한국기계연구원 - Vision Development Module을 이용한 Micro, Nano Scale에서의 변위, 변형률 측정

Author(s):
이상주 연구원 - 한국기계연구원 마이크로 응용역학 팀

Industry:
Imaging Equipment

Products:
PXI/CompactPCI, Vision Development Module, LabVIEW

The Challenge:
비접촉식 변위, 변형률 측정 방법으로써 MEMS 공정으로 제작한 Micro, Nano Scale의 인장시편에 형성된 두 마커를 Microscope를 통해 이미지를 확대하고, CCD 카메라를 이용하여 두 마커 사이의 거리를 실시간으로 추적하여 변위를 측정할 수 있는 VIT(Visual Image Tracing) 시스템을 개발하였다.

The Solution:
PZT Actuator로 시편에 인장 하중을 가하면 두 마커 또는 패턴 사이의 변위가 증가하게 되는데, 이 때 CCD 카메라에서 수집되는 이미지를 Vision Development Module의 Edge Detection 기법과 Pattern Matching 기법을 사용하여 변위의 변화량을 실시간으로 정확히 측정한다.

요약 :
Micro, Nano Scale의 인장 시편 표면에 형성된 두 개의 서로 다른 마커, 또는 특정 패턴을 Microscope를 이용하여 확대한 후 CCD 카메라에서 이미지를 수집한다. PZT Actuator로 시편에 인장 하중을 가하면 두 마커 또는 패턴 사이의 변위가 증가하게 되는데, 이 때 CCD 카메라에서 수집되는 이미지를 Vision Development Module의 Edge Detection 기법과 Pattern Matching 기법을 사용하여 변위의 변화량을 실시간으로 정확히 측정한다.

개발 배경 :
Micro, Nano 구조물을 이용하여 새로운 제품을 제조하기 위해서는 Micro, Nano 구조물의 여러 가지 물성들이 파악되어야 하지만 기존의 거대 구조물 물성 측정 방법으로는 측정할 수 없는 경우가 대부분이다. 소재의 물성을 알기 위해서는 재료에 가해지는 하중과 그에 따른 변위의 관계를 알아내야 한다. 인장 시 하중의 측정은 현재 다양한 Force Sensor가 개발되어 사용되고 있으나, In-Plane에서의 미소 변위를 측정하기 위한 변위 센서는 개발 단계에 머물러 있다.
Micro, Nano 구조물의 기계적 물성을 측정하는 방법은 나노 압입 시험, 띠 굽힘 시험 등과 같이 여러 가지가 개발되었지만 간접적인 측정 방법으로 시험 결과의 정확성이 다소 떨어진다. 직접적인 방법으로 ISDG(Interferometry Strain Displacement Gage) 시스템이 개발되었으나 정확한 시험편 정렬 및 시험편 제작의 어려움 등의 이유로 폭넓게 쓰이지 못하고 있다.
본 연구에서는 비접촉식 변위, 변형률 측정 방법으로써 MEMS 공정으로 제작한 Micro, Nano Scale의 인장시편에 형성된 두 마커를 Microscope를 통해 이미지를 확대하고, CCD 카메라를 이용하여 두 마커 사이의 거리를 실시간으로 추적하여 변위를 측정할 수 있는 VIT(Visual Image Tracing) 시스템을 개발하였다.

본론 :

하드웨어
Micro, Nano Scale의 인장 시편의 변위를 비접촉식으로 측정하기 위하여 그림 1과 같이 2개의 CCD 카메라와 Microscope, PZT Actuator 및 Load Cell로 구성되는 VIT(Visual Image Tracing) 시스템을 개발하였다.

그림 1. 시스템 구성도

소프트웨어
엑츄에이터와 로드셀 사이에 시편을 장착한 후 엑츄에이터에 Stroke와 Strain Rate의 값을 RS-232 시리얼 통신으로 명령한다. 이 때 엑츄에이터에 의하여 시편에 가해지는 하중은 로드셀에서 계산되어 아날로그 입력으로 데이터를 수집하게 된다. 또한 CCD 카메라에서 수집하는 영상은 시편 표면의 두 개의 마커를 실시간으로 추적하여 두 마커 사이의 변위의 변화량을 계산하게 된다. CCD 카메라의 이미지 수집과 로드셀 값을 동기화 시켜 변위와 하중의 정확한 관계를 바로 구할 수 있다.

그림 2. DAQ 및 시리얼 통신 관련 블록다이어그램

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
본 시스템의 해상도는 CCD 카메라의 해상도 및 FOV(Field of View)에 따라 차이가 있기는 하지만 Vision Development Module의 Edge Detection 및 Pattern Matching 방식에서 사용하는 Subpixel Accuracy 알고리즘에 의해 약 40nm의 반복 정밀도를 이론적으로 구했으며, 이를 실험으로 증명하여 약 50nm의 반복 정밀도를 얻을 수 있었다.
Vision Development Module을 이용하여 기존의 Micro, Nano Scale 인장시험에서의 변위 측정 시간을 1/10로 줄일 수 있었으며, 기존의 ISDG나 ESPN과 같은 변위 측정기로 측정이 불가능한 시편을 손쉽게 측정할 수 있는 계기가 마련되었다. 현재 본 시스템은 지속적인 업그레이드를 통해 물성 측정의 다양한 어플리케이션으로 확장할 계획이다.

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이상주 연구원
한국기계연구원 마이크로 응용역학 팀

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