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표면거칠기 측정 방법

1. Overview

표면 거칠기 측정 방법은 크게 접촉식(Contact-based) 방법과 비접촉식(Non-contact) 방법으로 구분된다.

측정 대상 시편의 크기, 표면 상태, 오염 민감도, 요구되는 측정 해상도에 따라 적합한 측정 방식이 달라지며, 각 방식은 고유한 장점과 한계를 가진다.

일반적으로

• 측정 시편이 크고, 오염에 비교적 둔감하며, 넓은 범위를 측정해야 하는 경우
   → 접촉식 방식이 선호된다.
• 측정 시편이 작고, 표면 오염이나 손상에 민감하며, 미세 영역 측정이 필요한 경우
   → 비접촉식 방식이 활용된다.

2. 표면거칠기 측정 방법의 분류

2.1 접촉식 측정 방법 (Stylus-based)

접촉식 방법은 Stylus가 측정 대상 표면을 직접 접촉하며 이동하고, Stylus 끝단에 장착된 Probe의 변위를 검출하여 표면 프로파일을 측정하는 방식이다.

• 전통적이고 표준화된 측정 방식
• 다양한 산업 분야에서 널리 사용됨
• Ra, Rq, Rz 등의 거칠기 파라미터 측정에 적합

Figure 1. Stylus 기반 표면 거칠기 측정 원리

2.2 비접촉식 측정 방법 (Optical-based)

비접촉식 방법은 표면과 직접 접촉하지 않고, 광학 신호를 이용하여 표면 형상을 측정하는 방식이다.

• 시편 손상 위험이 없음
• 미세 구조 및 3차원 표면 분석에 유리
• 고해상도 측정 가능

비접촉식 방식은 다시 다음과 같이 구분된다.

• 초점 검출 방식 (Confocal)
• 간섭계 방식 (Interferometry)

3. 접촉식 표면거칠기 측정 방법

3.1 측정 원리

접촉식 측정에서는 Stylus가 표면을 따라 이동하면서 표면 요철에 의해 발생하는 수직 변위를 Probe가 검출한다.

이 변위 신호를 기반으로 2차원 프로파일(Profile) 및 거칠기 파라미터가 계산된다.

3.2 Stylus Probe의 영향

Stylus Probe는 다양한 형상과 크기를 가지며, Probe의 크기와 형상은 측정 결과에 직접적인 영향을 미친다.

• Tip 반경 (r_tip): 2 μm, 5 μm, 10 μm 등
• Cone 각도: 60°, 90° (일반적으로 60° 사용)

Figure 2. Stylus Tip 반경 및 원뿔 각도가 표면거칠기 측정에 미치는 영향

3.3 Stylus 크기의 한계

Stylus 팁이 너무 크거나 무딜 경우, 표면의 깊은 계곡(valley)이나 급격한 요철을 정확히 추종하지 못하는 현상이 발생한다.

• 실제 표면보다 완만한 프로파일로 측정됨
• 거칠기 값이 과소 평가될 수 있음

   Figure 3. Stylus Tip 크기가 측정된 표면 프로파일에 미치는 영향

4. 비접촉식 표면거칠기 측정 방법

4.1 레이저 현미경 (Confocal 방식)

Confocal 방식은 초점 검출 원리를 이용하여 표면의 높이 정보를 획득하는 비접촉식 측정 방법이다.

• 현미경 형식으로 실제 측정면을 관찰 가능
• 3차원 표면 이미지 생성 가능
• 반도체, 전기·전자, 정밀 부품 분야에서 널리 활용

3차원 이미지를 기반으로 전체 면적에 대한 면 거칠기(Areal Roughness) 측정이 가능하여, 표면 거칠기의 대표성을 높일 수 있다.

Figure 4. Confocal 기반의 비접촉 표면 거칠기 측정

4.2 간섭계 방식 (Interferometry)

간섭계 방식은 빛의 간섭 현상을 이용하여 표면 높이 차이를 측정하는 방식이다.

• 실제 측정면을 직접 관찰하지는 않음
• 측정 후 생성된 높이 이미지로 3차원 형상 분석 가능
• 측정 속도가 매우 빠름

특히 생산 라인(Line) 환경에서 고속 검사 및 반복 측정에 적합하다.

Figure 5. 간섭계 기반의 비접촉 표면거칠기 측정

5. 측정 방법 선택 시 고려 사항

표면 거칠기 측정 방법 선택 시 다음 요소를 고려해야 한다.

• 시편 크기 및 형상
• 표면 손상 및 오염 민감도
• 요구 해상도 및 측정 범위
• 측정 속도 및 반복성

접촉식과 비접촉식 방법은 서로 대체 관계가 아니라, 목적에 따른 상호 보완적 관계이다.

Summary

표면 거칠기 측정은 측정 대상과 목적에 따라 적절한 측정 방식을 선택하는 것이 핵심이다.

• 접촉식 방식 → 표준화된 파라미터 측정, 넓은 범위
• 비접촉식 방식 → 미세 구조 분석, 3차원 표면 평가

각 방식의 특성을 이해하고 활용함으로써 보다 신뢰성 높은 표면 거칠기 데이터 확보가 가능하다.