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진공계란?

진공계는 어떤 공간 내의 진공도를 측정하기 위한 센서입니다.

그 목적에 따라 분압진공계와 전압진공계 중 하나를 선택합니다. 또한, 측정 방식도 다양하며, 그 차이에 따라 측정 가능한 진공도 범위에 차이가 있는 것이 특징입니다.

진공계의 용도 예시

진공 공간에는 수분을 포함한 불순물이 극히 적기 때문에 고청정도가 필요한 제조 현장에서는 진공 공간을 많이 활용합니다. 그 중에서도 진공 도달도 관리가 필요한 챔버나 석영관 등에 연결된 유체 회로에 설치되는 것이 진공계입니다.

진공계의 용도로는 반도체 제조장치의 플라즈마 에칭 공간이나 야금, 유기합성 등의 실험설비에 설치되는 경우가 많습니다. 또한, 이온빔 장치나 증착 장치 등 대상물 표면의 가공 용도 등 표면 청결도가 요구되는 곳에서도 사용됩니다.

진공계의 원리

진공계의 종류와 측정 원리는 매우 다양합니다. 진공계는 극소량으로 존재하는 기체 분자의 운동량을 잘 측정하여 공간 내 기체 밀도 및 진공도로 환산합니다. 진공계 중 가장 널리 보급된 것은 ‘피라니 진공계’입니다.

피라니 진공계는 전기저항형 진공계로, 전류를 흘린 백금선에 기체가 충돌할 때 사라지는 열에너지로 전류를 계산하고, 그 값에서 압력을 역산합니다. 이 미세한 압력이 그대로 진공도에 해당하는 구조입니다.

진공계 선택 방법

진공계는 다양한 종류가 존재하기 때문에 목적에 맞는 진공계를 적절히 선택해야 합니다. 용도별 유형, 측정 방법에 따라 특징이 다르기 때문에 각각의 특징을 충분히 이해하는 것이 중요합니다.

또한, 각종 진공계도 여러 종류가 있으므로 측정하고자 하는 목적의 진공 공간의 진공도에 따라 선택해야 합니다. 최종 진공 도달도를 보장하고 싶다면 하나의 진공계로 충분하지만, 진공 펌프에 의한 배기 속도 등의 거동을 알고 싶다면 여러 개의 진공도를 설치해야 합니다.

진공계의 종류

진공계는 용도별, 측정 방법, 측정 범위에 따라 몇 가지 종류로 분류할 수 있습니다.

1. 용도별

• 분압진공계

  분압진공계는 개별 기체만의 진공도를 측정할 때 선택하며, 두 가지 이상의 기체가 혼합된 상태에서 각각의 기체가 나타내는 압력이 분압입니다.

  같은 압력이라도 가스의 종류에 따라 성질이 다르기 때문에 진공의 품질을 분석하는 데 사용합니다. 분압진공계로 가장 일반적인 것은 질량분석기입니다.

  질량분석기는 이온원, 분석부, 검출부 세 가지로 구성되어 있습니다. 전기장이나 자기장을 사용하여 특정 이온만을 관찰함으로써 각 기체의 압력을 알 수 있습니다.

• 전압진공계

  전압진공계는 공간 내 진공도를 단순하게 측정하고 싶을 때 선택합니다. 측정 방법에 따라 다양한 종류가 존재하므로 목적에 맞는 선택이 필요합니다.

2. 측정 방법

측정 방법은. ‘압력 자체를 감지하는 방법’, ‘기체의 수송 현상을 이용하는 방법’, ‘기체 내 이온화 현상을 이용하는 방법’ 크게 세 가지로 분류됩니다.

• 압력 자체를 감지하는 방법

  압력 자체를 감지하는 진공계로는 U자형 진공계가 있는데, U자형 진공계는 유리로 만든 U자형 튜브의 한쪽을 진공으로 배기하여 밀봉한 차압계입니다.

  압력차에 의해 발생하는 액체 기둥의 높이로 기체의 압력차를 읽을 수 있는데, U자형 진공계는 기체의 종류에 구애받지 않는 것이 특징입니다. 따라서 압력을 절대적으로 측정할 수 있어 다른 진공계의 교정 기준으로 사용되고 있습니다.

• 기체 수송 현상을 이용하는 방법

  기체의 수송 현상을 이용한 진공계가 열전도 진공계입니다. 기체의 열전도율은 압력에 따라 변화하는 성질을 이용한 진공계입니다.

  열전도 진공계에도 여러 종류가 있는데, ‘피라니 진공계’, ‘서미스터 진공계’, ‘열전대 진공계’ 등이 있습니다. 열전도 진공계의 주의점은 고진공이 되면 열전도율보다 열 복사의 영향이 더 커진다는 것입니다. 따라서 열전도 진공계는 고진공 측정에는 사용할 수 없다는 단점이 있습니다.

• 기체 중의 이온화 현상을 이용하는 방법

  기체의 이온화 현상을 이용한 진공관으로는 페닝 진공계(냉음극 이온화 진공계)와 이온 게이지(열음극 이온화 진공계)가 있습니다. 페닝 진공계는 진공 상태에서의 방전 현상을 이용하여 압력을 측정할 수 있습니다. 내구성이 뛰어나지만 기체 종류에 따라 감도가 크게 달라집니다.

  페닝 진공계는 회로 구성이 간단하다는 장점이 있습니다. 반면, 페닝 방전은 불안정할 수 있기 때문에 정밀한 측정이 어렵다는 단점이 있습니다. 또한, 표면의 오염이 심하면 음극의 전자 방출량이 적어져 방전이 되지 않는 점, 고진공 상태가 되면 방전을 시작하기가 어려운 점 등이 있습니다.

3. 측정 범위

압력은 저진공, 중진공, 고진공, 초고진공 등의 진공도로 구분되며, 진공계의 종류에 따라 측정 진공도가 다릅니다. 진공도는 JIS(일본공업규격)에 따라 다음과 같이 압력 범위에 따라 5가지로 분류되어 있습니다. 피라니 진공계는 저진공부터 중진공까지 측정할 수 있고, 전리진공계는 중진공부터 초고진공까지 측정이 가능합니다.

• 저진공 (low vacuum): 105Pa~102Pa
• 중진공 (medium vacuum): 102Pa～10-1Pa
• 고진공 (high vacuum): 10-1Pa～10-5Pa
• 초고진공 (ultra high vacuum): -5Pa～10-8Pa
• 극고진공(extremely high vacuum): 10-8Pa 이하

전위차계란?

전위차계는 회로의 두 지점 사이의 전위차에 의해 전위나 전압 등을 정확하게 측정할 수 있는 기기입니다.

대전된 도체 사이의 정전기 인력과 정전기 반발력을 이용하여 회로에서 전류를 흘려보내지 않고도 측정할 수 있습니다. 전위차계의 대표적인 형태로는 사분면 전위차계와 진동 용량 전위차계를 들 수 있습니다.

사분면 전위차계는 금속제 가동편(4개로 분할된 원판 사이가 철사로 매달려 있음)에 의해 측정하며, 전위 외에도 미세전류, 저전력률(공급 전력 중 소비전력의 유효 이용률이 낮음을 나타내는 지표) 등의 측정에 이용할 수 있습니다.

진동 용량 전위차계는 입력과 병렬로 연결된 전기 용량을 변화시켜 직류 입력을 교류로 변환한 후, 이를 증폭하여 출력을 읽어내는 방식입니다. 그러나 취급에 숙련된 기술이 필요하기 때문에 최근에는 디지털 멀티미터가 널리 사용되고 있습니다.

전위차계의 사용 용도

전위차계는 일반 전압계로 평가가 어려운 경우에 많이 사용됩니다. 구체적인 용도는 다음과 같습니다.

• 내부 저항이 높은 전원의 기전력을 측정하는 경우.결정체, 마찰전기 등 압전처럼 고전압이지만 전류를 흘릴 수 없는 경우
• 전류를 흘려도 양극과 음극의 분극이 발생하여 기전력의 정확한 값을 측정할 수 없는 경우

전위차계는 일반 전압계에 비해 입력 저항이 KΩ 정도로 매우 높습니다. 따라서 방사선, 정전기, 절연재료 등의 분야에서 전위, 절연저항, 전하, 미세전류 측정에 사용됩니다.

전위차계의 원리

전위차계는 정전기를 측정하는 표면 전위 측정기의 경우 정전기 유도 현상을 이용하여 대전된 물체로부터 유도된 전하를 전류로 변환하여 교류 전압 값으로부터 대전 전위를 측정합니다.

표면전위 측정기의 측정부인 표면전위 센서는 정전기 유도 현상을 이용하고 있습니다. 정전기 유도 현상은 전하를 띤 물체를 도체에 가까이 했을 때, 전하를 띤 물체에 가까운 쪽에 전하를 띤 물체와 반대 극성의 전하가 끌어당겨지는 현상을 말합니다.

전위차계에서 정전기장 강도(전기장의 세기를 나타내는 값으로, 대전된 물체의 전위에 비례한다)를 검출 전극이 받으면 유도전하가 발생합니다. 이 정전기장 강도를 진동전극으로 주기적으로 변화시키면 유도전하도 동조하여 주기적인 변화를 일으켜 검출전극에서 접지(접지극)로 변위전류가 흐르게 됩니다. 이때 흐르는 전류를 저항을 통해 교류 전압 신호로 변환하여 충전된 물체의 충전 전위를 측정할 수 있습니다.

측정되는 값은 거리, 물체의 크기, 환경 조건(온도, 습도 등)에 영향을 받기 때문에 이러한 요인을 일정하게 유지한 상태에서 비교 검토를 해야 합니다.

전위차계의 기타 정보

1. 인체 전위 측정기에 대하여

전위차계 중에서도 특히 인체의 전위를 정확하게 측정하기 위한 장비가 인체전위 측정기입니다. 인체전위측정기를 사용하면 측정한 전위값을 바탕으로 작업자가 가지고 있는 전자기기의 충전이나 공구류의 방전 전류로 인해 전자기기가 파괴될 수 있는지 여부를 판단할 수 있습니다.

또한 인체전위 측정기를 통해 손목밴드, 정전기 매트, 정전기 신발 등의 정전기 대책이 인체의 전위를 어느 정도 감소시킬 수 있는지를 평가할 수 있습니다.

2. 산화환원전위계의 주의점

전위차계 중에서도 산화환원전위계의 경우, 전극의 염화칼륨이 침전되어 전극 끝부분의 구멍을 막게 되므로 전극 끝부분이 마르지 않도록 주의해야 한다. 물을 평균화하기 위해 전극으로 물을 저어주면서 측정합니다.

만약 산화환원전위계의 수치가 비정상적인 경우, 물때나 산화막 등의 부착이 원인일 가능성이 높습니다. 물때가 센서에 묻었을 때는 부드러운 솔 같은 것으로 끝부분을 가볍게 문질러서 수돗물로 씻어냅니다.

그래도 산화환원전위 수치가 비정상적으로 나오면 중성세제를 희석한 것을 부드러운 브러시 등에 묻혀서 세척하면 좋습니다. 산화막이 센서에 부착된 경우에는 감지극 연마제를 사용해야 합니다.

운송 중 흔들림으로 산소가 발생하기 때문에 구입한 지 얼마 되지 않은 제품도 산화막이 생길 수 있습니다. 또한 깨끗한 물을 측정하는 경우 산소량이 많기 때문에 산화막 형성에 주의해야 합니다.

UV 광원이란?

UV 광원이란 자외선(UV)을 조사하는 기구입니다.

시중에 판매되는 UV 광원 장치는 자외선을 발생시키는 광원부 외에 냉각장치와 자외선을 이용하기 쉽도록 렌즈를 통해 직선광으로 만드는 광학계가 세트로 되어 있는 것이 있습니다. 종류에 따라 발진되는 자외선이 다릅니다.

3종류의 광원이 있으며, 365nm(나노미터) 파장의 자외선을 발산하는 ‘고압 수은형’, 200~400nm의 자외선을 발산하는 ‘메탈할라이드형’, 254nm, 185nm의 파장을 발산하는 ‘저압 수은형 램프’로 구분됩니다. 조사할 수 있는 자외선의 종류는 기기의 기능에 큰 영향을 미치므로 목적에 맞는 자외선 광원을 선택해야 합니다.

고강도 자외선 광원은 장치 자체가 고온이 되기 때문에 냉각장치가 부착되어 있습니다. 사용 시에는 이취를 동반한 오존이 발생하거나 주변 유기물을 분해할 수 있으므로 취급에 주의해야 합니다.

UV 광원의 사용 용도

목적에 따라 다른 UV 광원을 사용합니다. 종류별 사용 용도는 다음과 같습니다.

1. 고압 수은형 램프

UV 수지, 도료의 경화에 많이 이용됩니다.

2. 금속할라이드형 램프

단파장의 자외선으로 경화되는 수지, 도료에 이용됩니다. 고압수은형에 비해 금속할라이드형 램프는 발진되는 자외선이 연속적인 파장이기 때문에 UV 수지, 도료의 경화 시 총 에너지가 강합니다.

3. 저압 수은형 램프

254nm의 단파장을 자외선 살균 등에 이용하고, 254nm/185nm의 다중 파장은 살균 외에도 물의 항산화 처리 및 UV 세척에 사용합니다. 또한 오존도 발생하기 때문에 실리콘 기판 등에 부착된 유기물 세정에도 사용할 수 있습니다. 단, 장시간 사용하면 산화막이 형성되기 때문에 주의가 필요합니다.

UV 광원의 원리

UV 광원은 기체 상태의 수은을 방전시켜 자외선을 방출하는 장치로, UV 광원은 양 끝에 전극이 달린 유리관에 수은(Hg)과 희가스를 봉입한 구조로 되어 있습니다.

전극에 흐르는 전류에 의해 내부에서 열에너지가 발생합니다. 이 열에너지에 의해 이미터(전자방출물질)가 전자를 방출하고, 전자는 전극 사이를 한 방향으로 이동합니다. 이 이동 중에 전자는 내부에 존재하는 Hg 분자와 충돌하고, Hg 분자는 그 충격으로 자외선을 방출하는 것입니다.

자외선은 유리를 통과할 때 도장된 형광물질에 접촉, 흡수되면서 파장이 변화하여 원하는 파장의 자외선으로 조사됩니다. 즉, 자외선의 파장을 결정하는 것은 유리의 재질과 유리에 도장된 형광물질의 차이입니다.

고압 Hg 램프와 메탈할라이드형 램프에는 석영유리가 사용되는 반면, 저압 Hg 램프에는 합성 석영유리가 사용됩니다. 또한, 저압 Hg 램프는 내부에 오존이 봉입되어 있는지 여부에 따라 파장을 더욱 변화시킬 수 있습니다.

UV 광원의 기타 정보

1. UV 광원의 LED화

일반 백열등이나 형광등은 10년 이상 전부터 LED로 교체가 진행되고 있습니다. 하지만 UV 광원은 앞서 언급했듯이 여전히 수은을 사용한 UV 광원이 일반적으로 널리 사용되고 있습니다.

UV 광원의 LED화를 가로막는 요인으로 수지의 경화나 잉크나 도료의 건조에 사용하기에는 출력이 낮고 작업 시간이 오래 걸린다는 점을 꼽을 수 있습니다. 하지만 각 LED 광원 제조사들의 노력으로 최근에는 고출력 LED (UV) 광원도 등장하고 있습니다.

일반 UV 광원을 LED 광원으로 교체하면 소비전력 감소로 전기료 절감 효과를 기대할 수 있고, 수명이 길고 전원 ON/OFF에 따른 열화도 적어 광원 교체 횟수가 줄어드는 등의 장점이 있습니다. 또한 UV 광원인 자외선 램프는 수은을 사용하기 때문에 인체와 환경에 악영향을 미치는 수은 사용량을 줄인다는 측면에서도 LED 광원화에 대한 장점은 매우 큽니다.

2. UV 광원으로 UV 경화되지 않는 원인

UV 광원의 활용 사례로 수지의 경화에 사용되는 경우가 있는데, 사용 상황이나 환경, 수지 재료의 조합에 따라 수지가 굳지 않는 경우가 있습니다. 주요 원인은 다음과 같습니다.

• 높은 습도
  재료 및 경화제의 조합에 따라 습도가 높은 경우에는 수지의 경화 속도가 현저하게 저하되는 경우입니다. 이러한 환경에서 작업이 필요한 경우에는 첨가제를 사용함으로써 개선될 수 있습니다.
• 파장이 맞지 않음
  재료나 경화제마다 경화를 위해 조사하는 최적의 UV 파장이 존재합니다. 재료나 경화제의 스펙을 확인하여 최적의 광원을 사용하고 있는지 확인하시기 바랍니다.
• 광원의 출력 부족
  LED 광원에서는 출력이 부족하여 부재의 깊숙한 곳까지 빛이 닿지 않아 경화가 이루어지지 않는 경우가 있습니다. 수은 램프와 같은 설정으로는 경화가 잘 되지 않을 수 있으므로 광원을 변경하는 등의 노력이 필요합니다.

산업용 저울이란?

산업용 저울은 농림수산업, 산업을 막론하고 제품 생산 및 개발 현장에서 사물의 무게를 측정하기 위한 계측기입니다.

산업용 저울은 화학물질 분석 등 실험실에서 사용하는 정밀 계량에 사용되는 전자저울이라는 제품부터 바닥에 매립되어 대형 트럭 한 대 분량을 측정하는 플로어 스케일이라고 불리는 타입까지 다양한 제품이 있습니다. 또한, 분말을 계량하는 방진 사양, 액체의 경량화를 위한 방수 사양, 폭발성 가스가 발생하는 등 위험 장소에서의 계량을 위한 방폭 사양 등 사용 용도나 측정 환경에 따라 다양한 제품이 있습니다.

산업용 저울의 사용 용도

산업용 저울은 다양한 산업에서 무게를 알기 위해 각각의 필요에 맞는 제품이 사용되고 있습니다. 구체적으로 화학 분야의 연구실에서의 연구개발 및 분석, 농림수산업, 공산품 생산 공장, 물류업계의 창고 등에서 사용되고 있습니다.

생산 및 물류업계에서는 제품의 수량을 파악하기 위한 수량계로 활용되고 있습니다. 예를 들어, 작은 나사 제품의 수량을 계산하기 위해 미리 100개 정도의 무게를 산업용 저울에 기억시켜 놓으면 저울에 올려놓기만 하면 제품의 수량을 알 수 있습니다.

이 외에도 액체나 분말의 자동 충진, 충진량 검사, 배치 처리를 위한 계량, 조제, 분주 등 일련의 자동화된 제조 공정에 산업용 저울이 내장되어 있습니다. 제약, 화장품, 화학, 식품 산업 등 산업용 저울이 사용되는 분야는 매우 다양합니다.

산업용 저울의 원리

일반적인 저울에는 후크의 법칙을 이용한 용수철 저울, 지렛대 원리를 이용한 저울 등이 있지만, 산업용 저울은 주로 전자기식, 로드셀식, 음차식 측정 원리가 사용됩니다.

1. 전자기식 산업용 저울

전자기식 산업용 저울의 내부 구조는 저울의 구조와 유사합니다. 시료가 막대 한쪽에 놓여 있고, 지점을 사이에 두고 막대 반대편에 전자기 코일이 배치되어 있습니다.

시료의 무게에 대해 평형을 유지하는 데 필요한 전자기력을 측정하고, 전자기력을 무게로 환산합니다. 전자기식에서는 높은 정밀도로 측정이 가능하며, 분석 저울 등 미량의 시료를 측정하는 저울에 적합한 방식입니다.

2. 로드셀식 산업용 저울

무게에 의해 왜곡이 발생하는 기왜곡체(기왜대)와 기왜곡체의 왜곡을 감지하는 왜곡 게이지로 구성된 계량기입니다. 기왜곡체의 한쪽은 고정되어 있고, 그 반대편에 시료를 올려놓습니다.

시료의 무게로 인해 발생하는 기수형체의 왜곡을 왜곡 게이지로 저항값으로 뽑아 무게로 환산합니다. 구조가 비교적 간단하고 가격이 저렴하다. 정확도 요구가 높지 않은 중량물 등의 측정에 적합한 방식입니다.

3. 음차식 산업용 저울

음차식 산업용 저울은 음차 두 개를 연결한 진동자에 시료의 하중을 가하여 변화하는 진동수를 측정하여 무게로 환산하는 방식입니다. 비교적 역사가 짧은 측정 원리이며, 측정 정확도는 전자기식과 로드셀식의 중간 정도입니다.

산업용 저울의 기타 정보

1. 대저울

계량대라는 받침대 모양의 평면 위에 고정된 물체를 올려놓고 무게를 측정하는 ‘계량기’를 총칭하여 ‘받침대 계량기’라고 부릅니다. 받침대 부분이 올려놓은 물건의 무게에 따라 가라앉아 그 양을 무게로 측정하는 구조로 되어 있습니다.

가정용 체중계, 주방용 저울, 상점용 저울, 프로판 가스의 양을 측정하는 저울, 바닥면이 계량대 구조로 되어 있어 대형 차량 등이 자력으로 올라갈 수 있는 ‘트럭 스케일’ 등 다양한 용도와 용량으로 다양한 제품이 있습니다.

또한 내부 구조도 용수철을 이용한 아날로그식 외에도 로드셀, 전자기식 등의 센서를 가지고 디지털 숫자로 표시하는 디지털식, 방수 구조나 방폭 구조 등 용도, 용량, 가격대에 따라 다양한 제품이 있습니다.

2. 계량대

질량을 측정하는 ‘저울’의 측정할 물건을 올려놓는 계량접시, 플랫폼 부분의 명칭입니다. 제조업체에 따라 ‘계량대’의 제품 명칭으로 계량대라고 부르기도 합니다.

3. 전자저울

전자저울은 주로 질량을 측정하는 ‘전자저울’을 말합니다. 저울 구조가 내장된 모델과 저울 구조가 없는 원블록 구조의 제품이 있습니다. 전자저울의 측정 방식은 전자기력 평형 방식, 로드셀 방식, 음차 진동 방식 등이 있습니다.

초기 전자저울은 전자기력 평형식이 주류를 이루었으나, 최근에는 스트레인 게이지식 로드셀을 사용한 제품이 널리 보급되고 있습니다. 측정 정확도는 전자기력 평형식이 로드셀식보다 높은 것이 일반적입니다.

레이저 현미경이란?

레이저 현미경은 광원에 레이저 빛을 주사하여 시료를 관찰할 수 있는 광학 현미경의 일종입니다.

일반적으로 공초점 광학계를 채택하여 공초점 레이저 현미경 또는 CLSM이라고도 합니다. 레이저 현미경은 공초점 광학계에 의해 비초점면의 빛을 배제할 수 있기 때문에 수평 방향인 XY 방향뿐만 아니라, 높이 방향인 Z 방향의 공간 해상도가 높습니다.

따라서 높이 방향으로 시차를 두고 현미경 이미지를 측정하여 3차원 이미지나 전초점 이미지를 얻을 수 있습니다.

레이저 현미경의 사용 용도

레이저 현미경은 빛을 이용한 측정이기 때문에 시료를 만질 필요가 없습니다. 따라서 산업 분야에서는 반도체, 전자부품 등 정밀기기의 3차원 형상 관찰, 표면 형상 관찰을 위해 사용되며, 생명과학 분야에서는 형광물질로 표지된 세포나 생체조직의 관찰에 활용되고 있습니다.

또한, 제조사에 따라 레이저 현미경의 측정 스테이지를 커스터마이징할 수 있기 때문에 대형 평판 디스플레이 등 대형 시료에 대한 측정도 가능합니다.

레이저 현미경의 원리

레이저 현미경 비교

그림 1. 레이저 현미경 비교

레이저 현미경은 렌즈와 거울과 같은 일반적인 현미경의 구성과 유사하지만, 레이저를 광원으로 사용하며 공초점 광학계로 설계되어 있습니다. 레이저 광은 방출되는 빛의 파장, 위상이 일치하며 단색성, 지향성, 직진성이 우수한 것이 특징입니다.

일반적인 빛은 위상과 파장이 제각각이기 때문에 광로가 정렬되지 않고, 시료에 조사되어 발생하는 반사광에는 산란광이 겹쳐져 깨끗한 이미지를 얻을 수 없습니다. 반면, 레이저 현미경은 렌즈의 투과, 시료의 반사를 거쳐 반사광이 집광되는 위치에 핀홀을 설치하여 산란광 등 불필요한 빛을 제거할 수 있습니다. 따라서 윤곽이 뚜렷하고 깨끗한 이미지를 얻을 수 있습니다.

또한, 레이저 현미경으로 2차원 이미지를 얻을 때는 스테이지를 움직이는 방식과 레이저 기구를 움직이는 방식이 있습니다. 각각의 특징은 다음과 같습니다.

• 스테이지를 움직이는 방식
  넓은 범위를 측정할 수 있지만, 스테이지의 크기에 한계가 있기 때문에 큰 샘플을 측정할 수 없습니다.
• 레이저 기구를 움직이는 방식
  다양한 크기의 시료를 측정할 수 있으며, 표면의 미세 구조를 측정할 수 있습니다.

레이저 현미경의 스캐닝 방법

그림 2. 레이저 현미경의 스캔 방법

레이저 현미경으로 스캔을 하는 방법은 다양합니다. 예를 들어 갈바노 미러에 의한 스캐닝은 기계적으로 미러를 움직이는 방식이지만, MEMS 스캐너나 레조넌트 스캐너 방식에 의해 고속화하기도 합니다.

스피닝 디스크 방식은 고속 측정에 대응하고 있으며, 다수의 마이크로 렌즈, 핀홀 어레이가 배열된 디스크에 레이저 광을 쏘아 시료에서 반사된 다수의 빛을 동시에 포착하는 방식입니다. 이 방법은 한 번에 많은 정보를 얻을 수 있지만, 어느 정도 확산되어도 충분한 강도를 가진 고출력 레이저가 필요합니다.

레이저 현미경의 기타 정보

1. 레이저 현미경과 전자현미경의 차이점

그림 3. 레이저 현미경과 전자 현미경의 차이점

고배율 현미경으로 레이저 현미경 외에 전자 현미경을 들 수 있는데, 이 두 장비의 원리는 동일하지 않습니다. 레이저 현미경은 빛을 이용하지만, 전자현미경은 전자를 이용하기 때문에 관찰 배율, 설비, 측정 기술이 크게 다릅니다.

전자는 파장으로 변환하면 가시광선에 비해 매우 짧기 때문에 전자현미경의 해상도가 매우 높아 주사형 전자현미경(SEM)은 수 나노미터의 구조까지 관찰할 수 있습니다. 반면 레이저 현미경은 파장보다 짧은 영역의 구조를 관찰할 수 없고, 해상도가 수백 나노미터에 불과합니다.

레이저 현미경과 전자 현미경은 장비가 크게 다르며, 전자 현미경은 전자선을 사용하기 때문에 진공 상태에서 측정해야 합니다. 또한, 절연성이 높은 물질을 전자현미경으로 측정할 경우, 전자선에 의해 표면에 전하가 축적되어 영상이 왜곡되는 등의 제약이 있어 시료 고유의 물성이 어떤 것인지에 대한 주의가 필요합니다.

또한, 측정 기술로서도 전자현미경은 표면 절삭과 관찰 조건의 최적화 등 숙련된 기술이 요구됩니다. 반면, 레이저 현미경은 전하가 축적되지 않고, 표면의 절삭도 정밀도가 요구되지 않기 때문에 전자현미경에 비해 범용적으로 사용할 수 있습니다.

2. 레이저 현미경으로 표면 거칠기 측정

공초점 레이저 현미경은 비접촉으로 시료 표면의 거칠기를 측정할 수 있습니다. 시료 표면의 거칠기를 측정하는 방법으로는 원자간력 현미경이 있지만, 공초점 레이저 현미경은 비접촉으로 측정할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 반면, 원자간력 현미경과는 해상도가 다르기 때문에 시료 표면의 거칠기에 따라 적절한 장비를 선택해야 합니다.

반도체 노광 장비란?

반도체 노광기는 반도체 제조 공정 중 실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 묘사하기 위한 장비입니다. 회로 패턴의 원형이 되는 포토마스크에 강력한 자외선을 투과시켜 포토레지스트를 도포한 실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 전사합니다. 최근에는 미세한 회로 패턴을 미세화하기 위해 EUV라고 불리는 13nm 파장의 레이저를 사용하는 장비도 있습니다. 위치 결정 등이 매우 높은 정밀도를 요구하기 때문에 장비 가격이 비싼 편입니다.

반도체 노광장치의 사용 용도

반도체 노광기는 MOS(금속산화물반도체)-FET(전계효과 트랜지스터) 등의 반도체 소자를 포함하는 IC(집적회로) 제조 공정의 노광 공정에 사용됩니다.

IC 제조 공정에서는 실리콘 웨이퍼 위에 포토리소그래피와 에칭의 사이클을 순차적으로 반복하여 실리콘 산화물이나 금속 등의 층(레이어)을 정해진 패턴으로 적층 및 가공하는 과정에서 반도체 소자로서의 필요한 특성을 갖도록 처리합니다. 일례로 n형 MOS(NMOS)의 경우, p형 실리콘 기판 위의 게이트 영역에 실리콘 산화물막과 그 위에 게이트 금속을 형성하고, 드레인 및 소스 영역에는 고농도의 불순물을 이온 주입하여 n형(n+형) MOS를 형성합니다. 이러한 일련의 공정에서 포토리소그래피 및 에칭의 각 공정은 그림과 같이 구성됩니다 (성막 공정 S1~레지스트 박리 공정 S6).

이 중 노광공정 (S3)이 반도체 노광장치를 이용하여 이루어지는 공정입니다. 회로 패턴의 치수나 반도체 소자의 정밀도에 따라 노광 장비의 파장이 달라집니다.

반도체 노광장치의 원리

반도체 노광기는 광원, 커패시터 렌즈, 포토마스크, 프로젝션 렌즈, 스테이지로 구성됩니다. 광원에서 발생한 자외선은 커패시터 렌즈에 의해 같은 방향을 향하도록 조정됩니다. 이후 회로 패턴을 구성하는 한 층의 원형이 되는 포토마스크를 통과한 자외선이 프로젝션 렌즈를 통해 빛이 축소되어 실리콘 웨이퍼 위에 반도체 소자의 회로 패턴(한 층)을 전사합니다. 스테퍼와 같은 노광 장치에서는 한 번 전사가 끝나면 스테이지에 의해 실리콘 웨이퍼가 이동하여 실리콘 웨이퍼의 다른 위치에 동일한 회로 패턴을 전사합니다. 포토마스크를 교체하면 반도체 소자의 회로 패턴의 또 다른 층을 전사할 수 있습니다.

광원으로는 248nm 파장의 KrF 엑시머 레이저, 193nm 파장의 ArF 엑시머 레이저, 13nm 파장의 EUV 광원 등이 사용됩니다.

최신 반도체 제조 공정의 디자인 룰(최소 가공 치수)은 3~5nm 정도까지 미세화가 진행되어 커패시터 렌즈, 포토마스크, 프로젝션 렌즈, 스테이지 모두에 나노 단위의 높은 정밀도가 요구되고 있습니다. 또한, 적층화가 진행되면서 하나의 반도체를 만들기 위해 회로 패턴을 바꿔가며 여러 번 노광을 하게 됩니다.

반도체 노광장비 시장 규모와 점유율

세계 전자기기 시장은 지속적으로 확대되고 있으며, 이를 뒷받침하는 반도체 산업의 중요성은 점점 더 커지고 있습니다. 세계 반도체 시장은 2019년 마이너스 성장을 기록했지만, 과거에도 리먼 쇼크 등을 겪으면서도 지속적으로 성장하고 있습니다. 최근 메모리는 미세화에서 3D화로 기술 개발이 변화하고 있어 에칭 기술의 중요성이 높아지고 있습니다.

반도체 노광장비의 시장 규모는 2018년 기준 1조 852억 엔입니다.
소비 지역별 점유율은 1위 한국 36%, 2위 대만 19%, 3위 중국 18%, 4위 미국 14%, 5위 일본 7% 순입니다. 반도체 노광장비 벤더 국적별 점유율(2018년 기준)은 유럽(84%), 일본(14%), 미국(2%)으로 유럽과 일본이 거의 과점하고 있습니다.

EUV 노광장비에 대하여

EUV(Extreme Ultraviolet의 약자) 노광기는 극자외선이라고 불리는 매우 짧은 파장의 빛을 이용한 반도체 노광 장치입니다. 기존의 ArF 엑시머레이저 빛을 이용한 노광장비로는 가공이 어려운 미세한 치수의 가공이 가능합니다.

반도체의 미세화는 무어의 법칙 (반도체 집적회로는 1년에 두 배씩 고집적화, 고기능화가 실현된다)에 따라 미세화되어 왔습니다. 그동안 스테퍼라고 불리는 축소 투영 노광 기술과 노광 파장의 단파장화, 침지 노광 기술의 개발로 해상도를 비약적으로 향상시켜 왔습니다.

미세화는 웨이퍼에 구울 수 있는 최소 가공 치수가 작아지는 것을 의미하며, 그 최소 가공 치수 R은 다음과 같은 레이리의 공식으로 표현됩니다.

R＝k・λ/NA ※k는 비례상수, λ는 노광 파장, N.A.는 노광 광학계의 개구수

지금까지 다양한 기술 개발을 통해 k를 작게 하거나 λ를 작게 하거나 NA를 크게 하여 미세화를 실현해 왔습니다.EUV 노광장치는 노광 파장의 단파장화를 통해 지금까지의 한계를 돌파할 수 있는 기술로 평가받고 있으며, 최근 양산화가 이루어지고 있습니다.

반도체 노광장비의 가격

반도체 노광기는 현재 반도체를 효율적으로 양산하는 데 없어서는 안 될 장비이지만, 역사상 가장 정밀한 기계로 꼽히는 만큼 가격이 높습니다..

반도체 노광장치에서 사용하는 광원 파장이 짧을수록 미세한 패턴을 형성할 수 있고, 노광장치의 가격도 높아진다고 합니다. 파장별로 i선이 약 4억엔, KrF가 약 13억엔, ArF 드라이가 약 20억엔, ArF 침지가 약 60억엔, EUV가 약 200억엔 규모라고 합니다.

회로가 미세화될수록 신호 전달의 고속화, 에너지 절약 등을 도모할 수 있지만, 최근 반도체 노광장비의 가격도 포함해서 미세화에 따른 공정 비용의 증가를 무시할 수 없게 되었습니다.

또한, 반도체 노광장비에 요구되는 성능으로 반도체 제조 비용 측면에서 반도체 노광장비의 처리량도 중요한 지표가 됩니다. 처리량이란 회로 패턴을 얼마나 빠르게 노광할 수 있는지를 나타내는 성능으로, 처리량이 높아지면 실리콘 다이 한 장당 제조비용(런닝 비용)은 낮아집니다. 반도체 칩을 대량 생산할 때 중요하게 여겨집니다.

3차원 측정기란?

3차원 측정기는 부품의 다양한 형상 정보를 3차원 위치 정보로 파악하여 입체적으로 파악할 수 있는 측정기입니다.

부품의 형상을 서로 직교하는 X축, Y축, Z축에 대해 어떤 기준점의 위치로부터의 거리로 표현하여 입체적으로 측정합니다. 예를 들어, 금형의 모서리 R 형상과 같이 버니어 캘리퍼스 등으로 측정할 수 없는 형상도 측정할 수 있습니다.

치수 외에도 3차원 위치 정보를 소프트웨어로 분석하여 각 부위의 위치 관계, 윤곽 형상, 기하 공차를 구할 수 있습니다. 측정을 통해 형상을 3차원 정보로 디지털화하면 후처리로 다양한 분석을 할 수 있습니다.

3차원 측정기를 통한 측정은 일반적으로 정밀 측정의 범주에 속합니다. 정밀 측정은 온도 팽창으로 인한 오차를 피하기 위해 일정한 온도로 관리되는 방에서 이루어집니다. 일반적으로 20℃로 관리되는 경우가 많습니다.

측정하는 제품도 충분히 오랜 시간을 두고 측정 온도에 도달해야 합니다. 3차원적으로 정확한 결과를 얻기 위해서는 전문적인 기술이 요구되기도 합니다.

3차원 측정기의 사용 용도

3차원 측정기는 주로 자동차 부품 등의 형상 측정에 사용되고 있습니다. 또한 제품뿐만 아니라 제품을 만들기 위한 금형의 치수 측정에도 사용됩니다.

3차원 측정기는 3DCAD 등으로 설계한 형상과 실제 제작된 부품을 3차원 측정기로 측정한 형상을 비교하여 설계 도면대로 잘 만들어졌는지 확인할 수도 있습니다. 이 조사 방법을 리버스 엔지니어링이라고 합니다. 이외에도 도면이 없는 타사 제품 등의 부품 형상을 3차원 모델로 디지털 데이터화할 수도 있습니다.

단순한 길이뿐만 아니라 각도나 기하공차도 구할 수 있습니다. 또한 둥글게 가공된 모서리 R형상 등 버니어 캘리퍼스나 마이크로미터 등으로 측정할 수 없는 형상의 측정에도 3차원 측정기가 활약합니다.

기존에는 접촉식 3차원 측정기가 주류를 이루었으나 최근에는 비접촉식도 많이 개발되고 있습니다. 접촉식은 측정 정밀도와 신뢰성이 높은 반면, 고도의 기술이 필요하거나 몇 가지 제약이 있었습니다. 이 점에 대해서는 아래에서 설명하겠습니다.

3차원 측정기의 원리

3차원 측정기에는 ‘접촉식’과 ‘비접촉식’이 있는데, 각각 원리가 크게 다릅니다.

1. 접촉식 3차원 측정기

접촉식 3차원 측정기는 스타일러스라는 측정자를 측정 대상에 직접 접촉시켜 점의 좌표 위치 정보를 기록합니다. 오래전부터 사용되어 온 방식이며, 올바른 작업을 통해 신뢰할 수 있는 측정을 할 수 있습니다. 스타일러스에는 온도에 따른 열팽창이 거의 없는 세라믹이나 루비 등이 사용됩니다.

스타일러스를 접촉시키기 때문에 측정 대상물이 고무 등 부드러운 제품인 경우 접촉력으로 인해 변형이 발생할 수 있습니다. 접촉을 수반하기 때문에 접촉면에 흠집이 생길 가능성도 있습니다. 또한, 스타일러스의 팁 직경보다 작은 R형상에 대해서는 정확한 측정이 불가능합니다.

2. 비접촉식 3차원 측정기

비접촉식 3차원 측정기는 대략적으로 말하면, 측정 대상물에 레이저 등을 비추어 측정물의 3차원 좌표 형상을 기록하는 방식입니다. 비접촉식이기 때문에 측정부가 손상될 염려가 없습니다. 또한 단시간에 측정할 수 있어 최근 수요가 증가하고 있습니다.

접촉식에서는 측정 포인트를 하나하나 스타일러스를 접촉시켜 3차원 위치 정보를 기록하기 때문에 측정 시간이 길다는 것이 단점 중 하나였습니다. 일반적으로 접촉식 측정이 비접촉식 측정보다 정확도와 신뢰성이 높다고 알려져 있습니다.

하지만 기술의 발전으로 비접촉식도 접촉식과 다를 바 없는 정확도와 신뢰성을 확보할 수 있게 되었습니다. 비교적 고도의 기술을 필요로 하는 접촉식에 비해 비접촉식은 숙련된 기술 없이도 측정이 가능합니다. 측정 목적에 따라 구분하여 사용해야 합니다.

접촉식, 비접촉식 모두 고도의 영상처리 기술이 적용되어 다양한 분석이 가능해졌습니다. 분석 결과의 표시도 입체적인 모델 등으로 시각적으로 이해하기 쉽게 출력할 수 있습니다.

3차원 측정기의 기타 정보

1. 3차원 측정기의 장점

3차원 측정기의 장점은 캘리퍼스나 마이크로미터와 같은 계측기로는 측정할 수 없는 복잡한 형상이나 윤곽, 기하공차를 측정할 수 있다는 점입니다. 대형 부품도 측정할 수 있습니다. 특히 접촉식의 경우 취급에 숙련이 필요하지만, 프로그램 측정을 통해 야간에 자동으로 측정할 수 있도록 하는 것도 가능합니다.

2. 3차원 측정기의 단점

3차원 측정기의 단점은 장비가 크고 넓은 설치 공간이 필요하다는 점, 다른 측정기에 비해 취급에 기술이 필요하다는 점입니다. 비접촉식은 비교적 다루기 쉬운 반면, 측정물이 거울면이나 도금 등 광택이 있는 경우 측정이 불가능할 수 있습니다. 또한, 장비의 가격이 상당히 고가라는 점도 도입 시 고려해야 할 사항입니다.

프로파일 프로젝터란?

프로파일 프로젝터는 측정 대상을 정확한 배율로 스크린에 확대 투영하여 확대된 상에서 형상이나 치수를 관찰 및 측정하는 장치입니다.

프로파일 프로젝터는 광학 측정이기 때문에 측정 대상물에 비접촉으로 측정 및 관찰이 가능하며, 측정 대상물을 손상시킬 염려가 없습니다. 또한, 스크린에 확대 투영하여 측정하기 때문에 여러 사람이 동시에 관찰할 수 있습니다. 취급이 간편하다는 점이 장점입니다.

스크린의 크기는 300~500mm가 주를 이루지만, 큰 것은 1,000mm 이상 되는 제품도 있습니다. 만능 측정기는 구조가 간단하고 가격이 저렴하며 장소에 구애받지 않고 도입할 수 있어 현재까지도 꾸준한 수요를 유지하고 있는 측정기입니다.

프로파일 프로젝터의 사용 용도

프로파일 프로젝터는 주로 공산품 생산 현장이나 품질 보증 분야에서 사용되고 있습니다. 전원을 켜면 바로 사용할 수 있고, 스크린에 확대 투영되기 때문에 제조 라인에서 품질 확인에 편리한 측정기입니다.

가공품의 윤곽 형상 관찰 및 치수 측정에 사용되며, 템플릿을 이용한 비교 측정에도 유용합니다. 측정 대상은 주로 금속 부품이나 수지 성형품 등이지만, 광학 측정이기 때문에 생물체 등 빛과 투과하는 물체도 관찰할 수 있습니다. 또한, 단순하지만 표면을 관찰할 수 있는 기능을 갖춘 기종도 있어 사용 장면과 분야가 다양합니다.

프로파일 프로젝터의 원리

프로파일 프로젝터는 측정 대상에 빛을 투과시켜 만든 그림자를 렌즈를 통해 스크린에 확대된 상을 투사합니다. 따라서 스테이지의 측정 대상을 놓는 부분은 유리 등과 같이 빛이 투과될 수 있도록 투명하고 투과율이 높아야 합니다.

투과형 조명의 광학계에는 텔레센트릭 광학계가 사용됩니다. 텔레센트릭 광학계는 초점이 맞지 않는 상태에서도 상이 흐려질 뿐 크기가 변하지 않는 것이 장점입니다.

또한, 프로파일 프로젝터는 초점부터 결상까지 하나의 렌즈 유닛으로 이루어지기 때문에 렌즈의 크기와 배율에 따라 초점에서 스크린까지의 거리가 자연스럽게 결정됩니다. 스크린이나 장치의 크기에 제한이 있다는 점에 유의해야 합니다.

프로파일 프로젝터의 기타 정보

1.프로파일 프로젝터의 오차 요인

프로파일 프로젝터로 측정할 때 대표적인 오차 요인은 측정 오차와 배율 오차입니다. 만능 투영기는 기본적으로 스크린에 비친 가장자리를 육안으로 정렬하여 측정하기 때문에 육안 정렬 오차나 작업자의 습관에 의한 오차를 무시할 수 없습니다.

측정물의 기울기와 XY 스테이지의 평행이 일치하지 않아 발생하는 오차, 만능 투영기 본체나 측정물의 수평이 맞지 않아 발생하는 오차도 측정 오차의 한 원인이 됩니다. 또한, 만능 투영기는 그 측정 원리상 광원에서 스크린까지의 빛이 평행광이 되지 않습니다.

따라서 내부에 장착된 거울이 기울어져 있으면 화면의 중앙과 가장자리에서 배율에 차이가 발생하게 됩니다. 이를 배율 오차라고 하는데, 배율 오차가 너무 커지면 광축 중심에서 벗어난 부분의 측정값의 신뢰성이 떨어지게 됩니다.

2. 프로파일 프로젝터라는 명칭

투영기에 대해 규정하고 있는 JIS는 JIS B 7184이지만, 만능 투영기라는 명칭은 규정되어 있지 않으며, JIS에서는 측정 투영기라는 명칭으로 규정되어 있습니다. 즉, 정확히 말하면 만능 투사기라는 명칭은 JIS에 규정된 제품이 아닙니다. 하지만 각 제조사에서는 만능 투영기라는 명칭으로 제품을 출시하고 있습니다.

JIS B 7184는 1972년에 제정되었으며, 당시에는 프로젝션기 또는 만능 프로젝션기로 규정되었습니다. 그러나 1999년에 개정되면서 만능 투사기라는 명칭을 측정용 투사기로 바뀌었습니다. 만능 투영기라는 명칭에서 마치 만능 측정기처럼 인식되어 측정기의 명칭으로 적합하지 않다는 이유에서 입니다.

그래서 그 이전에 개발된 제품에는 만능투영기라는 명칭이 남아 있는 제품도 있지만, 결코 JIS 규격에서 벗어난 제품이라는 의미는 아닙니다. 다만, 측정에 필요한 스케일, 카운터, 각도 표시 등이 가능한 제품이라는 규정이 있습니다. 이러한 기능이 탑재되지 않은 프로젝터는 JIS에 해당하지 않으므로 주의가 필요합니다.

로봇 컨트롤러란?

로봇 컨트롤러는 산업용 로봇이나 협동로봇에 동작을 명령하는 제어장치입니다.

로봇 컨트롤러는 로봇의 동작을 제어하기 위한 기판이 탑재된 컨트롤러부와 사용자 인터페이스(U/I)부로 구성됩니다. 컨트롤러부는 외부와의 교류를 통해 PLC 등과 통신하며 로봇을 제어하는 것이 주된 역할입니다.

반면, 사용자 인터페이스부는 사람이 로봇을 조작하기 위한 것으로 TP(티칭 펜던트)라고 부릅니다. 로봇을 수동 조작으로 움직이거나 프로그램을 작성하여 로봇을 움직일 수 있습니다.

로봇 컨트롤러의 사용 용도

로봇 컨트롤러는 주로 로봇 팔을 제어하기 위해 사용됩니다.

로봇 컨트롤러가 제어할 수 있는 로봇 팔은 다음과 같습니다.

• 수직 다관절 로봇
• 스칼라 로봇
• 협동 로봇

이 로봇들은 용접을 하거나 짐을 운반하는 등 사람을 대신하여 작업을 수행합니다. 로봇 컨트롤러는 로봇에 동작 명령을 내리는 것이 주된 역할입니다. 또한, 엔드 이펙터(로봇 손이라고도 함) 등 로봇에 연결된 주변기기를 제어할 수도 있습니다.

로봇에 동작 지령을 보내는 방법에는 다음과 같은 방법이 있습니다.

• 티칭
  TP를 사용하여 로봇의 동작을 가르치고(티칭) 프로그램을 작성하는 것 입니다. TP를 이용한 티칭은 기존의 산업용 로봇에 널리 보급되어 있습니다.
• 외부 기기와의 통신
  사령탑인 PLC와 컨트롤러부를 연결하여 PLC에서 컨트롤러부를 통해 로봇을 제어하거나 프로그램대로 움직일 수 있으며, PLC와 로봇 컨트롤러의 연결은 I/O(ON 또는 OFF의 디지털 신호)나 Ethernet 통신을 이용합니다.

로봇 컨트롤러의 원리

로봇 컨트롤러는 다음과 같은 원리와 기능을 가지고 있습니다.

• 로봇의 동작 결정
  PLC 등 상위 장치의 지령에 따라 로봇의 다음 동작을 결정합니다.
• 연산, 지령
  로봇의 관절에 있는 모터의 동작을 연산하여 모터에 지령을 보냅니다.
• 이상 감지
  로봇의 이상을 감지하여 정지합니다.

최근 제품에는 AI가 탑재된 제품도 있고, 티칭을 하지 않아도 로봇 스스로 다음 동작을 어떻게 해야 할지 판단해 동작하는 제품도 많습니다. 산업용 로봇이나 협동로봇의 로봇 컨트롤러는 로봇 제조사에서 출시하고 있으며, 제조사마다 사양이 다릅니다.

기본적으로 로봇 컨트롤러는 타사와의 호환성이 없으며, 특정 제조사의 로봇 컨트롤러로 타사 로봇을 움직일 수 없습니다.

로봇 컨트롤러의 기타 정보

1. TP(티칭 펜던트)의 종류

TP는 사람이 로봇을 움직이기 위한 부분으로, TP는 유선형과 무선형(태블릿형 등) 두 가지가 있습니다.

• 유선형 TP
  유선 타입은 기존에 사용하던 산업용 로봇에 많이 사용됩니다. 자동차 제조사 등 기존 산업용 로봇이 사용되고 있는 제조 현장에서는 작업자가 익숙하게 사용하고 있습니다.

  유선 타입의 단점은 초보자가 사용법을 익히는 데에 어느 정도 시간이 걸린다는 점입니다. 이 타입의 컨트롤러를 초보자가 사용하기 위해서는 매뉴얼을 읽거나 로봇 강습회를 통해 어느 정도 조작에 익숙해지거나, 전용 로봇 SIer에게 시스템 구축을 의뢰해야 합니다.

• 무선 타입의 TP
  무선 타입은 주로 사람 협동 로봇에 많이 사용됩니다. 이 타입의 장점은 초보자도 비교적 쉽게 사용할 수 있도록 설계되어 있다는 점입니다.

  큰 화면의 터치패널이나 다이렉트 티칭이라는 직관적인 조작을 채택한 TP가 많아 초보자도 쉽게 사용할 수 있도록 되어 있습니다. 따라서 로봇 SIer에게 의뢰하지 않고도 스스로 로봇을 제어할 수 있습니다.

  또한 굵은 케이블이 없어 깔끔한 로봇 시스템을 구축할 수 있습니다.

2. 로봇 컨트롤러의 진화

로봇 컨트롤러는 로봇의 용도 확대와 자동화 수요 증가에 따라 날로 진화하고 있습니다. 여기서는 로봇 컨트롤러의 진화 방향으로 로봇 컨트롤러의 소형화와 고기능화에 대해 설명합니다.

• 소형화
  최근 전자부품 조립 등의 용도로 소형 로봇에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이에 따라 로봇 컨트롤러의 소형화 요구가 많아지고 있습니다.

  후지코시, 가와사키중공업, 야스카와전기 등의 로봇 제조업체들이 12~15L급 소형 로봇 컨트롤러를 제품화하고 있습니다. 이들 제품은 기존 모델보다 70% 이상 소형화되어 있습니다.

• 고기능화

  로봇 컨트롤러는 로봇뿐만 아니라 주변 기계를 일괄적으로 제어하는 방향으로 진화하고 있습니다. 예를 들어, 로봇 컨트롤러 안에 PLC 기능을 내장하여 서보 모터나 I/O 등을 제어하는 외부 시스템 제어반이 필요 없는 제품도 등장했습니다.

파티클 센서란?

파티클 센서는 일정 시간 동안 흡입한 공기 중의 미립자 수를 계수하는 장치를 말합니다.

주로 클린룸에서 사용됩니다. 여기서 ‘파티클’은 미립자 이물질을 의미하며, 특히 반도체 제조에서 이물질은 불량 발생 및 수율 저하의 원인이 되므로 관리가 필요합니다.

비슷한 장치로 파티클 카운터가 있는데, 용도는 거의 동일합니다. 다만, 파티클 센서는 연속 측정이 가능한 반면, 파티클 카운터는 연속 측정이 불가능한 경우도 있습니다.

파티클카운터는 파티클센서보다 측정 정확도가 높고, 장비의 크기가 큰 편이며, 공기 중뿐만 아니라 액체 중에도 사용할 수 있는 모델이 많습니다. 고성능 모델에서는 0.1㎛ 이상의 미립자를 측정할 수 있습니다.

파티클 센서의 사용 용도

파티클 센서는 주로 클린룸 내에 설치하여 룸 내 청정도 모니터링에 사용됩니다. 구체적으로 자동차 도장 공정의 청결도 모니터링, 반도체 제조 공장의 클린룸 관리 등입니다.

사용 용도의 폭이 넓어지고 있는데, 예를 들어 인체에 영향이 우려되는 PM2.5를 측정하기 위한 차량용 파티클 센서도 있습니다. 초소형 타입으로 상당히 작은 기종이 인기를 끌고 있으며, DIN 레일에 설치할 수 있는 타입이나 벽걸이형도 있습니다.

파티클 센서의 원리

파티클 센서의 원리는 크게 광 산란 방식과 광 차폐 방식의 두 가지 작동 원리가 있습니다. 둘 다 공기를 흡입하는 펌프가 내장되어 있어 일정한 속도로 연속적으로 측정하지만, 각각의 입자를 검출하는 방식이 빛의 산란을 이용하느냐, 통과에 의한 감쇠를 이용하느냐에 따라 달라집니다.

1. 광산란 방식

광산란 방식의 입자 센서는 보통 레이저가 공기 중의 미립자에 부딪혀 빛이 산란하는 모습을 포토다이오드로 감지하여 산란광을 전기 신호로 변환하는 검출 방식입니다. 이 방식에서는 빛의 산란에 의한 전기 신호의 횟수와 강도의 차이로 미립자의 크기와 개수를 계산할 수 있습니다.

2. 광차폐 방식

광차폐 방식의 파티클 센서는 항상 빛을 포토다이오드에 조사하여 광원과 포토다이오드 사이의 공기 중 미립자가 빛을 통과할 때 약화된 부분을 전기신호로 감지하여 미립자의 크기와 개수를 계수하는 방식입니다.

입자 센서는 측정 정확도 설정에 주의를 기울여야 합니다. 광 산란, 광 차폐 방식과 마찬가지로 클린룸의 청정도에 비해 입자 센서의 측정 정밀도가 너무 높으면 측정 오차가 커지는 경향이 있습니다.

클린룸의 청정도 관리를 위해 원하는 측정 오차 범위 내에서 파티클 센서를 사용하려면 적절한 측정 범위의 모델을 선택해야 합니다.

파티클 센서에 대한 기타 정보

1. 분진계와의 차이점

분진계와 파티클 센서 또는 파티클 카운터의 가장 큰 차이점은 측정 대상인 미립자의 농도입니다. 분진계는 보통 0.01mg/m3 이상의 고농도 미립자 농도 측정을 대상으로 하며, 미립자의 양이 아닌 무게로 농도를 평가합니다. 반면, 파티클 센서나 파티클 카운터는 미립자 수로 계측을 정량화한다는 차이가 있습니다.

특히 파티클카운터는 저농도, 청정도가 높은 환경 측정에 견딜 수 있도록 단발성 측정이 주를 이루며 사양도 Class1부터 Class9까지 세분화되어 있는 반면, 분진계의 경우 연속 측정으로 측정 가능한 농도 범위도 비교적 넓습니다.

2. 휴대용 입자센서

최근 청정도가 요구되는 환경과 산업이 다양하고, 그 측정 장소도 클린룸뿐만 아니라 다양해짐에 따라 휴대가 편리한 파티클 센서에 대한 수요가 많습니다.

리튬이온 배터리 구동으로 USB 등을 통해 PC와 연결하여 데이터 분석이 가능한 모델, 다점 모니터링 시스템에 연결할 수 있는 모델, 카메라가 탑재된 모델 등 사용자의 편의성 향상을 위해 각 제조사들은 다양한 파티클 센서 개발에 힘쓰고 있습니다.