액막 두께 측정 장치 및 액막 두께 측정 방법{MEASUREMENT APPARATUS AND METHOD FOR LIQUID THICKNESS}
본 발명은 액막 두께 측정 장치 및 액막 두께 측정 방법에 관한 것으로써, 구체적으로 삼전극 연성인쇄회로기판을 이용하여 액막의 두께를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
평면 상에 존재하는 액막을 측정하는 기술은 다양하며, 대표적으로는 전기 전도도법, 방사선 감쇠법, 초음파법 등이 있다. 이 중 전기 전도도를 이용한 액막 두께 측정의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 인가용 전극(2)으로부터 측정용 전극(3)으로 흐르는 전류를 측정하여 액막 두께를 역산하는 방식으로 액막의 두께를 측정하는 것이 일반적이다. 액막을 구성하는 유체의 저항(Resistance) 또는 임피던스(Impedance)에 의하여 인가용 전극(2)에서 측정용 전극(3)으로 흐르는 전류의 크기가 결정되고, 인가용 전극(2) 및 측정용 전극(3) 위에 형성된 액막의 두께(t)가 두꺼워지는 경우 옴의 법칙(Ohm`s Law)에 의하여 저항 또는 임피던스가 작아지기 때문에 인가용 전극(2)에서 측정용 전극(3)으로 흐르는 전류는 더 커지게 된다. 결국, 액막의 두께와 인가용 전극(2)에서 측정용 전극(3)으로 흐르는 전류의 상관 관계를 이용하여 액막의 두께를 산출하는 것이다. 이러한 액막 측정 방법은 유체의 전기 전도도를 고려해야 하는데, 상술한 전류의 크기는 유체의 전기 전도도에 의하여 변화된다. 도 2는 온도에 따른 물의 전기 전도도의 변화를 도시한 그래프로써, 일반적으로 유체의 전기 전도도는 유체의 온도에 따라 가변하게 되며, 예를 들어 물의 경우는 온도 1도 상승시 약 2%의 전기 전도도가 상승하는 것을 도 2에서 확인할 수 있다. 따라서, 상술한 액막 측정 방법의 경우, 전류의 값이 유체의 온도에 의하여 가변되기 때문에 등온 상태에서의 액막 유동 측정만이 가능하다는 문제가 있다. 일반적으로 2상 유동은 열전달이 수반되는 유동 조건이 많이 나타나기 때문에 현실적인 조건을 반영한 실험 수행을 위해서는 온도가 변하는 유동 조건에서의 액막 측정이 가능해야 한다. 하기 선행문헌은 액막 굴절을 이용한 액막 두께 측정 장치 및 방법에 대한 기술적 내용만 개시하고 있을 뿐, 본 발명의 기술적 요지를 개시하고 있지 않다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치 및 액막 두께 측정 방법은 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다. 액막의 유체 온도 변화에 영향을 최소화함으로써, 유체의 온도가 변화하는 유동 조건에서도 정확한 액막의 두께 측정이 가능한 액막 두께 측정 장치 및 측정 방법을 제안하는 것이다. 또한, 동적 곡면을 포함하는 곡면에 형성된 액막의 두께 측정이 가능하며, 나아가 고온의 환경 하에서도 적용이 가능한 액막 두께 측정 장치 및 측정 방법을 제안하는 것이다. 본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치는 인가 전극인 제 1전극과, 측정 전극인 제 2전극 및 제 3전극이 형성된 연성인쇄회로기판; 및 상기 제 1전극에 전원을 인가하는 전원 인가부;를 포함하고, 상기 제 1전극에 전원을 인가하는 경우, 상기 제 1전극에서 흘러나와 상기 액막의 유체를 경유하여 상기 제 2전극 및 상기 제 3전극에 각각 전달되는 제 1전류값 및 제 2전류값에 기초하여 상기 액막의 두께를 산출한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정용 연성인쇄회로기판은 액막의 두께를 측정하기 위한 액막 두께 측정용 장치에 포함되는 연성인쇄회로기판에 관한 것으로써, 외부로부터 전원을 인가받는 제 1전극; 및 상기 제 1전극에 전원을 인가하는 경우, 상기 제 1전극으로부터 흘러나와 상기 액막의 유체를 경유하여 전달되는 전류를 각각 전달받는 제 2전극 및 제 3전극;을 포함하고, 상기 액막의 두께는 상기 제 2전극이 전달받은 제 1전류값 및 상기 제 3전극이 전달받은 제 2전류값에 기초하여 산출된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 방법은 인가 전극인 제 1전극과, 측정 전극인 제 2전극 및 제 3전극이 형성된 연성인쇄회로기판을 포함하는 액막 두께 측정 장치를 이용한 액막 두께 측정 방법에 관한 것으로써, 액막 내에 상기 연성인쇄회로기판을 배치시키는 단계; 상기 제 1전극에 전원을 인가하는 단계; 상기 제 1전극으로부터 흘러나와 상기 액막의 유체를 경유하여 상기 제 2전극 및 제 3전극으로 각각 전달되는 제 1전류값 및 제 2전류값을 검출하는 단계; 및 상기 제 1전류값 및 제 2전류값에 기초하여 상기 액막의 두께를 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치 및 방법은, 인가 전극 및 측정 전극을 연성인쇄회로기판(FPCB: Flexible Printed Circuit Board)에 형성시킴으로써 동적 곡면을 포함하는 곡면 상의 액막 측정이 가능하고, 나아가 고온 환경 하에서도 적용이 가능하다는 효과가 있다. 또한, 측정 전극을 2개를 구비하고, 인가 전극으로부터 2개의 측정 전극에 각각 흐르는 2개의 전류값의 비를 이용하여 액막의 두께를 측정함으로써, 액막을 형성하는 유체의 온도 변화가 있는 경우라도 정확한 액막의 두께 측정을 담보할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 액막 두께 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 온도에 따른 물의 전기 전도도의 변화량을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치 중 연성인쇄회로기판의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치 중 연성인쇄회로기판의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치를 이용한 실험 결과 중 액막 두께에 따른 전류비 신호를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치를 이용한 실험 결과 중 온도 변화에 따른 전류 및 전류비 신호를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 방법을 시계열적으로 도시한 플로우차트이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다. 이하, 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치에 대하여 설명하도록 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치 중 연성인쇄회로기판의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치 중 연성인쇄회로기판의 정면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치를 이용한 실험 결과 중 액막 두께에 따른 전류비 신호를 도시한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치를 이용한 실험 결과 중 온도 변화에 따른 전류 및 전류비 신호를 도시한 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치는 3개의 전극이 형성된 연성인쇄회로기판(100)을 포함하는데, 구체적으로 연성인쇄회로기판(100)에는 인가 전극인 제 1전극(110)과, 측정 전극인 제 2전극(120) 및 제 3전극(130)이 형성된다. 연성인쇄회로기판(100)은 평면 혹은 곡면 상에 형성된 액막 내부에 배치되며, 제 1전극(110)은 후술할 전원 인가부(200)로부터 전원을 인가받는다. 이때, 제 1전극(110)에서 흘러나와 액막(10)의 유체를 경유하여 제 2전극(120) 및 제 3전극(130)에 각각 전달되는 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)에 기초하여 상기 액막(10)의 두께를 산출할 수 있다. 구체적으로, 액막(10)의 두께는 제 1전류값(I1)과 제 2전류값(I2)의 비율에 의하여 산출되는데, 이 경우 유체의 온도 변화가 있는 경우라도 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)은 함께 변동되며, 이러한 전류비는 액막 두께의 측정시 유체의 온도 변화와 독립된다고 볼 수 있으므로, 유체의 온도 변화 상태에서도 액막 두께를 측정할 수 있는 장점이 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치에서 연성인쇄회로기판(100)을 사용하였는데, 연성인쇄회로기판(100)은 IT(Information Technology) 및 MEMS(Micro Electrical Mechanical System)에 주로 사용되는 인쇄회로기판으로써, 일반적인 인쇄회로기판의 플라스틱 절연기판과는 달리 폴리이미드(PI: Polyimide) 필름으로 제작되므로 우수한 연성 및 내열성을 갖는다. 이로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치는 평면이 아닌 곡면 상에 형성된 액막의 두께 측정이 가능하고, 나아가 고온 상황에서도 적용이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 연성인쇄회로기판(100)에 형성된 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 제 3전극(130)은 도 5에 도시된 바와 같이 연성회로기판(100)의 길이 방향을 따라 일렬로 배치되되, 각각의 전극들은 상호 이격되도록 배치되어야 한다. 특히, 측정용 전극인 제 2전극(120) 및 제 3전극(130)의 양측에는 접지(Ground) 전극 혹은 패턴(140)을 형성시키는 것이 바람직하며, 이를 통해서 제 2전극(120) 및 제 3전극(130)에 일정한 전류 분포를 갖는 전류값들을 전달받을 수 있게 된다. 아울러, 연성인쇄회로기판(100)에는 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 제 3전극(130) 상호 간에 전기적으로 도통하기 위한 별도의 패턴(Pattern)은 형성되어 있지 않아야 할 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치는 상술한 연성인쇄회로기판(100) 이외에 다른 구성들을 포함하고 있으며, 구체적으로 도 4에 도시된 바와 같이 전원 인가부(200), 제 1증폭기(310), 제 2증폭기(320) 및 산출부(400)를 포함하도록 구성된다. 전원 인가부(200)는 제 1전극(110)에 전원을 인가하는 기능을 수행하는 구성으로, 특정한 크기 및 주기를 갖는 교류 전압을 인가할 수 있는 함수 발생기(Function Generator)인 것이 바람직하다. 제 1증폭기(310) 및 제 2증폭기(320)는 제 2전극(120) 및 제 3전극(130)과 전기적으로 연결되어 있으며, 제 2전극(120)이 획득한 제 1전류(I1) 및 제 3전극(130)이 획득한 제 2전류(I2)를 각각 증폭시키는 기능을 수행한다. 특히, 제 1증폭기 및 제 2증폭기는 락인앰프(Lock in Amplifier)로 구성되는 것이 바람직하며, 이러한 락인앰프는 측정하고자 하는 신호 이외에 그것과 일정한 주파수와 위상 관계에 있는 참조 신호를 입력하여, 참조 신호와 같은 주파수와 위상의 측정 신호만을 정류하여 추출할 수 있으므로, 잡음 중에 매몰된 신호를 검출 및 증폭이 가능하게 된다. 한편, 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)은 동시에 획득되는 것이 바람직하다. 산출부(400)는 제 1증폭기(310)에 의해 증폭된 제 1전류값(I1) 및 제 2증폭기(320)에 의해 증폭된 제 2전류값(I2)에 기초하여 액막(10)의 두께를 산출한다. 구체적으로 산출부(400)는 증폭된 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)의 비율(I2/I1)에 기초하여 액막(10)의 두께를 산출하는데, 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)의 비율(I2/I1)과 액막(10) 두께와의 관계는 연성인쇄회로기판(100)에 형성된 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 제 3전극(130)의 위치 및 형상에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 제 1전극(110)의 크기 및 위치를 다르게 가져갈 경우, 전류비(I2/I1)와 액막 두께(t)의 상관 관계를 나타나는 그래프는 다르게 형성되는 것을 도 6에서 확인할 수 있다. 따라서, 산출부(400)에는 유체의 종류, 전극들의 위치 또는 전극들의 형상 등의 측정 조건별 전류비(I2/I1) 및 액막 두께(t)와의 상관관계가 저장되는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 산출부(400)는 두 측정전극인 제 2전극(110) 및 제 3전극(120)에서 각각 형성된 전류비(I2/I1)를 기초로 액막 두께(t)를 산출함으로써, 액막상의 유체의 온도가 변화하더라도 정확한 액막 두께의 측정이 가능하며, 이는 도 7에서 확인할 수 있다. 이하, 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 방법에 대하여 설명하되, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 장치의 설명에서 이미 설명과 중복되는 부분은 그 자세한 설명을 생략하도록 한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 방법을 시계열적으로 도시한 플로우차트이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액막 두께 측정 방법은 인가 전극인 제 1전극(110)과, 측정 전극인 제 2전극(120) 및 제 3전극(130)이 형성된 연성인쇄회로기판(100)을 포함하는 액막 두께 측정 장치를 이용한 액막 두께 측정 방법이다. 구체적으로, 먼저 액막(10) 내에 연성인쇄회로기판(100)을 배치시키는 단계(S200)가 먼저 수행되고, 이후 전원 인가부(300)가 연성인쇄회로기판(100)의 제 1전극(110)에 전원을 인가하는 단계(S200)가 수행된다. 이후, 제 1전극(110)으로부터 흘러나와 액막(10)의 유체를 경유하여 제 2전극(120) 및 제 3전극(130)으로 각각 전달되는 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)을 검출하는 단계(S300)가 수행되고, 마지막으로 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)에 기초하여 액막(10)의 두께를 산출하는 단계(S500)가 수행된다. 한편, 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)을 검출하는 단계(S300)에서, 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)은 동시에 검출되는 것이 바람직하다. 또한, 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)을 검출하는 단계(S300) 및 액막(10)의 두께를 산출하는 단계(S500) 사이에는 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)을 증폭시키는 단계(S400)를 더 포함할 수 있다. 나아가, 액막(10)의 두께를 산출하는 단계(S500)는 구체적으로 제 1전류값(I1) 및 제 2전류값(I2)의 비율(I2/I1)을 산출하는 단계(S510) 및 산출된 비율(I2/I1)과 액막의 두께와의 상관 관계에 기초하여 액막(10)의 두께를 산출하는 단계(S520)로 세분화될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 액막 100: 연성인쇄회로기판
110: 제 1전극 120: 제 2전극
130: 제 3전극 140: 접지 전극
200: 전원 인가부 310: 제 1증폭기
320: 제 2증폭기 400: 산출부 |
