(electrical meanline)     전기적 중심선은 측정기의 회로와 이에 관련된 컷 오프(cut off)치의 선택에 의해     이루어지는 중심선을 말한다.      다)산( profile peak)      거칠기의 산이라 함은 중심선 윗 부분의 단면곡선 높이 중 그 높이가 가장 높은 점을 말한다.            라) 골( profile vally)      거칠기에서 골이라 함은 중심선 아랫 부분의 깊이 중 그 깊이가 가장 깊은 점을 말한다.       8) 표면의 간격, 측정길이, 컷 오프, 기준길이       가) 거칠기 간격(roughness spacing)         거칠기 간격이라 함은 기준길이 내의 거칠기를 측정할 때 인접한 산과 산사이의         평균거리를 말한다.     나) 파상도 간격(waviness spacing)         간격은 실측단면곡선에서 파상 도의 인접 산과 산사이의 거리를 말한다.     다) 측정길이(measuring length)        표면 거칠기를 측정하여 그 값을 통계적으로 처리하기 위하여 할당하는 표면상의        길이를 말하며, 여기에는 통상 기준 길이(sampling lenth), 평가 길이(evalution length),        이송길이(traverse length) 가 있다.         -.기준 길이: 거칠기 계산을 위하여 채취되는 길이       -.평가 길이: 측정이 행하여 지는 길이로서 통상 몇 개(5개) 기준길이를 포함한다.       -.이송 길이: 촉 침이 이동하는 전체길이로서 평가길이보다 길다. 이는 측정 시 전기적 과도현상                  (transient)을 피하기 위해 over travel을 시키기 때문이다.     라)거칠기 기준길이(roughness sampling length)        거칠기의 평균을 계산하기 위하여 정한 기준길이로서 파상도 간격보다 짧은 것이 보통이다.     마)컷 오프(cut off)       실제의 표면은 매우 복잡하고 다양한 모습을 지니고 있기 �문 에 어느 곳을 측정하느냐가       측정 결과 에 많은 영향을 미친다.       촉침 전기식 측정기를 사용하여 거칠기 평균을 직접 측정할 때 필터에 의해 선택되는      기준길이를 말하며, 보통 mm 단위로 주어진다.        컷오프라는 명칭을 쓰게 된 것은 전자공학에서 쓰이던 용어인데, 파상 도와 거칠기를 분리하는      방법 으로 전자적인 필터를 사용할 때부터 이 용어를 이용하기 시작했다.        기준 길이를 어떻게 잡느냐에 따라 측정결과가 매우 다르게 나타나기 때문에 기준 길이를 잘     선택 해야 한다. 실제 측정에서는 컷오프의 값으로 기준길이를 잡는다.        컷오프의 종류: 0.08 , 0.25, 0.8 , 2.5, 8 , 25mm     9) 파상도 기준 길이(waviness sampling length)      파상 도의 높이를 결정하기 위하여 잡는 기준길이를 말한다.                가) 표면 거칠기 파라미터       기계요소표면의 거칠기는 여러 형태의 거칠기가 복합적으로 구성되어 있어서,거칠기 자체를       하나의 숫자로 표시할 수 없고, 거칠기 높낮이를 말하는 진폭크기의 평균이라든가 ,       거칠기 간격의 평균이라 든지, 이와 같이 통계적 처리를 하게 된다.이런 거칠기의 정도를       나타내는 통계적인 값을 거칠기 파라 미터(rounghness parameter)라 한다.         표면 거칠기는 앞으로 설명된 Ra 나 Rmax ,Rz 로 가장 많이 표현되지만, 이것만 가지고는       표면의 형상을 제대로 나타내기에는 미흡하다. 실제로 표면 거칠기를 가장 잘 나타 낼 수       있는 방법은 미세한 표면 형상을 확대하여 보여 주는 것이다.         그러나 이 방법은 표면을 확대하여 촬영하고 그 사진을 다시 해석해야하는 등 번거로움이       많고, 또한 비효율성이기 때문에, 표면 전체의 거칠기를 대표적인 값으로 나타내려고 하는       많은 연구와 노력이 기울여지고 있다.         우리 나라의 KS B 0601에서는 위의 3가지 파라미터만이 규정되어 있고, 또한 현재       시중에 판매되고 있는 거칠기 측정 장비들도 기본적인 파라미터만을 표시하는 것들이 많지만,       많은 나라들이 채택하고 있는 ISO 4287/1에는 여러 가지 파라미터들이 규정되어 있다.         이 외에도 측정기 제조회사, 또는 연구기관 학계 등에서 발표한 파라미터들도 폭넓게       이용되고 있다.         - 거칠기 파라미터: Ra, Rq, Rmax, Rtm, Rp, Rpm, Rsk 등       - 파상도 파라미터: Wa, Wq, W(Wmax), Wtm, Wp, Wpm, Wz, Wsk 등       나) Ra-중심선 평균값(center line average)         중심선 평균값의 기호로는 Ra , AA 또는 CLA를 사용하며 , 각각 평균 거칠기         (Roughness average),산술 평균치(Arithmentic average), 중심선 평균치         (Centerline average)라는 영문의 첫 글자를 딴것이며, 실제로는 같은 의미를 갖고 있다.         -.Ra의 값은 중심선에서 표면의 단면 곡선까지 길이의 절대 값 들의 기준 길이 내에서의        평균으로 하고. 거칠기 곡선을 그래프로 그려, 그래프에서 Ra를 구 할 때는 다음과 같은        근사 값을 사용한다.       * 유의사항       -.Ra값은 기준길이 내의 거칠기의 평균값이므로, 우연히 나타나는 한 두개의 이례적인 산이나         골은 평균값에 영향을 주지 않는다.       -.Ra값은 기준길이(또는 컷오프)가 주어지지 않으면 의미가 없으며, 같은 기준 길이가        주어져야만  Ra값이 산출된다.       -. Ra값은 거칠기 모양에 대한 정보를 주지 않는다.      다). Rmax, Rt최대 거칠기(Maximum Peak to Vally Roughness Height)        최대 거칠기(Maximum Peak to Vally Roughness Height)의 기호로는 Rmax 또는 Ry를        사용한다.        거칠기 단면곡선에서 기준길이 만큼 채취하여, 단면곡선의 중심선과 평행하며 제일 높은 산과    제일 깊은 골을 접하는 두 평행선간의 거리를 말한다. Rmax 과 Rt 값은 종종 같을 수도 있으나    항상 같지는 않다. 대개는 Rt 값이 Rmax 값보다 크다. Rmax 값을 산정하는 기준은    Lm(Evaluation Length) 의 1/5 인 Sampling Length 이나. Rmax 값의 장점은 거칠기 단면    (roughness profile )이 waviness component 에 의해 덜 영향을 받는다는 점이다.     Rmax 와 관련되는 거칠기 파라미터     a) Rtm: 연속되는 5개의 Rmax 의 평균값     b) Rp: 기준길이 내에서 가장 높은 산의 중심선으로 부터의 높이     c) Rpm: 연속되는 5개의 Rp의 평균값         ◆최대 거칠기(Rmax )    Rt 는 Evaluation length Lm 내에서 Profile 의 최고점과 최저점과의 거리를 의미한다    (Distance between the highest and the lowest point).    Rt 는 Rmax 와 마찬가지로 최대 값이기 때문에 높은 산이나 깊은 골에 의해 쉽게 영향을 받고    먼지나 티끌의 입자, 흠, 긁힌 자국에 영향을 많이 받을 뿐 아니라 측정시의 진동에 의해서도    영향을 받는다. Rmax 와 Rt는 다른 파라미터에 의해 표면의 대표성이 좋지 않아서 측정부위에    따라 그 측정값이 달라질 수 있다. 그러므로 흠으로 간주될 수 있는 부분을 피해 거칠기를    대표할만한 부분을 여러 곳 측정하여 평균값을 구해야한다.     * 유의사항     a) Rmax 를 구하는 데는 중심선에 대한 정보는 필요없다.     b) Rmax 는 거칠기의 평균값이 아니므로, 표면에 있는 흠이나 먼지 등에 의하여 직접적인       영향을 받는다.   * Rmax와 Rt의 차이점     Rmax와 Rt의 차이점은 Rmax가 한 기준길이 안에서 측정되는 것인데 반해, Rt는 몇 개의     기준길이 즉, 평가길이(measuring rength)안에서 측정된다는 것이다.     라) Rz - 10점 평균 거칠기(ten point height)      Rz - 10점 평균 거칠기(ten point height)는 기호로는 Rz 를 사용한다.      거칠기 단면 곡선에서 기준길이 만큼 채취하여, 단면곡선의 평균선과 평행한 임의직선     (기준선)을 긋고 가장 높은 5개 산의 기준선으로 부터 거리의 평균값과 가장 낮은     5개골의 기준선으로부터의 거리의 평균값과의 차이로 나타낸다.   * 평균 거칠기    응용 면에서 Rz - 10점 평균 거칠기(ten point height)는 베어링(Bearing),미끄럼표면    ( Sliding Faces), Force Fit Surfaces, 측정표면(Measuring Faces) 등 Occasional profile    peak 가 part 의 기능에 영향을 미치지 않는 경우에 사용된다.    한 개의 Extreme profile peak 가 part 의 기능에 매우 제한적인 영향을 미치기 때문에 ,Ra    parameter 다음으로 Rz parameter 는 매우 중요하고 자주 사용된다.       *유의 사항    a) Rz 를 구할 때는 단지 1개의 기준길이에서만 사용한다. 따라서 Rz 값은 측정      가능한 표면이 짧을 때 자주 사용한다.    b) 기준선은 단면곡선의 평균 선에 평행하기 만하면 되며, 그 위치는 아무 곳에서 잡아도      상관없다.      즉 기준선은 단면 곡선 위쪽이나 아래쪽 아무 곳에서 잡아도 상관없다.    c) 위에서 주어진 Rz 의 정의는 국제표준기구 , 미국, 영국 등에서 공통적으로 사용된다.      다음은 유효 산(effective peak)에 대해서 정의한다.      Rz 를 구할 때 당면하는 문제로써 단면곡선에 나타난 산(peak)이나 골 중에서 작은 간격으로   나타난 국소적인 산(peak)과 골로 보아서 계산에 넣을 것인가가 문제가 된다. 거칠기 단면곡선이   있을 때 어떤 것을 유효한 산으로 볼 것인가를 결정하여야 한다. 기능 면으로 볼 때 부품   이 실제 사용되면 오래되지 않아 표면의 작은 거칠기는 마찰에 의해 없어지므로 ,   이에 의한 영향은 무시할 정도지만, 때로는 비교적으로 그 크기가 커서 완전히 무시하기는   곤란한 것도 있다.        10) Rpm,Rtm(Mean Levelling Depth)     Rpm은 5개의 연속 측정데이터(Mean Levelling depth) 를 더하여 그 수치의 평균을     낸 수치이며 , 예외적인 산(peak)이 평가에 크게 영향을 미치지는 못한다.     Rpm는 말한 바 있는 표면 파라미터(surface parameter) Rz, Rmax, Ra 에 비해서 profile     의 모양에 대해 보다 신뢰성 있는 정보를 제공한다.        -.Rpm 값과 Rz 값의 어떤 상관 관계를 미루어 비춰보면 다음과 같은 사실을 나타낼수 있다.      -.Rpm의 값이 적은 것은 넓은 산들(wide peaks )및 폭이 좁은 골들(narrow valley )를 의미하며,      -.Rpm 의 값이 큰 것은 대못과 같은 표면(spiky surface )을 의미하며, 내마모성이 적다.     11) Rq-제곱평균 거칠기    Rq는 Ra와 비슷한 의미를 갖는 파라미터인데, 계산 방법이 좀 다르다.    Ra는 산술평균으로 일반적 평균방법을 써서 구했으나 Rq는 제곱평균제곱근(root-mean-square, rms)의 방법을 써서 구한다.      그 두 값은 거의 비슷하며, 대부분의 가공방법에서 Rq가 Ra에 비해    10%정도 커진다고 알려져 있다. 그러나, 이 비율은 절대적인 것이 아니며 연삭 가공처럼    산의 모양 이 밋밋해진 경우는 50%정도까지도 증가할 수 있으므로 일률적으로 적용해서는 안된 다.     * 제곱평균 거칠기     제곱평균 거칠기는 Ra값을 가지지만 Rmax가 다른 단면을 보여 주는 것이다.     Rq를 구하는 식을 표시하면 다음과 같다.     Rq는 거칠기의 RMS값이며, 신호 처리시 전기적으로 구하기 쉬우며,이 계산식은 Rsk, Rku를 구 할 때도 쓰이기도 한다.       가) Rtm(평균최대높이)       Rtm은 Ry값들의 평균으로 주어지는 값이다.      즉, 각 기준길이마다의 Rmax를 평균한 것이 (보통 5개의 기준길이에 대하여)Rtm이 된다.    Rtm의 글자의 뜻은 Rt의 평균이라는 뜻이지만 , 실제로는 Rmax의 평균값을 나타내므로    혼동하지 않도록 유의하여야한다.      Rtm은 Rmax값들의 평균값에서 얻어지기 때문에 Rmax, Rt보다는 훨씬 더 재현성이 있고 의미    있는 값이 된다. 또 Rmax나 Rt를 여러 번 측정하여 평균을 구하는 값이나 Rtm의 값이 비슷하기    때문에 Rmax나 Rt로 지정된 규격을 만족시키는데 Rtm이 대신 할 수 있다.      Rtm(평균최대높이)    1) Rp(최대 단면 산 높이), Rv(최대 단면 골 높이)       중심선에서부터 가장 높은 단면산의 높이를 최대 단면산 높이라 하고 가장 깊은       단면 골의 깊이를 최대 단면 골 깊이라 한다.       ISO 4287/1에서는 Rv대신 Rm으로 표기하고 있으나 일반적으로는 Rv를 사용하고 있다.         일반 적으로 Rp가 Rv보다는 중요한 파라미터이다.       이유는 접촉면의 성질을 결정하는데 산 이 골 보다 중요한 역할을 하기 때문이다.         평가길이는 보통 5개의 기준길이를 포함하여 각 기준길이내에 있는 Rp들의 평균을  Rpm으로 표시 하기도 한다     7. 표면 거칠기 측정기     1)측정기의 구성    측정 표면 위를 촉침(stylus)이 이동하면 검출기가 촉침의 수직방향의 변위를 전기적 신호로    바뀌어서 증폭,증가시키고, 기록계(recorder)를 작동시킨다. 필터된 신호는 Ra값등을  디지털지시계로 나타낸다.     2) 촉침(stylus)    촉 침은 측정기와 측정표면이 직접 접촉하는 유일한 곳이다.    따라서 촉 침은 기기에서 가장 중요한 부품의 하나이며, 크기와 모양은 검출기로부터 표면다듬질    정보를 검출하는데 결정적인 영향을 주는 요소가 된다. 원추형 촉 침은 그 각도가 60도, 90도인    것이 가장 많으며, 촉침 반경은 보통 10um이하 인 것이 많이 사용된다. 측정하려는 표면 거칠기의    크기에 따라 촉심이 결정된다. 촉침 반경이 작을수록 촉침이 뾰족하게 되며, 이에 따라 촉침에    가해지는 측정압도 변하여야 한다.     8. 표면 거칠기의 지시    1) 도면 표시방법      기계적 가공에 있어서 요구되는 표면 거칠기를 지시할 때에는 도면의 해당 부분에 이를 나타   내는데, 여러 요소로 구분되는 표면기호나 다듬질기호에 따르고 있다.     2) 가공방법의 약호 와 모양의 기호    표면 거칠기의 구분치, 기준길이, 컷오프(cut-off)값, 가공방법의 약호는 아래 표와 같이 표시한다.     3) 다듬질 기호에 대한 거칠기 구분치      표면 거칠기 값을 다르게 지정하는 방법에는 다듬질 기호를 사용하여 지정하기도 한다.

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일반적으로 비전을 이용한 비접촉 측정기술은 비접촉 CMM 또는 AOI 장비로 대표되는 2차원 치수 측정기나 2차원 검사기를 의미한다. 이러한 측정기술은 주로 2차원 평면상의 기하학적 형상, 예를 들어 원이나 선, 각도, 선폭 등을 측정하거나 패턴의 결함, 이물질, 비대칭성 등을 검사하며, 주로 광학 현미경, 조명, 그리고 CCD 카메라로 대표되는 촬상소자로 구성된 프로브 시스템과 영상처리기술에 그 바탕을 두고 있다. 이러한 측정기술은 현재 산업계 전반에 걸쳐 주요한 측정 및 검사기술로 자리를 잡고 있으며, 고속검사 정밀측정이라는 모토 아래 많은 기술적 발전을 이루고 있다. 그러나 반도체, MEMS, LCD, Build-Up PCB 등 미세표면 형상을 제조하는 산업분야에서는 공정 및 제품관리를 위해 새로운 개념의 측정기술을 요구하고 있는데, 이에 대한 대안으로 최근 각광을 받는 것이 바로 광학식 3차원 미세형상 측정기술이다. 이 측정기술은 평면방향으로는 기존의 광학식 현미경의 분해능을 갖지만 광축인 수직방향으로는 nm 이하의 분해능을 가지며, 수 nm에서 수백 um까지의 다양한 높이를 높은 분해능으로 측정할 수 있고, 특히 카메라를 통해 보이는 영역의 높이 분포를 한번에 측정할 수 있다는 특징을 가진다. 현재 생산현장에서 사용되는 광학식 형상측정기술로는 광삼각법을 필두로 수십 가지의 기술이 적용되고 있지만, 여기에서는 광삼각법과 같이 일정 영역의 3차원 형상을 측정하기 위해 평면방향으로 주사(Scanning)해야 하는 측정법을 제외하고, 영역측정이 가능한 3차원 측정기술을 중심으로 알아보도록 하겠다. 백색광 및 광위상 간섭법은 반도체 패턴 측정에서부터 연질재료의 표면거칠기 측정, BGA 볼 측정, 레이저 마킹 패턴 측정, Via Hole 측정 등 미세형상에 대한 3차원 측정 전반에 폭넓게 적용되는 측정법이다. 이 측정법의 가장 큰 장점은 측정높이, 대물 렌즈의 종류에 상관없이 nm 오더의 동일한 높이 측정 분해능을 구현할 수 있다는 것이다. 공초점 현미경은 기존 현미경의 회절에 의한 수평분해능을 개선하고자 제안되었으나 현재는 물체표면의 형상측정에도 사용되고 있으며, 수십 um 단위의 큰 단차에 대해서 형상측정이 가능하다. 하지만 수직분해능은 사용하는 대물 렌즈의 배율에 의존하기 때문에 낮은 대물 렌즈 배율에서는 높은 수직분해능을 얻을 수 없다는 단점이 있다. 이 측정법은 세포와 같은 생체분야, 그리고 Bumped Wafer의 미세 볼 형상측정에 적용된다. 모아레 측정법은 간편한 측정 시스템과 수십 mm의 측정영역을 가지는 장점을 이용해 BGA, QFP와 같은 패키징 분야의 인라인 검사에 많이 적용되고 있다. 피조 간섭법은 원리적으로는 광위상 간섭법과 동일하지만 수백 mm 이상의 대영역을 nm 이하의 분해능으로 측정할 수 있는 장점을 이용해 주로 웨이퍼의 평탄도(Flatness), 미러(Mirror), CD, DVD 픽업 렌즈의 형상정도 측정에 많이 적용되고 있다. 여기에서는 이중에서 백색광 및 광위상 간섭법의 측정원리와 적용 예를 살펴보고, 향후 발전방향에 대해 알아보도록 하겠다. 백색광 및 광위상 간섭계의 기본원리 이 두 측정법은 서로 다른 측정원리를 갖지만 다중파장과 단색파장을 이용하는 점을 제외하고는 동일한 광학 및 측정 시스템에서 구현할 수 있으므로 상용화된 측정 시스템에서는 이 두 측정법을 함께 이용할 수 있다. 이 두 측정법의 공통적인 특징은 간섭신호를 이용한다는 점이다. 간섭신호란, 임의의 기준점에서 동시에 출발한 광이 각기 다른 광경로(Optical Path)를 이동한 후 합쳐질 때 두 광이 지난 거리차(Optical Path Difference)에 따른 물리적 현상이 빛의 밝고 어두운 형태로 표현되는 것을 말한다. 이중 한 개의 광을 기준광이라고 하는데, 이것은 고품위로 가공된 기준면(Reference Plane)에 입사되고, 다른 광은 측정광이라고 하며 측정하고자 하는 면에 조사된다. 기준면은 완벽한 평면으로 정의할 수 있으므로 백색광 및 광위상 간섭계의 카메라를 통해 획득되는 영상의 간섭신호는 이 기준면에 대한 상대적인 높이 정보를 포함하게 된다. 이러한 개념에서 보면 간섭신호란 결국 등고선과 동일한 의미를 지닌다. 지도에서 등고선이란 같은 높이를 가진 지형을 이어주는 선을 말하는데, 측정면의 간섭신호도 기준 평면에 대해 동일한 높이를 가진 지점을 이어준 물리적 현상으로 이해하면 쉽다. 그림 1은 이러한 간섭신호의 예이다. 그림에서 보이는 측정면은 골드 코팅된 평면 위에 구 형태의 패턴을 제작한 것이다. 그림 1의 (A)는 이 구형 패턴 위에서 나타나는 간섭신호를 보여주고 있으며, (B)는 바닥인 평면에서 발생하는 간섭신호의 형태를 보여준다. 이와 같이 간섭신호는 구형 패턴에서는 그림과 같이 둥근 형태의 간섭신호가 발생하고, 평면에서는 직선 형태의 간섭신호가 발생하게 된다. 이러한 간섭신호는 사용하는 광원의 파장과 밀접한 관계가 있는데, 일반적으로 간섭신호 간격, 즉 간섭신호의 주기는 사용하는 광원 파장의 반 파장에 해당한다. 그러므로 그림 1에서 보이는 간섭신호간 간격은 광원이 600nm이므로 대략 300nm 간격으로 나타난다. 이러한 점을 이용하면 간섭신호 영상에서부터 직관적으로 대략적인 측정면의 높이 분포를 짐작할 수 있게 된다. 백색광 및 광위상 간섭계는 이러한 기본적인 간섭신호의 원리에 디지털 회로처리 기술을 이용해 더욱 세분해서 해석함으로써 측정면의 3차원 형상을 측정할 수 있다. 그림 2는 광위상 간섭법의 측정원리를 나타낸 것이다. 그림 2의 (A)에는 기본원리가 도시되어 있는데, 단색 파장의 조명광을 각각 기준면과 측정면에 조사한 후, 광분할기를 이용해 합치면 그림에서 보이는 측정면의 영상과 줄무늬의 간섭신호가 획득된다. 광위상 간섭계에서는 이러한 간섭신호의 복수 개의 영상을 획득한 후, 각 화소(Pixel)에서 발생하는 간섭신호의 위상(Phase)을 계산함으로써 높이를 측정한다. 초기의 간섭측정법은 간섭신호 추적법이라고 해서 앞에서 설명한 바와 같이 간섭신호의 간격이 300nm인 점과 그 사이의 간섭신호 변화를 조화함수로 보간해 간접적으로 간섭신호의 위상을 계산하는 방법이었다. 그러나 이 방법은 측정면이 복잡한 구조를 가질 경우 간섭신호 추적이 불가능하며, 보간법을 이용하기 때문에 측정오차 및 분해능에서 상당한 제약이 있었다. 하지만 간섭신호 해석법에 있어서 위상 천이법(Phase Shifting Method)이 개발되면서 nm 이하의 측정 분해능을 구현할 수 있게 되었다. 이 방법은 간섭신호의 위상을 강제로 이동시키는 방법으로서 그림 2에서 보듯이 기준 미러에 PZT 구동기와 같은 미세 구동기를 장착해 기준면을 이동시키면서 여러 장의 간섭신호를 획득하고 이로부터 영상내의 각 측정점에서의 간섭신호의 형태와 높이와의 수학적 관계를 해석하게 된다. 이 원리는 1960년대에 개발되어 ‘Wyko’사에서 처음으로 산업계에 적용할 수 있는 측정기를 개발했다. 그러나 이 방법은 빠른 측정속도, 높은 측정 분해능 등의 장점이 있지만, 2π 모호성으로 인해 인접한 두 측정점의 높이차가 광원 파장의 1/4 이상일 경우에는 측정오차가 발생하는 단점을 갖고 있었다. 백색광 주사 간섭법은 이러한 광위상 간섭법의 단점을 극복하고 nm 오더의 높은 분해능을 가지는 새로운 측정법으로 1990년대 이후부터 상용화되기 시작했는데, 그림 3은 이러한 백색광 주사 간섭법의 원리를 보여준다. 이 방법은 전술한 광위상 간섭법과는 달리 다중 파장의 광이 갖는 짧은 결맞춤(Coherence) 길이를 이용한 방법이다. 결맞춤 길이란, 사용하는 광원의 특성으로 간섭신호가 발생하는 광경로 길이를 의미하며, 기준광과 측정광이 지나는 물리적인 거리차로 표현된다. 레이저와 같은 광원은 이 결맞춤 길이가 수 km에 해당해 어떠한 상황에서도 간섭신호를 쉽게 얻을 수 있지만, 텅스텐 할로겐 램프와 같은 다중 파장의 빛은 여러 빛에 의한 간섭신호들이 서로 상호작용을 하기 때문에 대략 3∼4um 이내의 거리차에서만 간섭신호가 발생하는 특징을 갖는다. 백색광 주사 간섭계는 백색광의 이러한 짧은 결맞춤 길이를 이용한 것으로, 쉽게 생각하면 카메라의 자동초점 기능과 유사하다고 보면 된다. 단지 카메라에서는 자동초점을 카메라 영상의 선명도(Contrast)를 이용하며, 백색광 주사 간섭계에서는 각 화소에서 발생하는 간섭신호를 이용한다. 그림 3에서 보듯이 프로브 시스템이 광축 방향으로 수십 nm의 미소 간격으로 이동하면서 영상 내의 모든 화소에서 간섭신호 발생여부를 점검한다. 임의의 화소점에서의 높이는 간섭신호가 최대로 커지는 위치로 설정되며, 이를 전체 영상내의 화소에 대해 수행함으로써 3차원 형상을 산출하는 것이다. 백색광 및 광위상 간섭계의 적용 예 그림 4는 앞에서 언급한 두 가지 측정법이 가장 많이 적용되는 반도체 및 MEMS 분야의 측정 예이다. 그림 4는 식각(Etching)을 통해 제작된 표면의 형상을 측정한 결과로서 식각된 높이는 85.8nm이다. 이러한 측정결과로부터 높이 분포, 경사면 각도(에칭 각도), 선폭 등을 측정할 수 있다. 그림 5는 광부품 제조를 위해 개발된 광 파이버용 V 그루브를 식각공정을 통해 제작한 결과이다. 이러한 측정에서 주요한 치수는 V 그루브의 깊이, 그루브 각도, 표면거칠기 등이다. 그림 6은 LCD 모니터에 이용되는 도광판 중 도트 형태의 도광판의 표면을 측정한 결과이다. 도광판의 종류에는 이러한 도트 형태 외에도 삼각파 형태 등 다양한 형태가 존재하며, 이러한 측정물에서는 패턴의 피치, 크기, 부피 등이 주요한 측정요소가 된다. 그림 7은 Flip Chip용 BGA의 Ball Area 중 일부영역을 측정한 결과이다. 이러한 측정물에는 각 볼의 높이, Ball Area 내에서의 등평면도(Coplanarity), Ball Pitch, Ske wness, Missing, Large Ball 등 다양한 측정요소가 있다. 지금까지 현재 산업계에서 사용되는 다양한 광학식 3차원 측정기술 중 백색광 및 광위상 주사 간섭법의 원리와 적용 예를 살펴보았다. 3차원 측정기는 일부 연구소 및 학계에서 주로 필요로 했었지만, 최근 고집적화, 미세형상 공정기술의 발달 등에 힘입어 그 수요가 점진적으로 증가하고 있다. 특히, LCD나 PDP, Chip Scale Package 분야, Build-Up PCB 분야에서는 이러한 미세 3차원 형상 측정기술이 제조공정 및 QC 분야에 실제 적용되어야 하는 시점에 다다르고 있다. 그러나 다른 검사 및 측정기 시장과 마찬가지로 이 분야에서도 ‘Zygo’, ‘Wyko’와 같은 외국의 선진업체가 주요시장을 독점하고 있는 실정이다. 일부 국내업체에서 꾸준한 기술개발을 통해 독자적인 제품을 출시하고 있지만, 아직은 선진국과의 기술적 차이를 극복하지 못하고 있다. 앞으로 이를 극복하기 위해서는 관련 공정 기술자들의 3차원 측정 및 검사에 대한 인식의 전환과 함께 이를 적극적으로 활용해 생산공정 및 제품의 질을 향상시키는 노력이 필요할 것이다.

출처 : Tong - act4855님의 기본통