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표면거칠기 구성 요소 (Surface Roughness Components)

1. Overview

표면 거칠기는 단일한 요철 특성이 아니라, 측정된 형상 프로파일(Profile)를 여러 단계로 분해하여 해석한 결과이다.

실제 측정된 표면 프로파일에는

• 전체적인 형상 오차
• 중간 스케일의 파상도
• 미세한 거칠기 성분

이 모두가 중첩되어 포함되어 있으며, 세분화된 프로파일 분석을 통해 각 구성 요소를 분리하여 평가할 수 있다.

이러한 분해 과정에 따라 표면 거칠기는 Form, Waviness, Roughness, Micro-Roughness의 네 가지 구성 성분으로 구분되며, 이 요소들을 목적에 맞게 조합하여 효과적인 품질 관리에 활용할 수 있다.

2. 프로파일(Profile)의 구성 개념

측정된 표면 프로파일은 다음과 같은 관계를 가진다.

• 전체 단면 곡선(Profile)
  = Form + Waviness + Roughness (+ Micro-Roughness)

즉, 하나의 측정 데이터 안에는 서로 다른 파장과 주파수 대역의 표면 특성이 동시에 존재한다.

Figure 1. 측정된 표면 프로파일을 형태, 파형 및 거칠기 구성 요소로 분해한 결과

3. 프로파일의 네 가지 구성 성분

3.1 형상 (Form)

Form은 표면 프로파일을 구성하는 요소 중 가장 긴 파장을 가지는 저주파 성분으로, 표면 구성 요소의 가장 마지막 단계에 해당한다.

• 전체적인 형상 오차 또는 기하학적 편차
• 이론적인 설계 형상을 기준으로 가공된 결과
• 공작물의 정렬 오차, 장비 기하 오차 등이 반영됨

👉 Form은 일반적인 표면 거칠기 평가에서는 제거 또는 분리 대상이 되는 경우가 많다.

3.2 파상도 (Waviness)

Waviness는 표면 프로파일에서 수평 위치에 따라 완만하게 변화하는 중간 파장 성분이다.

• 낮은 주파수 영역의 표면 조직 요소
• 가공물과 가공 도구 사이의 저주파 진동, 기계 구조 변형의 영향
• 회전 가공, 이송 불균일성에 의해 발생

👉 Waviness는 단순 거칠기 수치(Ra)만으로는 충분히 평가하기 어려운 성분이다.

3.3 거칠기 (Roughness)

Roughness는 표면 프로파일에서 수평 위치에 따라 급격히 변화하는 고주파 성분이다.

• 기계 가공 과정에서 직접 형성되는 표면 조직
• 공구 상태, 가공 조건, 재료 특성이 반영됨
• 가장 일반적으로 품질 관리에 사용되는 영역

👉 Ra, Rq, Rz 등의 대표적인 거칠기 파라미터는 이 Roughness 영역을 대상으로 계산된다.

3.4 미세 거칠기 (Micro-Roughness)

Micro-Roughness는 표면 조직 중 가장 작은 스케일의 구성 요소로,

• 재료의 미세 구조
• 코팅 표면
• 나노 단위 표면 특성

등에 의해 형성된다.

👉 광학 부품, 반도체, 정밀 박막 공정에서는 Micro-Roughness가 성능에 직접적인 영향을 미친다.

4. 파장 스케일에 따른 표면 구성 요소 구분

표면 구성 요소는 공간 파장(spatial wavelength) 기준으로 다음과 같이 구분된다.

• Micro-Roughness: 약 2.5 μm ~ 8 μm
• Roughness: 약 0.25 mm ~ 2.5 mm
• Waviness: 약 8 mm ~ 12.5 mm 이상
• Form: 그 이상의 장파장 영역

5. 표면 거칠기 구성 요소 정리

표면 거칠기 측정은 단일 수치를 비교하는 것이 아니라, 프로파일을 구성하는 각 성분을 목적에 맞게 해석하는 과정이다.

• Form → 기하학적 정확도 평가
• Waviness → 공정 안정성 및 장비 상태 평가
• Roughness → 가공 품질 및 표면 특성 평가
• Micro-Roughness → 정밀 기능 및 성능 평가

이 네 가지 요소를 적절히 조합함으로써 제품 요구 사양에 맞는 최적의 품질 관리 전략을 수립할 수 있다.

Summary

표면 거칠기는 하나의 개념이 아니라, 다중 스케일 표면 구성 요소의 집합이다.

정확한 표면 평가를 위해서는

• 프로파일 분해 개념의 이해
• 파장 스케일에 따른 성분 구분
• 목적에 맞는 파라미터 선택

이 필수적으로 요구된다.