그림 1. 방해석을 통해 본, 미터랩 로고
우리가 창밖을 바라보면 창 너머의 모습은 깨끗한 하나의 상으로 보인다. 유리는 일반적으로 등방성인 물질이기 때문이다. 하지만, 방해석(Calcite)나 쿼츠(Quartz) 같은 결정 물질은 다르다. 방해석으로 물체의 상을 투과해서 보게 되면, 그림 1과 같이 두 개의 상이 나타난다. 이때, 방해석을 시계 방향, 혹은 반시계 방향으로 돌리게 되면, 가만히 있는 상과 그 상의 주변을 따라 움직이는 상이 보이게 된다. 가만히 있는 상의 빛을 정상광선(ordinary ray)라 하고, 움직이는 상의 빛을 이상광선(extraordinary ray)라고 한다. 그림 2와 같이 복굴절 물질은 특정 방향으로 광축(optic axis)이 존재하며 빛의 편광 상태에 따라 굴절률이 다르기 때문에 스넬의 법칙(Snell’s law)에 따라 물질을 지날 때 굴절각이 달라, 두 개의 상이 보이게 되는 것이다.
그림 2. 복굴절 물질을 투과하는 서로 수직인 두 편광 상태의 빛
복굴절은 광학적으로 비등방성인 물질에서 나타나지만, 광학적으로 등방성인 물질에서도 복굴절이 일어날 수 있다. 등방성인 물질에 한쪽 방향으로 응력을 가해주어 물리적인 변형을 주면 비등방성이 발생한다. 이러한 물질을 생활 속에서 쉽게 구할 수 있는데, 그림 3(a)와 같은 OHP 필름이다. 제작 공정에서 PET 소재를 물리적으로 늘려 필름 형태로 만들게 되는데, 이 과정에서 비등방성이 발생하게 된다. 미터랩의 t-Nova-1550TN으로 정상광선과 이상광선 경로의 두께와 굴절률을 측정하기 위해 그림 3(b)와 같이 OHP 필름(PET 필름)을 적당한 크기로 잘라 샘플을 준비하였다.
그림 3. (a) PET 소재인 OHP 필름, (b) 샘플 사진
그림 4. (a) t-Nova-1550TN을 이용한 PET 필름의 정상광선 경로의 두께와 굴절률(no) 측정 사진, (b) 측정 결과 화면
그림 5. (a) t-Nova-1550TN을 이용한 PET 필름의 이상광선 경로의 두께와 굴절률(ne) 측정 사진, (b) 측정 결과 화면
복굴절 물질의 정상광선과 이상광선 경로의 각각의 두께와 굴절률을 측정하기 위해서 미터랩의 t-Nova-1550TN 센서를 사용하였다. t-Nova-1550TN은 두께뿐만 아니라 굴절률도 한 번에 측정할 수 있는 세계 최초의 센서이다. 앞에서 언급하였듯이 정상광선과 이상광선은 편광 상태가 다르다. 그렇기 때문에 편광자를 센서에 넣어주어 한 가지의 편광 상태만 볼 수 있도록 간단히 추가적인 작업을 해주었다. 그림 4(a)와 같이 PET 필름 샘플을 센서에 넣으면, 그림 4(b)와 같이 정상광선 경로의 두께 101.054 μm와 굴절률(no) 1.660로 측정 결과를 확인할 수 있다. 다음으로, 샘플을 90˚로 회전시키면 이상광선 경로의 두께 100.129 μm, 굴절률(ne) 1.631로 측정되었다. 그럼 이 결과를 어떻게 사용하면 좋을까?
그림 6. s-Nova-850H를 이용한 PET 필름의 두께 프로파일 측정 사진
필름 생산 공정에서 인라인으로 두께를 관리하기 위한 방법으로, 미터랩에서 개발한 초분광 이미징(hyperspectral imaging) 분광 센서 s-Nova-850H를 활용할 수 있다. 그림 6과 같이 s-Nova-850H는 별도의 기계적인 구동 없이, 한 번 촬영으로 한 라인의 두께 프로파일 측정이 가능하다. 이를 공정 라인에 설치하게 되면 생산품이 한 방향으로 지나가면서 필름의 전 영역의 두께 측정이 가능하다. 하지만, 광학 방법의 두께 측정이기 때문에 반드시 측정하려는 대상물의 굴절률을 알아야 한다. 그렇기 때문에 앞에서 t-Nova-1550TN을 사용하여 두 굴절률(no, ne)을 측정하였고, 이 결과를 사용할 것이다.
그림 7. (a) s-Nova-850H를 이용한 정상광선 경로의 두께 측정 결과 화면, (b) 이상광선 경로의 두께 측정 결과 화면
PET 필름의 두께 프로파일을 측정하고, 같은 지점의 두께 데이터를 확인하면, 그림 7의 아래 그래프와 같이 두께 신호 두 개가 나란하게 나타난다. 이는 각각 정상광선과 이상광선의 경로에 대한 신호이다. 그림 7(a)는 정상광선 경로에 대한 두께를 측정하기 위해 굴절률(no) 1.660을 입력해 주었고, 두 신호 중에 뒤에 있는 두께 신호이다. 측정 결과, 두께 101.04 μm를 확인할 수 있다. 다음으로, 그림 7(b)는 이상광선 경로에 대한 두께를 측정하기 위해 굴절률(ne) 1.631을 입력해 주었고, 두 신호 중에 앞의 두께 신호가 이상광선 경로에 해당한다. 두께 측정 결과, 100.23 μm임을 확인할 수 있다. 측정 결과는 표 1에 정리하였다.
표 1. 미터랩의 t-Nova-1550TN을 이용한 정상광선, 이상광선 경로의 두께, 굴절률 측정 결과와 s-Nova-850H를 이용한 두께 측정 결과
이렇게, 미터랩의 두께와 굴절률 동시 측정 센서 t-Nova-1550TN과 초분광 이미징 분광 센서 s-Nova-850H를 사용하면, 제조 공정에서 생산품의 두께 관리를 보다 쉬우면서도 빠르고 정밀하게 할 수 있을 것으로 기대한다.
