표면 거칠기(Surface Roughness) 완벽 가이드: 단위, 차트, 측정 기법 및 Ra/Rz 해석

표면 거칠기(Surface Roughness)란?

표면 거칠기(roughness)는 표면 텍스처의 한 구성 요소입니다. 실제 표면의 법선 벡터 방향 편차가 이상적 형상에서 얼마나 벗어나는지로 정량화됩니다.

이 편차가 크면 표면은 거칠고, 작으면 매끄럽습니다. 표면 측정학(surface metrology)에서 거칠기는 측정 표면의 고주파, 단파장 성분으로 간주됩니다.

하지만 실제로는 진폭(amplitude)과 주파수(frequency) 모두 알아야 표면이 용도에 적합한지 판단할 수 있는 경우가 많습니다.

거칠기는 실제 물체가 환경과 어떻게 상호작용할지 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 마찰학(tribology)에서 거친 표면은 일반적으로 매끄러운 표면보다 빨리 마모되고 마찰 계수가 높습니다.

거칠기는 기계 부품 성능의 좋은 예측 지표가 되곤 합니다. 표면의 불규칙성이 균열이나 부식의 핵생성 사이트(nucleation site)가 될 수 있기 때문입니다.

반면 거칠기는 접착을 촉진하기도 합니다. 일반적으로 스케일별 기술자(scale-specific descriptors)보다 교차 스케일 기술자(cross-scale descriptors)인 표면 프랙탈리티(surface fractality)가 접촉 강성, 정적 마찰 등 표면에서의 기계적 상호작용을 더 의미 있게 예측합니다.

높은 거칠기 값은 보통 바람직하지 않지만, 제조 현장에서 제어하기 어렵고 비용이 많이 들 수 있습니다.

예: FDM(용융 적층 모델링) 제조 부품의 표면 거칠기 제어는 어렵고 비쌉니다. 표면 거칠기 감소는 보통 제조 비용 증가를 뜻합니다. 이로 인해 부품 제조 비용과 적용 성능 간 트레이드오프가 발생하곤 합니다.

거칠기는 '표면 거칠기 비교기(surface roughness comparator)'와의 수동 비교로 측정할 수 있지만, 일반적으로 프로필로미터(profilometer)로 표면 프로파일 측정을 합니다. 접촉식(다이아몬드 스타일러스)과 비접촉식(광학) 모두 가능합니다.

하지만 제어된 거칠기가 바람직한 경우도 있습니다. 예: 광택 표면은 눈엔 너무 눈부시고 손가락엔 너무 미끄러울 수 있습니다(터치패드 예). 이 경우 제어된 거칠기 필요. 진폭과 주파수 모두 매우 중요한 케이스입니다.

표면 거칠기 단위

산술 평균 거칠기(Ra)가 표준으로, 영제(마이크로인치) 또는 미터법(마이크론/µm) 단위로 측정됩니다. 표면 마무리는 평균화 또는 프로파일링 기기로 측정. 평균화 기기는 웨이비니스(waviness) 측정 불가하며 보통 미터에 표면 마무리 값 표시.

표면 거칠기 측정 방법

표면 거칠기는 표면 프로파일의 상대적 매끄러움을 계산한 것입니다. 이때 수치 매개변수 Ra를 사용합니다. Ra 표면 마무리 차트는 표면 높이를 가로질러 측정한 산술 평균을 보여줍니다.

앞서 언급했듯 표면의 3대 기본 구성요소는 거칠기(roughness), 웨이비니스(waviness), 레이(lay)입니다. 따라서 표면 기하 특성에 영향을 주는 다양한 요소가 있습니다.

마찬가지로 표면 거칠기 측정 시스템도 여러 가지입니다. 주요 시스템:

• 직접 측정법 (Direct measurement methods)
• 비접촉 측정법 (Non-contact methods)
• 비교법 (Comparison methods)
• 공정 내 측정법 (In-process methods)

직접 측정법은 스타일러스(stylus)로 표면 거칠기 측정. 스타일러스를 표면에 수직으로 긁어 프로파일을 얻고, 등록된 프로파일로 거칠기 매개변수 결정.

비접촉 측정법은 빛이나 소리 사용. 백색광, 공초점 현미경 등 광학 기기가 스타일러스 대체. 각기 다른 원리로 측정. 물리적 프로브를 광학 센서나 현미경으로 교체.

먼저 기기가 초음파 펄스를 표면에 보냅니다. 음파가 변형/반사되어 기기로 돌아옵니다. 반사파 분석으로 거칠기 매개변수 결정.

비교법은 표면 거칠기 시편(sample) 사용. 장비나 공정으로 생성된 시편을 촉각과 시각으로 비교. 알려진 거칠기 매개변수 표면과 결과 비교.

공정 내 측정법 예: 인덕턴스(inductance). 자기 재료로 표면 거칠기 평가. 인덕턴스 픽업이 전자기 에너지 사용. 표면까지 거리 게이지로 비교 거칠기 매개변수 산출.

표면 거칠기 차트 (Surface Roughness Chart)

마무리 및 에지 조건에 광범위한 변이가 있습니다. 일반적인 제조 기법과 해당 Ra 표면 마무리 값:

표면 거칠기 측정의 다양한 방법

표면 거칠기 측정에는 다양한 방법과 장비가 관여합니다. 세 범주로 나뉩니다:

• 프로파일링 기법 (Profiling Techniques). 고해상도 프로브로 표면 측정. 축음기 바늘 같은 감도 생각. 일반 CNC 프로브로는 덜 효과적.
• 면적 기법 (Area Techniques). 표면 유한 영역 측정. 표면의 피크와 골 통계적 평균 제공. 초음파 산란, 광학 산란, 정전 용량 프로브 등 예. 자동화/실행 용이.
• 현미경 기법 (Microscopy Techniques). 대비 측정 기반 정성적 기법. 표면 피크/밸리 정보 제공.