초지기상 종이의 휨강성 측정장치 및 측정방법

초지기상 종이의 휨강성 측정장치 및 측정방법 {ON-LINE STIFFNESS MAEASURING SYSTEM IN PAPER AND MEASURING METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명에 따른 초지기상 종이의 휨강성 측정장치를 도시한 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 초지기상 종이의 휨강성 측정장치에 적용되는 종이 인장 버클링 현상을 설명하기 위한 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 초지기상 종이의 휨강성 측정방법을 도시한 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

100 : 인장력조절부 110 : 구동롤러

120 : 제동롤러 200 : 주름측정부

300 : 인장력측정부 310 : 연동롤러

320 : 로드셀 400 : 제어부

500 : 종이 510 : 자유 스팬

본 발명은 초지기상 종이의 휨강성 측정장치에 관한 것으로서, 초지기상 종이의 휨강성을 신속하게 계산하여 제지 공정상에서 제조되고 있는 종이의 품질 확인이 즉각적으로 이루어지도록 하는 초지기상 종이의 휨강성 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.

생산 중인 종이의 품질이 적합한지를 판단하기 위해서, 종래에는 초지기상이 아닌 최종 생산된 종이에서 샘플을 채취한 후, 채취된 샘플을 통해 종이 품질을 측정하였다. 그러나, 이러한 방법에 의해 종이의 품질을 판단하게 되는 경우, 품질을 검사하는 과정에서 생산된 종이가 품질규격에 적합하지 않게 되면 이미 생산된 종이는 품질규격이 미달된 상태이므로 폐기처분되어야 하는 문제가 발생되었다.

즉, 종이의 휨강성을 측정하는 경우, 생산이 완료된 종이 롤러에서 샘플을 추출한 후 종이의 휨강도를 측정하게 되는 바, 이때, 샘플이 품질규격에 미달되는 것으로 판단되면, 이미 생산된 종이는 폐기되거나 낮은 가격으로 판매되어 경제적으로 큰 손실을 입게 되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 전술된 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제지 공정상에서 종이에 대해 휨강성을 신속하게 확인하고 제어할 수 있는 초지기상 종이의 휨강성 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 종이의 인장력이 조절되도록 구동롤러와 제동롤러가 구비되는 인장력조절부와, 종이의 유동 라인상에 설치되어 상기 인장력조절부에 의해 인장된 종이의 주름 형태를 측정하는 주름측정부와, 유동 라인상에 종이의 인장력을 측정하는 인장력측정부와, 측정된 종이의 인장력과 주름 형태에 의해 계산된 휨강성을 통해 종이의 인장력이 조정되도록 상기 주름측정부 및 인장력측정부와 전기적으로 연결되는 제어부를 포함하는 특징으로 한다.

이때, 상기 제어부는 D =Fa ² / bπ ² {n ² (n ² +1)(a/b) ⁴ -1},(D: 휨강성, a: 종이 스팬 길이, b: 종이 스팬 폭, n: 주름수, F:인장력)인 휨강성 계산식을 통해 종이의 휨강성을 측정하고, 상기 인장력측정부는 한 쌍의 측정롤러를 이동하는 종이의 이동경로 상에 배치되는 연동롤러와, 상기 연동롤러에 설치되어 하중을 가하면 그 크기에 비례하여 전기적 출력이 발생되는 로드셀을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 주름측정부는 상기 인장력 조절부에 의해 인장된 종이가 이동되는 한 쌍의 측정롤러와, 상기 이동되는 종이의 주름 형태를 측정하는 화상분석기를 포함하여 구성된다.

본 발명은 유동되는 초지기상 종이에 인장력을 가하는 단계와, 가해진 인장력에 의해 형성되는 종이의 주름 형태를 측정하는 단계와, 유동되는 종이의 인장력을 측정하는 단계와, 측정된 종이의 주름 형태와 종이의 인장력을 통해 종이의 휨강성을 계산하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 종이의 휨강성을 계산하는 단계는 D =Fa ² / bπ ² {n ² (n ² +1)(a/b) ⁴ -1}, (D: 휨강성, a: 종이 스팬 길이, b: 종이 스팬 폭, n: 주름수, F:인장력)인 휨강성 계산식을 통해 종이의 휨강성을 측정한다.

첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 초지기상 종이의 휨강성 측정장치의 구성도를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 초지기상 종이의 휨강성 측정장치에 적용되는 종이 인장 버클링 현상을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 초지기상(on-line) 종이(500)의 인장력을 조절하는 인장력조절부(100)와, 인장력이 인가된 종이(500)의 주름 형태를 측정하는 주름측정부(200)와, 종이(500)의 인장력을 측정하는 인장력측정부(300) 및, 종이(500)의 주름 형태와 인장력을 통해 종이(500)의 휨강성을 측정하는 제어부(400)를 포함하여 구성된다.

구체적으로 상기 인장력조절부(100)는 종이(500)에 인장력을 부여하는 구동롤러(110)와 상기 구동롤러(110)에 이격 배치되어 인장력이 가해진 종이(500)를 적절하게 제동하는 제동롤러(120)로 구성된다. 이때, 상기 구동롤러(110)의 구동축에는 도시되지 않은 구동모터가 구동연결되어 상기 구동모터의 작동시 종이(500)에 인장력이 인가되고, 상기 제동롤러(120)에는 도시되지 않은 브레이크 유닛이 마련되어 상기 브레이크 유닛의 작동시 제동롤러(120)에 의해 종이(500)의 인장력이 조 절된다.

상기 주름측정부(200)는 인장력에 의한 종이(500)의 주름 형태를 측정하기 위한 것으로, 소정 거리 이격 설치되는 한 쌍의 측정롤러(210)와, 상기 측정롤러(210)의 상부에 이격 배치되어 종이(500)의 주름 형태를 측정하기 위한 화상분석기(220)로 구성되는데, 상기 화상분석기(220)는 상기 제어부(400)와 전기적으로 연결되어 분석된 종이(500)의 주름 형태에 대한 데이타가 상기 제어부(400)에 전달되도록 한다.

여기서, 상기 측정롤러(210)는 인장된 종이(500)의 양측부를 지지하기 위한 것으로, 본 실시예에서는 상기 인장력조절부(100)의 구동롤러(110)가 하나의 측정롤러(210) 역활을 하고 상기 구동롤러(110)에 이격 설치되는 별도의 롤러가 다른 하나의 측정롤러(210) 역활을 하도록 구성되지만, 이에 한정되지는 아니하며, 상기 측정롤러(210)는 인장된 종이(500)의 양측부를 단순히 지지하는 한 쌍의 롤러가 서로 이격 배치되도록 구성될 수도 있다.

상기 인장력측정부(300)는 종이(500)의 인장력을 측정하기 위한 것으로, 종이(500)의 이동경로 상에 배치되는 연동롤러(310)와, 상기 연동롤러(310)에 설치되어 종이(500)의 인장력에 의한 하중을 측정하는 로드셀(320)을 포함한다. 이때, 상기 로드셀(Load Cell)(320)은 인장된 종이(500)에 의해 하중이 가해지면 그 크기에 비례하여 전기적 출력이 발생되며, 발생된 전기적 출력은 상기 제어부(400)에 전달된다.

상기 제어부(400)는 상기 주름측정부(200) 및 인장력측정부(300)와 전기적으 로 연결되는 바, 이로써, 상기 주름측정부(200)에서 측정된 주름 형태와 상기 인장력측정부(300)에서 측정된 종이(500)의 인장력을 통해 종이의 휨강성이 계산된다.

특히, 상기 제어부(400)는 D =Fa ² / bπ ² {n ² (n ² +1)(a/b) ⁴ -1},(D: 휨강성, a: 종이(500) 스팬(510) 길이, b: 종이(500) 스팬(510) 폭, n: 주름수, F:인장력)인 휨강성 계산식을 통해 종이(500)의 휨강성을 측정하게 되는데, 이하, 상술한 휨강성 계산식에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 판상 형태의 물질들이 일방향으로 인장력을 받게 되면 판상 형태의 물질에서는 포아송비(poisson's ratio)에 의해 힘의 수직방향으로 수축이 발생되고, 판상 형태의 물질에 가해지는 힘의 방향에 평행하도록 인장 버클링(tension buckling)이 발생된다. 초지기상에서 인장력에 의해 발생되는 종이(500)의 주름(wrinkle) 현상은 이러한 인장 버클링(tension buckling)에 기인하며, 상기 종이(500)의 주름 현상은 본 발명의 화상분석기(220)를 통해 주름의 형태가 측정될 수 있고, 다른 공정인자와 합력하여 종이(500)의 휨강성(stiffness)이 측정될 수 있다.

예컨대, 제지공정상에서 서로 이격 배치된 두 개의 롤러 사이를 지나는 종이(500)는 기계방향(MD)의 인장력을 받게 되며, 이와 동시에 인장에 따른 종이(500)의 포아송비에 의해 기계의 수직방향(CD)으로 수축된다. 이때, 종이(500)가 포아송비에 의해 기계수직방향으로 수축되는 현상은 롤러와 종이(500) 사이에 발생되는 마찰력에 의해 일반적으로 제한되지만, 롤러와 롤러 사이의 자유 스팬(free span)(510)에 존재하는 종이(500)는 마찰력을 받지 않음에 따라 포아송비에 의해 수축된다. 결국, 롤러 상에 있는 종이(500)는 마찰력에 의해 포아송비에 의한 CD방향 수축이 제한되지만, 롤러와 롤러 사이에 위치한 자유 스팬(510)는 수축이 자유롭게되어 CD방향으로 압축응력이 발생하게 된다.

특히, 종이(500)가 롤러 사이에서 인장력을 받으며 감기게 될 경우, 종이(500)에는 종이(500) 진행방향으로 주름(wrinkle)이 발생되는데, 이때 발생된 주름(wrinkle)수와, 인장력 및, 롤러와 종이(500)의 치수 등의 측정인자들을 적용하여 주름의 휨강성(bending stiffness)를 계산할 수 있다.

롤러간의 거리를 a, 종이(500)의 폭을 b 라고 하면, n 반주름(half wave)이 형성될 때의 응력(stress)은 n-1과 n 반주름(half wave)의 교차시 응력(최소치) 및, n과 n+1 반주름(half wave) 교차시 응력(최대치) 사이 구간이 n 반주름(half wave)을 형성하기 위해 필요한 응력(stress)이 된다.

지폭에 생기는 주름의 반지름(half wave) 개수를 n이라고 할 때, n 반지름(half wave)을 형성하기 위해서 필요한 응력(stress)의 범위 (σ _x )는 다음 식 1과 같다. (인용참고: LS Gehiback, DM Kedl, and JK Good, Tappi J. Vol 72(8), pp 57-62,1989)

σ _e (πD/a ² h)(1-n ² (n ² +1)(a/b) ⁴ )<σ _x <σ _e (πD/a ² h)(1-n ² (n ² -1)(a/b) ⁴ )

(σ _e = πD/a ² h, σ _x = -F/bh) --- (1)

식 1에서 최대치와 최소치의 평균을 계산하고 그것을 휨강성(stiffness) 계산으로 바꾸면 식 2이 된다.

D = Fa ² / bπ ² {n ² (n ² +1)(a/b) ⁴ -1} ----- (2)

(D :CD방향에서의 휨강성(stiffness calculation,mNm), a:종이 스팬(510) 길이(web span length,cm), b:종이 스팬(510) 폭(web span width ,cm), n:주름수(number of wrinkle), F:인장력(tension force,kgf))

이를 구체적으로 살펴보면,

주름(wrinkle) n-1 과 n 의 교차지점의 응력(stress) :

σ _e (πD/a ² h)(1-n ² (n ² +1)(a/b) ⁴ ) - (3)

주름(wrinkle) n 과 n+1 의 교차지점의 응력(stress) :

σ _e (πD/a ² h)(1-n ² (n ² -1)(a/b) ⁴ ) - (4)

식 3와 4의 평균 압축응력(compressive stress) :

-F/bh = (πD/a ² h)(1-n ² (n ² +1)(a/b) ⁴ )

휨강성(stiffness)으로 나타내면,

D =Fa ² / bπ ² {n ² (n ² +1)(a/b) ⁴ -1} (식 2과 일치)

최대치와 최소치 응력(stress)의 평균을 n 반웨이브(half wave) 발생시의 응력(stress)으로 삼을 때, 발생하는 휨강성(stiffness)의 이론적 오차의 최대치는 ((4)응력-(3)응력)/2x(2) 응력이 된다.

한편, 종이의 휨강성을 측정하는 표준 방법인 한국표준시험법(TAPPI method)의 태이버 강성(Taber stiffness)과 상술한 휨강성 계산식을 통해 계산된 종이의 휨강성을 비교하면 다음과 같다.

본 발명에 사용된 종이는 국내제지공장에서 제조된 6가지 제품으로, 이들의 평량은 46g/m ² 에서부터 117g/m ² 으로 다양하게 정하였고, 롤러지의 폭은 실험기기의 한계로 인해 30cm 로 고정하였으며, 롤러지의 길이는 적어도 100 m 이상 충분한 길이를 사용하였다. 표 1은 종이의 주름 측정에 의한 휨강성의 측정결과를 태이버 강성(Taber stiffness) 결과와 비교하여 나타낸다.

<표 1>

표 1에서 나타난 바와 같이, 태이버 강성(Taber stiffness)과 주름(wrinkle) 에 의해 계산된 휨강성은 대체로 일치하는 경향을 보였다. 여기서, 롤러지의 폭은 30cm 로 정해졌으며, 종이(500)의 주름수는 9개로 같이 하였으나 주름수를 더 높이거나 낮아도 측정에는 큰 문제가 없으나, 실험적 편차를 줄이기 위해 롤러지 폭에 대한 일정한 범위의 주름수를 형성하는 것이 바람직하였다.

이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 작동 과정을 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 초지기상 종이의 휨강성 측정방법의 블록도를 나타낸 도면이다.

도 1 및 3에 도시된 바와 같이, 먼저, 인장력조절부(100)를 통해 초지기상 종이(500)에 인장력을 부여한다. 종이(500)에 인장력이 가해지면 상기 주름측정부(200)의 화상분석기(220)는 인장력에 가해진 종이(500)의 주름 형태를 측정하여 측정된 데이타를 제어부(400)에 전달한다. 이때, 상기 인장력측정부(300)의 로드셀(320)은 종이(500)에 가해지는 하중을 측정한 후 측정된 데이타를 제어부(400)에 전달한다.

상기 주름측정부(200) 및 인장력측정부(300)로부터 종이(500)의 주름 형태와 인장력을 전달받으면, 상기 제어부(400)는 종이(500)의 인장력과 주름 형태(예를 들어, 종이 스팬 길이, 종이 스팬 폭, 주름수)를 휨강성 계산식[D =Fa ² / bπ ² {n ² (n ² +1)(a/b) ⁴ -1}]에 입력하여 인장력이 가해진 종이(500)의 휨강성을 계산하고, 계산된 휨강성값이 종이의 공정을 조절하는 부서에 피드백되도록 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 초지기상(on-line)에서의 종이의 휨강성값을 측정하고 측정된 휨강성값을 신속하게 종이의 공정을 조절하는 부서에 피드백하는 바, 종이의 공정을 조절하는 부서에서는 측정된 휨강성값을 통해 생산되고 있는 종이(500)가 품질규격 내의 휨강성을 갖도록 종이의 공정을 조절할 수 있다. 예를 들어, 종이(500)의 휨강성이 품질규격보다 낮은 경우 본 발명은 휨강성값을 제지공정상에서 신속하게 측정하여 종이의 공정을 조절하는 부서에 신속하게 피드백하는 바, 종이의 공정을 조절하는 부서는 측정된 휨강성값을 고려하여 종이 생산 공정을 조절하므로써 종이 규격에 부합하는 제품이 생산되도록 할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 제지 공정상에서 제조되고 있는 초기지상의 종이에 대해 즉각적이고 정확하게 품질을 확인하고 규격 내 종이 생산을 위한 데이터를 빠르게 피드백하므로써, 종이의 품질을 안정화하고, 생산비를 절감할 수 있다는 이점이 있다.