요철 시트의 3D 형상을 순식간에 정량적으로 측정하는 방법

요철 시트란?

표면에 요철 형상을 가지는 시트로 요철에 따라 다양한 기능을 가집니다. 이용 목적이나 기능, 소재나 사이즈, 요철의 형상이나 패턴, 가공·제조 방법은 다종 다양합니다. 요철 형상을 가진 시트는 항공 우주 관계에서 자동차, 전기 제품 등 공업 제품의 부재, 친숙한 일용품이나 의료·위생 용품까지 다양한 용도로 폭넓게 이용되고 있습니다.

요철 시트의 종류

요철 시트는 표면을 입체적으로 형상화함으로써 표면적을 늘릴 수 있으며, 그러한 장점으로 인해 종류 및 기능, 용도는 매우 다양합니다. 다음은 그 대표적인 사례입니다.

• 단열 시트: 요철 형상에 열이나 냉기를 가진 공기를 일단 흡수하여 온도차를 완화합니다. 실외와 실내의 온도 차 사이에 있는 지붕이나 창유리 등에 설치함으로써 실온에 미치는 영향이나 결로를 억제합니다.
• 방열 시트: 시트의 요철에 의해 방열판과 같은 역할을 담당합니다. 예를 들어 소형 전자기기 내부에서 CPU나 마더 보드, 파워 트랜지스터, 전원 부품의 방열 등에 사용됩니다.
• 완충재·방진재: 요철 형상의 고무나 우레탄 등 연질 또는 탄성이 있는 소재의 시트로 충격이나 진동을 흡수합니다. 자동차의 정숙성·편안함 향상 등에 많이 이용되고 있습니다.
• 흡수 시트: 요철에 의해 표면적을 늘려 흡수성을 높인 시트입니다.

그 밖에도 공업 제품이나 일용품·의료·위생 용품 등 다양한 제품에 요철 시트가 이용되고 있습니다. 예를 들어 먼지 닦기의 용이성, 미끄럼 방지, 밀착 방지, 의장 등 다양한 목적으로 요철 형상이 설치되는 일도 있습니다.

요철 시트의 가공·제조

요철 시트의 제조 공정이나 가공 기술도 다양합니다. 직물의 경우는 그 피치나 날실·씨실의 두께 등에 의해 원하는 기능을 부여할 수 있습니다. 한편 스펀본드법이나 스펀레이스법으로 제조된 부직포 및 평활한 표면을 가지는 수지나 종이 시트 등의 경우 엠보스 또는 디보스 가공이나 패턴 도포, 에칭 등의 공정으로 다양한 요철 형상과 기능을 부여할 수 있습니다.
다음에서는 그 중에서도 대표적인 가공 방법의 하나인 「엠보스/디보스 가공」의 메커니즘에 대해 설명합니다.

엠보스/디보스 가공이란?

엠보스/디보스 가공이란 「부상 가공」이라고도 하며 금속 또는 수지제의 볼록판과 오목판에 소재가 되는 시트를 끼워 넣거나 볼록판을 위에서 눌러 요철 형상으로 가공하는 방법입니다.
상하로 판(형)을 끼워 넣어 재료 표면보다 높은 볼록 형상을 만드는 경우는 엠보스 가공, 낮은 오목을 만드는 경우는 디보스 가공이라고 불립니다.또한 1개의 볼록판으로 한쪽에서 재료 표면에 압력을 가하는 것을 「스탬핑 가공」이라고 합니다. 각 메커니즘을 개략도로 나타냅니다.

요철 시트의 품질 관리와 경쟁력

특수한 것을 제외하고 요철 시트에는 균일한 요철 패턴이 요구되는 경우가 대부분입니다. 요철의 높이·깊이가 시트 전면에서 균일하지 않은 경우 원하는 기능이나 외관을 얻을 수 없어 불량품이 되는 경우가 있습니다.
미세한 요철의 경우 육안으로는 요철의 균일성에 관한 평가는 불가능하다고 할 수 있습니다.또한 인라인 검사에서는 시트의 대략적인 형상이나 흠집, 부러짐, 주름, 이물 등은 판별할 수 있어도 미세한 요철의 높이·깊이까지 자세하게 측정하기에는 적합하지 않습니다.

또한 고기능 시트는 제품 사이클이 빠르기 때문에 높은 경쟁력을 얻기 위해서는 연구 개발에서 시제품 제작· 평가, 제품화까지의 속도도 중요합니다. 각 단계에서의 효율적이고 정도 높은 평가는 큰 속도의 차이로 나타납니다.

기존 측정 기기에서의 요철 시트의 형상 측정 과제

제조 방법이나 가공 방법에 관계없이 시트의 요철 형상을 정확하게 측정하는 것은 제품의 성능이나 품질, 공정을 평가하는데 있어서 매우 중요합니다. 그러나 기존 윤곽 형상 측정기 등의 접촉식 측정에서는 시트의 요철을 측정하는데 있어서 다음과 같은 과제가 있었습니다.

윤곽 형상 측정기에서의 요철 시트의 형상 측정 과제

윤곽 형상 측정기란 스타일러스라고 하는 촉침을 이용하여 대상 물체의 표면을 추적함으로써 그 윤곽 형상을 측정, 기록하는 장치입니다.
최근에는 촉침 대신 레이저를 이용하여 비접촉으로 윤곽을 스캔함으로써 복잡한 형상의 측정에 대응할 수 있는 기종도 있습니다. 또한 기종에 따라서는 상하 양면의 측정이 가능한 것도 있습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 요철 시트의 측정·평가에서는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

• 대상 물체를 선을 따라 측정하기 때문에 광범위한 변형을 측정·평가하는 것은 어렵습니다.
• 대상 물체의 표면 전체의 요철 형상을 샅샅이 파악할 수 없습니다.
• 가능한 한 넓은 범위를 측정하기 위해 측정선을 몇 개나 그린 가운데 최대·최소의 요철을 측정하는 것은 시간이 걸립니다. 또한 측정선의 어긋남 등으로 측정값이 안정되지 않습니다.

요철 시트에서의 형상 측정 과제 해결 방법

기존 접촉식 측정기는 선이나 점으로 측정하기 때문에 시트의 요철 형상을 파악할 수 없었습니다. 또한 대상 물체 전체에서의 모든 요철의 최대값·최소값을 얻거나 즉시 정량적으로 비교하는 것은 어렵습니다.

이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉으로 「면」으로 정확하게 파악할 수 있습니다.또한 스테이지의 대상 물체를 최속 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이 때문에 측정 결과의 편차 없이 순간적으로 정량 측정을 실시하는 것이 가능합니다. 여기에서는 그 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 최고 속도 1초. 「면」으로 대상 물체 전체의 3D 형상을 일괄 취득

「VR시리즈」는 최고 속도 1초만에 부드럽고 얇고 섬세한 요철 시트라도 비접촉·원 샷으로 80만점의「면」데이터를 취득할 수 있습니다. 취득한 3D 형상의 최대·최소의 요철(높이·깊이)을 컬러 맵으로 표현할 수 있으므로 대상 물체 전체에서 변형한 부분을 「가시화」할 수 있습니다.

또한 스캔한 데이터를 직관적인 조작으로 임의의 부분에 여러 개의 프로파일 선을 그릴 수 있습니다. 정확한 프로파일 측정이 가능하므로 요철 형상의 이상 부분의 상세한 데이터도 신속하게 취득할 수 있습니다.
측정 후에도 물체를 다시 설정하고 다시 스캔하지 않고도 과거에 3D 스캔한 광범위한 데이터에서 다른 부분을 프로파일 측정할 수 있습니다.

또한 예를 들어 다른 가공 조건을 부여한 여러 요철 시트 측정 데이터를 사용하여 형상을 비교하거나 원하는 조건을 여러 데이터에 일괄 적응할 수도 있습니다.
이에 따라 정확한 측정·평가는 물론 비약적인 공수 삭감, 업무 효율의 향상을 실현합니다.

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장점 2: 간단 조작으로 누가 측정해도 측정값의 편차 없음

대상 물체를 스테이지 위에 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단 조작으로 3D 형상의 측정을 실현했습니다.
저배율/고배율 카메라를 전환함으로써 미세한 요철을 가진 시트라도 전체나 요철 형상의 세부 사항, 표면 거칠기까지 1대로 정확하게 측정할 수 있습니다.

또한 대상 물체의 특징 데이터로부터 자동적으로 위치 보정이 가능하기 때문에 엄격한 레벨링이나 위치 결정은 불필요합니다. 또 대상 물체의 크기를 판단해 측정 범위를 자동 설정·스테이지 이동하는「Smart Measurement 기능」을 업계 처음으로 탑재해 측정 길이나 Z 범위 등을 설정하는 수고를 일절 배제했습니다.

또한 풍부한 보조 툴을 사용하여 원하는 측정 내용을 직관적으로 설정할 수 있습니다.
간단한 설정은 물론 초보자도 조작하기 쉽기 때문에 측정에 익숙하지 않은 사람이라도 최속 1초만에 정확한 측정이 가능합니다. 그 때문에 연구개발·시험·평가시 등은 물론 양산시의 측정·검사에서의 N수 증가나 경향 분석도 간단하게 실현합니다.

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요약: 정확한 측정이 어려운 요철 시트의 형상 측정을 비약적으로 개선 · 효율화

「VR 시리즈」라면 고속 3D 스캔을 통해 비접촉으로 대상 물체의 정확한 3D 형상을 순식간에 측정 가능합니다. 시트 요철의 3차원 치수는 물론 미세한 높이·요철의 측정, 복수 데이터의 비교 등 지금까지 어려웠던 작업도 단시간에 실현합니다.
「VR 시리즈」를 도입함으로써 지금까지의 측정 과제를 모두 클리어할 수 있습니다.

• 비접촉으로 순식간에 3D 스캔하기 때문에 부드러운 물체라도 신속하게 오차 없이 측정할 수 있습니다.
• 컬러 맵으로 대상 물체 전체에서의 높이 차이를 「가시화」하는 것이 가능합니다.
• 복수의 측정 데이터의 비교나 조건의 일괄 적용이 간단하게 실현되기 때문에 업무 효율이 비약적으로 향상됩니다.
• 한 번 스캔하면 과거 데이터에서 언제든지 임의의 부분의 프로파일 측정과 여러 데이터 비교 등이 가능합니다.
• 위치 결정 등의 작업없이 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단 조작을 실현. 측정 작업을 특정 작업자만 할 수 있는 문제를 해소합니다.
• 간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있기 때문에 단시간에 많은 N수 대응 가능. 품질 향상에 도움이 될 수 있습니다.
• 간단 조작과 자동 제어로 사람에 의한 측정값의 편차를 해소해 정량적인 측정이 실현됩니다.

그 외에도 CAD 데이터와의 비교나 공차 범위 내에서의 분포 등도 간단하게 분석할 수 있기 때문에 연구개발이나 설계, 시험 등의 단계는 물론 양산 투입 후의 샘플링 검사, 불량 발생시의 원인 규명 등 요철 시트 제조의 다양한 장면에서 활용할 수 있습니다.

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