カテゴリー: category_kr

스테퍼 모터란?

스테퍼 모터는 펄스 신호로 회전 각도를 제어할 수 있는 모터를 말하며, 높은 위치 결정 정확도를 보장할 수 있는 모터의 일종입니다.

일명 펄스 모터라고도 하며, 회전 각도는 제어 신호인 펄스 신호 수와 모터의 위상 수에 의해 결정되며, 회전 속도는 펄스 속도에 해당하는 펄스 주파수에 따라 달라집니다. 비교적 저렴하고 간단한 모터 구성이지만 개방형 루프 제어로 높은 위치 결정 정밀도와 토크를 얻을 수 있는 것이 특징입니다.

스테퍼 모터의 사용 용도

스테퍼 모터의 구조상 정밀하고 가역적인 각도 제어가 가능하기 때문에 주로 위치결정 정밀도가 요구되는 현장에서 사용됩니다. 예를 들어, 자동 반송 장비 등 로봇 장치의 2차원적인 동작을 표현하기 위한 구동용 모터가 있습니다.

고정밀 볼스크류와 스테핑 모터를 조합하여 스테이지의 이송량을 매우 정밀하고 재현성 있게 표현할 수 있습니다. 또한, 밸브의 열림 정도에 따라 일정량의 도료를 분사하는 도장 기계도 스테퍼 모터로 밸브의 열림 각도를 정밀하게 조정하여 보다 정교한 작업을 할 수 있게 됩니다.

스테퍼 모터의 원리

스테퍼 모터 내부는 샤프트와 연결된 로터부와 그 외곽에 설치된 여러 개의 스테이터로 구성되어 있습니다. 로터부는 다시 두 부분으로 나뉘며 각각 N극 S극과 역위상이 되도록 자화되어 있습니다.

또한, 고정자에는 작은 톱니가 존재하며, 그 톱니의 간격이 정밀하게 제어되는 것이 특징인데, 2상형 스테핑 모터를 예로 들면, 마주보는 고정자끼리 같은 극성으로 자화되어 있고, 인접한 고정자는 반대 방향으로 자화되어 있습니다. 따라서 로터의 요철과 서로 끌어당기는 스테이터와 반발하는 스테이터가 서로 존재하게 되고, 로터는 스테이터의 자화 상태에 대해 에너지적으로 안정된 위치를 유지하게 됩니다.

그런 다음, 고정자의 극성을 반전시키도록 전류를 흐르게 하면 고정자 1개만큼 로터가 회전하게 됩니다. 이를 반복적으로 제어하면 고정자의 작은 톱니의 기계적 정밀도에 따라 정확하게 회전 각도를 제어할 수 있으며, 5상형 스테핑 모터에서는 이를 5단계로 순차적으로 제어하기 때문에 보다 세밀한 각도 제어가 가능해집니다.

스테퍼 모터의 기타 정보

1. 스테퍼 모터의 토크

스테퍼 모터는 회전 속도에 따라 출력 토크가 달라지는데, 일반적으로 회전 속도가 느리면 토크가 높고, 회전 속도가 빠르면 토크가 낮습니다. 스테퍼 모터 선정 시 모터의 회전속도-토크 특성표를 확인하여 사용 회전속도 시 필요한 토크가 풀아웃 토크 곡선 범위 내에 들어올 수 있도록 선정해야 합니다.

특히 고속 회전 시 풀아웃 토크는 여자 최대 정지 토크의 20% 정도가 되므로 고속 회전으로 사용하는 경우에는 주의가 필요합니다.

또한, 같은 외형 치수의 모터라도 사용 드라이버, 내부 구조의 차이, 입력 전압에 따라 토크 특성이 달라지므로 제조사와 드라이버의 조합 및 입력 전압도 고려하여 모터를 선정해야 합니다.

2. 스테퍼 모터의 드라이버

스테퍼 모터를 움직이기 위해서는 드라이버라는 제어 장치가 필요합니다. 드라이버는 스테퍼 모터에 흐르는 전류 전압을 제어하여 회전 속도, 회전량 등을 제어할 수 있습니다.

드라이버에는 정전류 구동 방식과 저전압 구동 방식이 있는데, 고속에서의 토크 특성이 우수한 정전류 방식을 채택하는 경우가 많습니다. 일반적으로 드라이버에 상위 제어기기에서 회전속도, 회전량 지시값으로 펄스열을 입력하면, 입력된 펄스열에 따라 모터를 지시속도로 지시량만큼 회전시킨다.

드라이버에는 마이크로 스텝이라는 기능이 탑재된 드라이버가 있습니다. 스테핑 모터는 기본 스텝 각도를 최소 회전각으로 하여 회전하지만, 마이크로 스텝 기능을 가진 드라이버는 각 코일에 흐르는 전류를 조정하여 기본 스텝 각도를 전기적으로 세분화하여 회전의 분해능을 높일 수 있습니다.

또한 진동, 소음을 감소시키는 효과와 스텝 각도별 오버슈트 감소, 시동 정지 시 충격 완화 효과도 있습니다. 마이크로 스텝 기능의 분해능은 많게는 1/250 정도까지 있으며, 사용 용도에 따라 딥 스위치 등으로 선택할 수 있습니다.

3. AC 서보 모터와의 구분

스테핑 모터에서 자주 인용되는 모터로 AC 서보 모터가 있습니다.

스테퍼 모터의 적합성 및 부적합성
AC 서보 모터는 인코더가 내장되어 있고 피드백 제어를 하기 때문에 상대적으로 회전수에 관계없이 회전 토크가 거의 일정합니다. 반면 스테퍼 모터의 경우 고속 회전 시 회전 토크가 감소하기 때문에 이 용도에 적합하지 않습니다. 반대로 저속 회전이 주된 용도라면 스테퍼 모터가 적합하다고 할 수 있습니다.

스테퍼 모터는 주로 오픈 루프 제어 타입이 시중에 나와 있지만, 인코더를 장착하여 폐쇄형 제어가 가능하여 효율을 높인 제품도 있습니다. 하지만 이 경우 또 다른 매력인 비교적 작고 간단한 구성으로 저렴한 모터의 장점을 다시 한 번 생각해 볼 필요가 있습니다.

AC 서보모터가 더 적합한 용도
AC 서보모터여야만 하는 사용 용도는 여러 개의 모터를 이용한 고도의 회전 제어가 필요한 경우입니다. 오픈 루프 제어에서는 센싱에 의한 모터 간 동작을 보완하는 제어를 기대할 수 없기 때문에, 이 경우 고속 회전 동작 시와 마찬가지로 스테퍼 모터보다는 AC 서보 모터를 사용하는 것이 더 적합하다고 할 수 있습니다.

리셋 가능 퓨즈란?

리셋 가능 퓨즈는 과전류를 방지하는 역할을 하면서 반복적으로 사용할 수 있는 전자 부품입니다.

폴리 스위치 또는 폴리 퓨즈라고도 합니다. 전도성 폴리머를 사용한 PTC 서미스터로 퓨즈와는 기본 원리가 다르다. 퓨즈는 과전류가 흐르면 발열로 인해 소자가 끊어지면서 회로를 차단합니다.

반면 리셋 가능 퓨즈는 과전류로 인해 소자 내부 온도가 높아져 저항값이 증가하여 전류를 제한합니다. 퓨즈보다 작은 제품이 많아 공간을 절약할 수 있고, 구조가 깨지기 어렵고 충격과 진동에 강합니다.

리셋 가능 퓨즈의 사용 용도

리셋 가능 퓨즈는 반복적으로 과전류가 흐르는 회로를 보호하는데 사용됩니다. 또한 고밀도로 장착하여 고의적으로 단락시키는 경우에도 사용됩니다. 다음은 리셋 가능 퓨즈의 사용 예시입니다.

• 소형 모터 및 스위칭 전원 공급 장치
• 위성방송 수신기
• 화재 경보기
• 전기 카펫
• 스마트폰, 태블릿 등 통신기기
• 컴퓨터

그러나 리셋형 퓨즈는 전자 부품을 사용하기 때문에 고전류 회로에는 적합하지 않습니다. 고전압 회로 보호용 제한 전류 퓨즈 등에는 소자 용단에 의한 퓨즈가 사용됩니다.

리셋 가능 퓨즈의 원리

리셋 가능 퓨즈는 전도성 폴리머가 금속 전극 호일에 끼워져 있는 구조입니다. 납땜 또는 용접으로 전극 호일에 연결되도록 리드선이 부착되어 있으며, PTC 서미스터와 같은 원리로 전류가 커질수록 저항이 커지는 성질을 가지고 있습니다.

전도성 폴리머는 절연체 폴리머에 탄소, 니켈 등의 전도성 입자를 분산시킨 것입니다. 양과 재질을 변화시킴으로써 저항값을 조절할 수 있습니다. 저항값 변화는 10,000에서 1,000,000배에 달할 수도 있습니다.

과전류로 인해 리셋 가능 퓨즈 내부 온도가 높아지면 저항이 증가하여 전류를 제한합니다. 리셋 가능 퓨즈는 퓨즈와 달리 용단되지 않고 내부 온도가 낮아지면 다시 전류가 흐르게 됩니다. 따라서 반복 사용이 가능합니다.

전류값이 높아져 온도가 변하면 저항값이 급격히 증가하는 특성이 있습니다. 이는 전도성 고분자가 녹기 때문에 발생하는 현상입니다. 그러나 미세한 전류의 증가에서는 반응성이 낮을 수 있습니다.

리셋 가능 퓨즈 선택 방법

리셋 가능 퓨즈는 정격 전압, 정격 전류, 장착 방법 등에 따라 선택해야 합니다.

1. 정격 전압

정격 전압은 리셋 가능 퓨즈가 사용할 수 있는 전압의 높이입니다. 정격 전압을 초과하여 사용하면 회로가 파손되거나 소손될 위험이 있습니다.

일반적으로 DC72V 정도의 제품이 많이 판매되고 있습니다. 정격 전압이 높은 제품으로 AC240V의 제품도 시중에 판매되고 있다. 따라서 내전압이 400V 계통 이상의 제품이 필요한 경우 특주해야 합니다.

2. 정격 전류

정격 전류는 리셋 가능 퓨즈가 사용할 수 있는 전류의 높이입니다. 정격 전류를 초과하면 저항값이 높아져 전류값을 제한합니다.

일반적으로 수A 정도의 제품이 많이 판매되고 있습니다. 시중 제품은 최대 20A 정도가 한계입니다.

3. 구현 방법

장착 방법은 리셋 가능 퓨즈를 장착하는 방법입니다. 표면 실장, 플러그인 단자 실장 등의 제품이 판매되고 있습니다.

• 표면 실장
  표면 실장은 기판 위에 납땜 등으로 고정하는 실장 방식으로, 플러그인 단자 실장에 비해 공간을 많이 차지하지 않는 장점이 있습니다. 그러나 표면 실장 전자소자는 소형 제품이 많고, 손 납땜으로 실장하기 위해서는 올바른 지식과 기술이 필요합니다.

  제조사에 따라서는 손 납땜의 성능을 보장하지 않는 경우도 많습니다.

• 플러그인 단자 실장
  플러그인 단자 실장은 리드선을 PCB에 꽂아 넣는 실장 방식입니다. PCB에는 부품을 쉽게 장착할 수 있도록 리드선 장착 구멍이 뚫려 있으며, 여기에 전선을 꽂아 장착합니다. 또한, 부품을 고정하기 위해 장착 구멍에 납땜을 하는 것이 일반적입니다.

  플러그인 단자 실장은 부품을 쉽게 실장할 수 있지만, 많은 공간을 필요로 합니다. 그러나 수작업으로 부품을 장착할 계획이라면 플러그인 단자 장착을 선택하는 것이 더 안전합니다.

오디오 변압기란?

오디오 변압기는 오디오 기기에서 소리를 증폭하기 위한 트랜스포머입니다.

일반적으로 앰프의 출력단에 위치하며, 앰프의 출력 신호를 스피커로 보내기 전에 필요한 변환과 필터링을 하는 역할을 합니다. 노이즈나 다른 전자기장의 영향을 최소화할 수 있는 제품이 많습니다.

따라서 마이크 신호와 같은 장거리 미세 아날로그 신호의 전송에 사용되는 경우가 많습니다.

오디오 변압기의 사용 용도

오디오 변압기는 오디오 장비를 향상시키는 데 사용됩니다. 앰프 장비의 입력에 사용되며 오디오 신호의 증폭에 사용되기도 합니다. 특히 싱글 엔드 앰프나 푸시풀 앰프의 경우, 오디오 변압기의 선택은 음질에 큰 영향을 미칩니다.

적절한 변압기를 선택하면 소리의 선명도와 균형감을 향상시킬 수 있습니다. 앰프의 출력 신호를 스피커로 보낼 때에도 사용됩니다.

전원 및 출력단 회로와 스피커 사이에 배치되어 출력 신호의 변환 및 필터링을 수행합니다. 스피커의 효율과 정확도를 향상시키고 소리의 질감을 더욱 사실적으로 만듭니다.

앰프 회로에서 필터링 및 임피던스 매칭을 위해 사용되기도 합니다. 특히 버퍼 앰프나 마이크 앰프에서는 신호의 안정성과 음질 향상에 기여합니다.

오디오 변압기의 원리

오디오용 변압기는 음성 신호를 전송하기 위한 변압기입니다. 변압기는 자기 회로를 통해 전력을 전송하기 위한 장치로, 두 개의 코일의 자기 결합을 통해 전력을 전송합니다.

오디오 변압기에서는 입력측 코일에 음성신호를 입력하고, 출력측 코일에서 변압된 신호를 꺼냅니다. 음성 신호는 입력측 코일을 통과할 때 코일 내에 자속을 발생시킨다. 이 자속이 출력측 코일에 도달하면 다시 전기 신호로 변환되는 구조입니다.

오디오 변압기에서는 부품의 자기 특성이 중요한 역할을 합니다. 특히 트랜스포머의 코어 소재와 권선 품질은 음질에 영향을 미친다. 또한, 변압기의 권선은 인덕턴스, 용량 등을 적절히 설계하여 보다 고품질의 음성신호 변환을 실현한다.

오디오 변압기의 종류

오디오변압기는 다양한 종류가 있으며, 각각의 특징에 따라 다양한 용도로 사용됩니다. 다음은 대표적인 오디오 변압기를 소개합니다.

1. 출력 변압기

앰프의 출력단에 사용되며, 고전압 또는 고전류 신호를 스피커에 전달합니다. 대형 및 고출력 변압기가 많습니다.

2. 입력 변압기

앰프의 입력단에 사용되며, 낮은 레벨의 신호를 증폭하는 데 사용됩니다. 음성 신호를 선명하게 전달하기 위해 고품질 재료로 만들어지는 경우가 많습니다.

3. 매칭 변압기

입력 변압기와 출력 변압기 사이에 연결되어 적절한 임피던스 매칭을 수행합니다. 신호의 전송 품질을 향상시키고 노이즈와 왜곡을 줄이기 위한 변압기입니다.

4. 교류 전원 변압기

교류 전원 변압기는 앰프의 전원을 공급하는 데 사용되는 변압기입니다. 교류 전원의 노이즈 등을 제거할 목적으로 설치됩니다. 앰프에 공급하는 전원의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

5. 플러그인 변압기

플러그인 변압기는 오디오 기기의 배선용으로 사용되는 트랜스포머입니다. 작고 저렴한 제품이 많아 다양한 용도로 사용됩니다.

오디오 변압기 선택 방법

오디오 변압기를 선택할 때는 용도, 임피던스, 품질, 크기 등을 고려해야 합니다.

먼저 용도에 따라 오디오 변압기의 종류를 선택합니다. 그런 다음 임피던스를 설정합니다. 출력 트랜스와 입력 트랜스를 선택할 때는 앰프의 출/입력단의 임피던스와 트랜스 임피던스가 일치하는 것이 중요합니다.

또한, 품질에도 주의를 기울여 선정합니다. 고품질의 재료와 기술이 사용된 제품을 선택하면 음질 향상을 기대할 수 있습니다.

크기와 모양도 중요한 요소입니다. 소형화가 요구되거나 특수한 형상이 필요한 경우 적절한 변압기를 선택해야 합니다.

배선 정리란?

배선 정리는 각종 배선에 가해지는 힘이나 전기적 작용으로부터 배선을 보호하는 역할을 하는 제품입니다.

홀더, 부싱, 나선형 튜브 등 다양한 형태가 있습니다. 그 중에서도 튜브 형태가 가장 많으며, 스냅 버튼으로 고정하는 사양, 슬릿이 있는 것 등으로 더욱 세분화할 수 있습니다.

대표적인 튜브는 골판지 튜브, 나선형 튜브, 네트 튜브의 세 가지가 있습니다. 사용 장소와 용도에 따라 적합한 것을 선택해야 합니다.

배선 정리 사용 용도

배선 정리는 문고리 전선 묶음, 기판 내 배선 보호, 전자 부품의 하네스 결속 등에 많이 사용됩니다. 배선 정리는 유연성과 내구성 측면에서 사용이 편리하고 배선 결속성이 우수한 것이 특징입니다. 배선 정리의 종류에 따라 사용 용도가 다릅니다.

1. 골판지 튜브

슬릿이 들어간 뱀부 형태의 골판지 튜브는 특히 와이어 하네스를 보호할 목적으로 자동차, 건설기계, 농기계, 가전제품 및 주택에 이르기까지 폭넓게 사용되고 있습니다.

2. 나선형 튜브

나선형 튜브는 산업 기계의 가동부에 배선하는 케이블이나 호스의 보호목적으로 많이 사용됩니다.

3. 신축성 편조 튜브 (네트 튜브)

신축성 편조 튜브(네트 튜브)는 가볍고 유연한 것이 특징입니다. 배선 보호재로 배선을 유연하게 정리할 수 있어 비행기 배선이나 콘서트, 극장의 음향 및 조명 장비의 집적에 사용됩니다.

4. 그로밋

그로밋은 배선 인출구 등 패널의 구멍 손상으로부터 배선을 보호할 때 사용됩니다.

배선 정리의 원리

배선 정리는 기본적으로 배선 주위를 튜브 등으로 감싸서 보호합니다. 슬릿이 있는 보호재일수록 배선을 넣기 쉬운 구조입니다. 보호재에 맞는 전선의 내경과 튜브의 자연 내경을 비교하여 품번을 선택합니다. 또한, 튜브의 재질에 따라 사용 용도가 달라지므로 적절한 선택이 필요합니다.

1. 폴리프로필렌

절연성이 있어 전기를 통하지 않습니다. 유연하고 균열이 잘 생기지 않아 표준적인 튜브에 많이 사용됩니다. 가격이 저렴하고 크기와 색상이 다양합니다.

2. 나일론

100℃ 정도의 고온에도 견딜 수 있는 소재로 절연성이 있습니다. 폴리프로필렌보다 약간 더 단단하고 가격이 비싼 편입니다. 내후성이 뛰어나 야외에서 사용하기에 적합합니다.

3. 방쥐용 방충제 함유 나일론

실내외에서 사용 시 쥐가 갉아먹는 피해를 줄일 수 있습니다. 쥐가 물어뜯을 때 자극과 매운맛을 느낄 수 있도록 설계되어 단선을 방지합니다.

4. 클로로트리플루오로에틸렌

신축성이 뛰어나며, 미끄러짐이 좋고 150℃ 정도까지 내열성을 가지고 있지만, 가격이 높습니다..

그 외 실리콘 편조, 유리 편조 튜브 등 자기 소화성이 높고 내열 온도가 180℃ 정도까지 되는 제품도 있습니다.

배선 정리의 특징

1. 골판지 튜브

골판지 튜브는 배선 보호용 부재로 사용되는 배선 보호 튜브 중 하나입니다. 전원 공급이나 신호 통신 등에 사용되는 여러 개의 전선, 배선을 묶는 배선용 하네스 중 하나로, 전선, 배선을 묶는 것뿐만 아니라 다양한 외부의 충격으로부터 보호하는 역할도 합니다.

튜브의 표면이 파도 모양으로 되어 있어 일반 튜브보다 부드럽고, 다루기 쉽습니다. 따라서 좁은 곳이나 특이한 형태의 공간에서도 사용할 수 있습니다. 튜브의 길이는 짧은 것부터 긴 것까지 다양하게 준비되어 있으며, 가위 등으로 절단하여 사용 조건에 맞게 길이를 조절할 수도 있습니다.

튜브의 재질은 크게 폴리프로필렌과 나일론 두 가지로 나뉩니다. 폴리프로필렌은 유연성과 내구성을 겸비한 소재로 실내용으로 많이 사용됩니다. 나일론은 단가는 비싸지만 열화가 잘 일어나지 않아 실외용으로 적합합니다. 용도에 따라 최적의 재질을 선택할 수 있다는 점도 골판지 튜브의 매력입니다.

2. 스파이럴 튜브

스파이럴 튜브는 배선 보호를 목적으로 하는 튜브입니다. 탄성이 있는 소재이기 때문에 이를 활용하여 산업용 케이블이나 튜브로 널리 활용되고 있습니다. 또한, 와이어 보호나 밴드의 목적 외에도 배선 정리용으로도 활용되고 있습니다. 배선 정리정돈에 사용할 때는 밴드할 배선을 한 곳에 밴드하고 외곽 틀을 튜브로 감아주기만 하면 되기 때문에 매우 간편합니다.

스파이럴은 영어로 나선형이라는 뜻으로, 소용돌이 모양으로 감긴 튜브와 같은 모양이 특징입니다. 스파이럴 튜브의 재질은 플라스틱 외에도 나일론, 폴리에틸렌, 불소수지 등 다양한 소재가 사용됩니다.

3. 신축성 편조 튜브 (네트 튜브)

네트 튜브는 특수한 제법으로 편조되어 있어 어디서든 가위로 잘라 사용할 수 있는 소프트 타입의 튜브입니다. 바로 절단이 가능하기 때문에 효율적이고 쉽게 보호 결속을 할 수 있습니다. 또한, 절단 시에도 깔끔한 상태를 유지할 수 있다는 점이 매력적입니다.

그 외 네트 튜브는 편조된 구조로 되어 있어 튜브 내부에 열과 습기가 쌓이지 않고 장기간 유지가 가능하며, 그물망 밀도가 높아 제품 보호력이 우수합니다. 이동부 전선 보호에 사용할 때 가장 적합한 튜브입니다.

TAB 단자란?

TAB 단자는 전선 및 하네스끼리 연결하기 위해 사용되는 단자의 일종입니다.

패스트온 단자라고도 불리는 단자입니다. 커넥터의 수단이 TAB 단자이고, 암단은 리셉터클이라고 합니다. TAB 단자에 리셉터클을 끼워 넣어 연결합니다.

전선이나 하네스의 연결 단자 규격이 많으면 혼란의 원인이 되므로, 제조사들 간에 단자 규격을 통일하여 설계하기 쉽도록 하고 있습니다. TAB 단자는 단자 규격 중 하나입니다.

TAB 단자의 사용 용도

TAB 단자의 사용 용도는 탭을 리셉터클에 삽입하여 케이블을 연결하는 것입니다. 리셉터클은 TAB과 마찬가지로 케이블 끝에 압착되어 있는 경우도 있지만, 기판 등에 실장되어 있는 경우도 있습니다.

TAB 단자는 케이블끼리 완전히 고정하여 연결하지 않고 탈부착이 가능하기 때문에 케이블의 교체, 교환 등 유지보수가 필요한 부분 등에 유용하게 사용됩니다. 또한, 조립 시 케이블의 인입이 불편한 경우, 중계용 저렴한 커넥터로 사용되기도 합니다.

TAB 단자의 원리

TAB 단자는 금속 평판을 구부린 TAB을 같은 평판을 구부려 만든 리셉터클의 홈에 끼워 넣어 케이블끼리 연결할 수 있습니다. 리셉터클의 홈 폭을 TAB의 두께보다 약간 작게 하여 금속의 탄성력으로 고정합니다. 표준형도 견고하게 연결되지만, 보다 견고하게 연결하기 위해 탈착 방지용 발톱이 있는 타입도 있습니다.

TAB 단자는 솔더로 케이블을 압착하는 방식입니다. 리셉터클과의 연결이 견고하기 때문에 탈부착 시 조심스럽게 작업하지 않으면 단자에서 케이블이 빠질 수 있으므로 주의해야 합니다.

TAB 단자의 종류

TAB 단자는 IEC 국제 표준에 준거한 일본 산업표준 JIS로 표준화되어 있으며, 평형 연결 단자의 수단을 말합니다. TAB 단자의 종류는 암측 접속자와 조합하여 단자 결합부의 폭에 따라 시리즈가 있으며, 통칭 110, 187, 250패스톤 등으로 불립니다.

이 110패스톤이 바로 TAB 단자 110입니다. 또한 205 시리즈 등 독자적인 시리즈를 추가하여 표준품으로 준비하고 있는 메이커도 있습니다. 또한, 기판 실장용 Faston 단자로는 봉지 포장품이나 레이디얼 리드 테이핑품이나 SMT용 엠보싱 테이핑품 또는 연쇄 릴 형태가 일반적으로 표준품으로 준비되어 있습니다.

모두 JIS의 평형단자 규격에 준거하고 있지만, 실제 패스트온 단자 제조업체는 국내외를 포함하면 수십 개에 달합니다. 제조가 용이하기 때문에 TAB 단자의 선택과 신뢰성이 전기 배선의 안전성을 확보하는 데 중요한 요소입니다.

TAB 단자의 기타 정보

1. TAB 단자 사용 시 주의사항

TAB 단자는 그대로 두면 금속이 노출되기 때문에 절연체로 단자를 덮어 감전 및 누전으로부터 보호해야 합니다. 리셉터클 쪽에만 커버를 씌우고, 케이블을 연결하면 TAB 쪽이 커버 안에 숨겨지도록 합니다.

TAB 단자 형성은 평판을 구부리고 압착하기 때문에 전용 공구가 필요하며, 전선의 굵기나 커넥터의 모양, 크기에 따라 사용할 단자를 선정하는 것이 중요합니다. 대부분 JIS 등으로 규격화되어 있기 때문에 규격표를 참고하여 선정하게 됩니다.

2. TAB 단자 압착 공구

평형 단자의 올바른 부착 방법(압착 방법)은 단자의 발톱을 구부려 배선 코드에 붙이기만 하면 무선 플라이어 등으로도 가능하지만, 전기공용 플라이어로 압착합니다. 이때 와이어 배럴이 중요한 키워드가 됩니다.

와이어 배럴은 압착 단자 형태에서 전선의 절연 피복을 제거한 심선을 압착하는 부분의 명칭입니다. 결국 단자대의 이 와이어 배럴 부분이 전선의 심선 부분을 얼마나 확실하게 압착하느냐에 따라 단자대 연결에 대한 신뢰성이 결정됩니다.

이곳을 제대로 압착하지 않으면 인장 강도가 약해져 빠지게 됩니다. 반대로 압착 강도가 부적합하거나 너무 강하면 심선이 끊어져 단선이 발생합니다. 제조업체가 권장하는 전용 압착 공구를 사용하여 단단하고 확실하게 압착하는 것이 중요합니다.

클린룸이란?

클린룸(영어: clean room)은 공기의 청정도가 관리되는 방을 말합니다.

공기 중에 부유하는 미립자나 미생물이 제한된 청정도 수준 이하로 관리되는 공간을 말합니다. 공급되는 재료, 약품, 물 등에 대해서도 요구청정도가 유지되며, 필요에 따라 온도, 습도, 압력 등의 환경조건에 대해서도 관리됩니다.

공기의 청정도는 그 공기의 미립자 크기와 수를 입자 센서로 계수하여 확인할 수 있습니다. 먼지와 미립자 부착이 큰 문제가 되는 제품 제조에는 클린룸이 활용되고 있습니다. 클린룸은 방진실, 멸균실, 바이오 클린룸 등 용도에 따라 다양한 명칭으로 불립니다.

클린룸의 사용 용도

클린룸은 반도체, 액정, 전자부품 등 공산품 제조에 사용됩니다. 작은 먼지가 제품의 품질에 큰 영향을 미치기 때문입니다.

특히 반도체 전 공정에서는 가장 청결도가 높은 미국 연방 표준 1∼10등급, ISO 기준으로는 3∼4등급의 클린룸이 사용됩니다. 전자부품이나 광학기계 등 정밀기기를 제조하는 공장이나 의약품, 식품을 취급하는 공장에서는 ISO 5∼7등급 정도의 클린룸이 필요합니다.

그 외에도 인쇄, 페인트, 렌즈, 필름 등의 산업에서도 폭넓게 클린룸이 활용되고 있습니다.

클린룸의 원리

1. 인간으로부터의 미립자 방지

클린룸은 내부로 유입되는 인체 유래의 미립자를 억제하고, 고성능 필터로 미립자를 포집하여 청결을 유지합니다. 클린룸의 청결을 유지하기 위해서는 우선 사람으로부터 나오는 땀, 머리카락과 같은 먼지, 먼지, 세균 등의 감소가 필요합니다.

요구되는 청결도에 따라 다르지만, 클린룸 내에서는 전용 흰색 방진복과 신발로 갈아입고 장갑을 끼고 머리카락이 나오지 않도록 모자를 씌웁니다. 또한 안전안경과 마스크를 사용하는 경우도 있습니다. 그리고 클린룸에 들어갈 때 공기로 에어샤워를 통해 온몸의 먼지를 씻어냅니다.

2. 실내 공기 정화

클린룸 내 흡입구에서 흡입된 공기는 순환하여 배출구에 설치된 HEPA 필터라는 고성능 필터에 의해 미세먼지 등이 정화됩니다. 클린룸 내 청정도는 파티클 센서를 통해 모니터링이 가능합니다.

또한, 클린룸은 밀폐되어 있으며, 실내 공기 압력을 조절하여 외부에서 불필요한 미립자가 유입되지 않도록 설계되어 있습니다.

클린룸의 종류

클린룸은 크게 정밀기기 제조용과 식품 제조 및 의료-생명과학 연구용 두 가지로 나뉩니다. 의료기관이나 생명과학 연구기관에서 사용되는 클린룸은 특히 바이오 클린룸 또는 무균실이라고 불립니다.

산업용에서는 공기 중의 먼지를 제거하는 것을 전제로 하지만, 바이오 클린룸에서는 여기에 더해 박테리아 등 미생물이나 바이러스의 혼입을 방지해야 합니다.

클린룸의 기타 정보

1. 클린룸의 규격

클린룸은 공기 중에 단위 부피당 얼마나 많은 미립자가 포함되어 있는지에 따라 등급이 나뉩니다. 일본에서는 이 분류에 미국 연방 규격(FED), ISO 규격, JIS 규격의 3종류가 사용되고 있습니다.

미국 연방공기청정도 기준 FED209E
미국 연방 공기청정도 기준 FED209E는 이미 2001년에 폐지되어 ISO 표준 14644-1로 전환되었지만, 업계에서는 널리 통용되고 있는 FED를 사용하는 경우가 많은 상황입니다.

• FED
  FED는 Class 1부터 Class 100,000까지 6가지로 분류되며, Class의 숫자는 단위 부피당 함유된 미립자 수를 나타냅니다. 즉, 클래스 숫자가 작을수록 청정도가 높다는 것을 의미합니다.
• ISO 표준
  ISO 표준(JIS에 준거)은 FED 표준에 해당하는 6가지 종류에 더 세분화하여 클래스 1부터 클래스 9까지 9가지(ISO) 또는 8가지(JIS)로 분류됩니다.

2. 클린룸의 방식

클린룸은 공기를 순환시키는 방식, 즉 기류를 만드는 방식에 따라 일방향 흐름 방식과 난류 방식 두 가지가 있습니다.

• 단방향 흐름 방식
  일방향 흐름 방식은 송풍구와 흡입구가 마주보고 설치되어 균일한 기류를 만드는 방식입니다. 천장에 송풍구, 바닥에 흡입구를 설치하면 수직 방향으로 균일한 기류를 만들 수 있고, 한쪽 벽면에 송풍구, 반대편 벽면에 흡입구를 설치하면 수평 방향으로 균일한 기류를 만들 수 있습니다.

  일방향 흐름 방식은 기류가 끊임없이 순환하기 때문에 높은 청정도를 유지할 수 있습니다.

• 난류 방식
  난류방식은 천장에 송풍구, 벽면에 흡입구를 설치하는 방식입니다. 기류가 정체되는 부분이 있어 일방향 흐름 방식에 비해 청정도는 떨어지지만, 비교적 저렴한 비용으로 도입 및 운영이 가능하다는 장점이 있습니다.

클린부스란?

클린부스는 간이 공간 내부를 양압으로 유지하여 외부로부터의 이물질 침입을 방지하는 공간 청정화 시스템입니다.

엄격한 관리가 요구되는 클린룸과 달리, 클린부스는 국소적, 간이적인 공간 청정화 환경이 요구되는 경우에 사용됩니다.

클린부스 사용 용도

클린룸은 공기 중에 존재하는 먼지 등을 마이크로 단위의 수준으로 제거함과 동시에 온도와 습도 등을 일정 범위로 제어합니다. 이러한 성능은 ISO나 JIS로 규격화되어 있으며, 매우 고도의 공간 청정화 시스템입니다.

반면, 클린부스는 광범위한 작업공간의 공간청정도를 관리할 필요가 없고 국소적으로 일정 수준의 청정환경이 필요한 경우에 사용된다. 예를 들어, 반도체 제조 공장, 액정 패널 제조 공장, 의약품 제조 시설, 화장품 제조 시설 및 식품 제조 공장 등에서 사용됩니다.

또한, 클린룸 내에서 추가적인 공간 청정화 환경 개선이 필요한 경우 클린부스를 함께 사용하는 경우도 있습니다.

클린부스의 원리

그림 1. 클린부스의 원리

일반적인 클린룸은 습도와 온도를 조절할 수 있는 단열패널과 공조, 실압 설정을 가능하게 하는 양압기, 차압댐퍼 등의 청정화 장비를 통해 공간 청정 환경을 엄격하게 관리하고 있습니다.

반면 일반적인 클린부스는 프레임 등으로 구성된 소규모 공간을 PVC 시트 등으로 덮어 외부 공간과 차단하고, 클린부스 내 천장에 설치한 팬필터 유닛(FFU)에 의해 청정화된 청정공기가 송풍되어 깨끗한 환경을 유지합니다. 유지합니다. 클린부스 내부의 압력은 FFU에 의해 양압으로 유지되어 외부로부터의 이물질 유입을 방지합니다. 클린부스는 설치 규모에 따라 실내 공간을 양압으로 만들기 위한 FFU 선정이 가장 중요합니다.

클린부스 사용법

클린부스 사용 시 주의해야 할 사항은 다음과 같습니다.

클린부스 내에 쓰레기, 먼지, 미생물이 유입되지 않고, 발생하지 않도록 하는 노력이 필수입니다. 클린부스의 성능에만 의존하는 것은 위험하며, 이용 시 규칙과 절차를 미리 정하고 이용자 스스로의 의식도 향상시켜야 합니다.

FFU의 청소도 중요하다. 특히 흡입구 청소를 소홀히 하면 부스 내 청결도가 떨어지기 때문에 주기적으로 청소하는 절차를 정해야 합니다.

클린부스는 간이 시스템이며, 하단에 틈새가 있다. 클린부스 내부는 양압으로 제어되지만, 벌레 등이 침입할 수 있기 때문에 평소 클린부스 주변 바닥을 깨끗하게 유지해야 합니다.

청소 빈도나 방법, 필터 교체 빈도 등은 원하는 청결도에 따라 달라질 수 있습니다. 사용 환경 조건에 따라 어떤 관리가 필요한지 미리 생각해 볼 필요가 있습니다

클린 부스의 종류

1. 바닥형과 탁상형

그림 2. 플로어형과 탁상형 클린 부스

플로어형은 바닥에 설치하여 사람이 드나드는 대형 클린부스입니다. 대규모 작업을 할 때 사용됩니다. 일반적으로 출입하는 작업자는 클린웨어를 착용하여 클린부스 내 이물질이 유입되는 것을 방지해야 합니다. 바닥형 클린부스는 주로 공장 등 제조 현장에서 사용됩니다.

탁상형 클린부스는 테이블 위에 설치하는 소형 클린부스입니다. 일반적으로 클린부스 내부에는 손만 넣고 작업하기 때문에 작업자는 클린웨어를 착용할 필요가 없어 부담 없이 이용할 수 있는 것이 특징입니다. 탁상형 클린부스는 다른 유형의 클린부스보다 크기가 작고 콤팩트해 실험실이나 공장의 제한된 공간에서 사용하기에 적합합니다. 또한 일반적으로 설치와 유지보수가 용이하고 비교적 저렴한 비용으로 많은 기업 및 연구기관에서 사용하고 있습니다.

2. 폐쇄형과 개방형

그림 3. 개방형 클린부스

밀폐된 공간을 만드는 폐쇄형 클린부스가 주를 이루지만, 개방형 타입도 있습니다. 개방형 클린부스는 쌍을 이루는 송풍장치 사이에 항상 깨끗한 공기의 기류를 발생시켜 이 공간 내에서 작업을 하는 타입의 장치입니다. 폐쇄형 클린부스에 비해 휴대가 용이하며, 국소적인 작업공간을 1등급 수준의 고도의 청정 환경을 유지하고자 할 때 사용됩니다.

3. 표준형과 커스텀형

각 클린부스 제조업체는 표준 크기와 사양의 클린부스를 판매하는 한편, 사용자 맞춤형으로 제작하는 경우도 있습니다. 표준형은 규격이 정해져 있기 때문에 커스텀형에 비해 저렴하게 구입할 수 있습니다. 커스텀 타입은 원하는 크기로 제작이 가능하며, FFU 풍속계를 부착하는 등 다양한 옵션을 추가할 수 있습니다.

클린부스 기타 정보

1. 클린부스용 커튼

클린부스용 커튼은 다양한 특성을 가진 커튼이 있으며, 사용 환경 조건에 따라 선택합니다.

커튼의 기능으로는 방염, 방충, 정전기 방지, 차열, 차광 등을 들 수 있다. 정전기가 발생하면 먼지나 이물질이 쉽게 부착될 수 있는 환경이기 때문에 정전기 방지 기능이 있는 커튼이 효과적입니다.

2. 알루미늄 프레임의 클린 부스

클린 부스 중에는 알루미늄 프레임을 사용한 부스도 볼 수 있다. 알루미늄 프레임을 사용하면 다음과 같은 장점이 있습니다.

• 가벼운 무게
  알루미늄은 매우 가벼운 금속으로 알루미늄의 비중은 약 2.7, 철의 비중은 약 7.8입니다. 알루미늄은 철의 약 1/3의 무게입니다.
  제조 비용과 시간을 줄일 수 있습니다.
  알루미늄 프레임은 대부분 표면이 아노다이징 처리된 경우가 많습니다. 도금이나 도장 등의 공정을 줄일 수 있어 비용과 시간을 절약할 수 있습니다.
• 디자인 변경이 용이합니다.
  알루미늄은 부드러운 금속이기 때문에 다른 금속에 비해 가공이 용이하다는 특징이 있습니다. 나중에 구멍을 뚫거나 절단하는 것도 비교적 쉽습니다.

임피던스 분석기란?

임피던스 분석기는 이름 그대로 임피던스(저항) 분석기입니다. 임피던스는 교류 회로에서 전압과 전류의 비율로, 전류가 잘 흐르지 않는 정도를 나타내는 지표입니다. 임피던스는 복소평면의 벡터량으로 표시되며, 허수축의 리액턴스와 실수축의 저항(저항) 성분으로 표현됩니다.

전류가 직류인 경우 저항 성분만 존재하며, 옴의 법칙으로 표현되는 V=IR로 표현됩니다. 리액턴스에는 크게 두 가지 저항이 있는데, 하나는 코일 등의 권선을 대표하는 L(인덕터) 성분을 대상으로 하는 유도성 리액턴스이고, 두 번째는 커패시터를 대표하는 C(커패시터) 성분을 대상으로 하는 용량성 리액턴스입니다. 이 교류 성분을 포함한 전기 저항인 임피던스를 분석하는 기계가 바로 임피던스 분석기입니다.

임피던스 분석기의 사용 용도

임피던스 분석기의 사용 용도는 교류 성분을 포함한 전기 저항인 임피던스에 대해 그 성분을 상세히 분석할 때 사용하게 됩니다.

예를 들어, 그 분석 결과는 대부분의 임피던스 분석기의 경우 가로축을 주파수, 세로축을 전압이나 전류 등 사용자가 원하는 파라미터(변수)로 나타낸 그래프를 임피던스 분석기 화면에 표시하게 됩니다. 이와 유사한 장치로 LCR 미터라는 것도 있습니다.

그러나 LCR 미터는 핀포인트의 결과를 수치로 표시하는 데 그치지만, 임피던스 분석기는 광범위한 주파수 대역을 대상으로 한 범위의 각종 파라미터를 그래프로 표시할 수 있습니다.

임피던스 분석기의 원리

임피던스 분석기는 다양한 주파수의 교류 신호를 인가하여 전류, 전압, 위상차를 측정함으로써 임피던스의 저항 성분과 리액턴스 성분을 측정할 수 있으며, 공진법, I-V법, 자동 평형 브리지법 등 다양한 측정 방법이 있습니다.

여기서는 대표적인 예로 자동 평형 브리지 회로에 의한 측정 방법을 설명하겠습니다. 자동 평형 브리지 회로에서는 신호원과 두 개의 전압계, 전류-전압 변환기가 사용됩니다. 시료에 흐르는 전압과 기준 저항에 흐르는 전압의 비율을 계산하여 시료의 임피던스를 측정할 수 있습니다.

자동 평형 브리지법에서는 110MHz 이하의 주파수를 폭넓게 측정할 수 있습니다. 더 높은 주파수의 임피던스를 측정하는 경우에는 RF I-V법 등이 사용됩니다.

얻어진 데이터는 가로축을 주파수, 세로축을 임피던스로 플롯한 보드선도나 가로축을 저항, 세로축을 리액턴스로 플롯한 콜-콜-콜 플롯 등으로 그래프화하여 해석을 실시합니다. 이를 등가회로 분석함으로써 회로 설계나 전극 등의 저항 성분을 분리할 수 있습니다.

임피던스 분석기의 기타 정보

1. 임피던스 분석기와 네트워크 분석기의 차이점

임피던스 분석기와 네트워크 분석기는 모두 DUT(피시험편)에 신호를 입력하고, 출력 측에 나타난 신호 강도와 위상을 입력과 비교하여 DUT의 임피던스 성분을 측정하는 장치입니다.

임피던스 분석기는 10kΩ 이상의 높은 임피던스를 정밀하게 측정할 목적으로 사용됩니다. 단, 측정 가능한 주파수 범위는 100MHz 정도까지입니다.

네트워크 분석기는 10GHz 정도까지 측정할 수 있어 10kΩ 이하의 임피던스를 측정하는 경우에 적합합니다. 통신기용 디바이스는 고주파수 대역까지 특성 측정이 필요하기 때문에 네트워크 분석기가 사용됩니다.

2. 임피던스 분석기 사용 방법

임피던스 측정에는 4개의 단자가 사용됩니다. 입력 전류를 인가하기 위한 단자, 입력측 전압을 측정하는 단자, 출력측 전류를 측정하는 단자, 그리고 출력측 전압을 측정하는 단자입니다.

측정할 대상(DUT)은 입력측과 출력측 사이에 끼워 사용하는데, 보다 정확한 측정을 위해 픽스처라는 측정용 지그(Fixture)를 사용합니다. 픽스처는 DUT를 안정적으로 고정하는 것과 외래 노이즈를 줄이고 신호의 전파를 감소시키지 않기 위해 사용되는 중요한 측정 지그입니다.

3. 임피던스 분석기의 가격

측정할 수 있는 주파수 범위와 임피던스에 따라 가격대가 다양합니다. 대략적인 임피던스를 측정할 수 있는 간단한 측정기는 10만원 정도에 구입할 수 있습니다.

실험이나 개발에 사용되는 고정밀 기종이라면 200만 원~500만 원이 시세입니다. 여기에 계측을 위한 DUT 고정 지그와 케이블로 100만원 정도가 필요합니다.

형상 측정 센서란?

형상 측정 센서(영어: Shape measurement sensor/Profile measurement sensor)는 물체의 형상을 측정하는 장치입니다.

두께나 길이를 측정하는 변위 센서의 일종으로, 특히 곡면이나 깊이 등 복잡한 형상을 측정하는 것을 형상 측정 센서라고 합니다. 식품부터 공산품까지 다양한 업종의 제조 현장에서 활용되고 있습니다.

비접촉식 레이저로 측정하는 타입이 주를 이루며, 대상물이나 원하는 측정 정밀도에 따라 선택하는 것이 중요합니다.

형상 측정 센서의 사용 용도

형상 측정 센서는 주로 제품의 외관 형상을 측정하는 데 사용됩니다. 제품의 갈라짐, 깨짐, 균열, 찌그러짐 외에 면적, 부피 등 완성된 형상이나 부품의 조립 상태를 확인하는 데 유용합니다.

예를 들어 식품의 경우, 쿠키나 과자의 깨짐, 부서짐 등의 불량을 자동으로 검출할 수 있으며, 3D 측정형 제품에서는 면적이나 부피도 검출할 수 있습니다.

산업용 제품이라면 각종 가공제품의 가공 결과를 자동으로 양-불량을 판별하는 용도 등에 사용됩니다. 용접의 형상 확인 등도 용도 중 하나입니다.

형상 측정 센서의 원리

1. 광절단 방식의 원리

비접촉식 레이저를 이용한 광절단 방식은 센서에서 라인상의 레이저를 쏘아 측정 대상물에 반사시켜 수광부(소자)에서 수광하여 대상물과의 거리를 측정합니다. 측정한 거리에서 삼각 측량을 통해 실제 형상을 계산하여 형상 데이터를 생성할 수 있습니다.

2. 측정의 해상도

임의의 위치에 고정된 센서에 대해 컨베이어와 같은 라인 위에 물체를 올려놓고 움직여 연속적으로 전체를 측정합니다. 단위 시간당 센서의 측정 횟수에 따라 측정의 해상도가 결정되는데, 예를 들어 1초에 1m씩 움직이는 라인에서 1초당 1,000회 측정할 수 있다면 1mm 단위로 형상을 측정할 수 있습니다.

측정한 결과를 컴퓨터로 처리하여 디스플레이 등에 표시하여 결과를 확인할 수 있습니다. 폭, 높이, 면적, 부피 등의 측정 결과를 자동으로 처리하는 제품도 있습니다.

빛을 비추어 반사시키는 원리 때문에 반사가 많은 유리 제품(전자부품의 CCD나 CMOS, 수정진동자의 수정편 등), 반사가 잘 안 되는 고무 제품(타이어 등)이나 반사가 잘 안 되는 색상의 대상물의 형상을 측정하기 위해서는 이에 특화된 센서가 필요합니다.

형상 측정 센서의 종류

1. 광학식 변위 센서

삼각측량을 검출 원리로 하는 센서로, 수강소자에 PSD를 사용한 것과 영상소자를 이용한 것이 있습니다.

2. 선형 근접 센서

코일에 교류전류를 흘리면 자속이 발생하는데, 금속인 물체를 통과하면 물체에 대해 와전류가 발생합니다. 이 와전류의 방향은 발생한 자속 변화를 방해하는 자속을 발생시키는 방향으로 발생합니다.

그 결과 코일의 인덕턴스가 변화하게 되고, 인덕턴스 변화량을 읽음으로써 코일과 대상물 사이의 거리 변위를 측정할 수 있습니다.

3. 초음파 변위 센서

송신기를 사용하여 대상물에 초음파를 발신하고, 그 반사파를 수신기를 사용하여 수신합니다. 초음파의 발신과 수신 사이의 시간을 측정하여 거리를 산출하는 방식입니다.

형상계측센서 기타 정보

삼각측량

삼각측량이란 삼각형의 원리를 이용하여 멀리 떨어진 지점과의 거리를 측정하는 방법입니다. 어떤 두 점 사이의 정확한 거리를 알고 있다면, 그 두 점으로부터 멀리 떨어진 곳의 어떤 지점과의 거리는 그 두 점과의 각도만 알면 계산할 수 있습니다.

이는 ‘삼각형의 한 변과 그 양 끝의 각도가 정해지면 삼각형이 확정된다’는 성질에 근거하여 확정된 것입니다. 형상 측정 센서에서 삼각측량 방식의 장점은 색상이나 배경의 영향을 덜 받는다는 점입니다.

일반적인 수광량 판별형과 달리 공작물 표면에서 반사된 레이저 빛으로 거리를 판별하기 때문에 공작물이나 배경의 색상이나 재질의 영향을 최소화할 수 있습니다. 예를 들어, 공작물과 배경이 동색인 경우에도 안정적인 위치 판별이 가능합니다.

스캐닝 프로브 현미경이란?

주사형 프로브 현미경(SPM)은 바늘처럼 날카로운 프로브로 시료 표면의 요철을 나노미터 단위로 관찰할 수 있는 현미경입니다.

시료 표면을 깨끗하게 하기 위해 고진공 하에서 사용하는 경우가 많지만, 대기 중에도 사용할 수 있습니다. 최근에는 액체 상태에서도 사용할 수 있는 제품도 개발되고 있습니다.

주사형 프로브 현미경의 종류는 다양하며, 주사형 터널 현미경(STM), 원자간력 현미경(AFM) 등이 있는데, STM은 원자 하나하나를 포착할 수 있어 나노 구조의 과학 기술 발전에 크게 기여한 공로로 발명자는 1986년 노벨 물리학상을 수상하기도 했습니다.

주사형 프로브 현미경의 사용 용도

주사형 프로브 현미경은 매우 미세한 나노미터 정도의 표면을 관찰할 수 있기 때문에 반도체, 유리, 액정 등의 표면 상태 관찰 및 거칠기 측정에 사용됩니다.

구체적인 관찰 대상은 실리콘 단결정의 원자 배열이나 유기 화합물의 페닐기 등입니다. 또한 미생물, 박테리아, 생체막과 같은 생체 시료의 DNA를 관찰하고 조작할 수 있습니다.

주사형 프로브 현미경은 1980년대에 개발된 새로운 현미경이지만, 원자 단위의 관찰 기술의 발전은 눈부시게 발전하여 마찰, 점탄성, 표면 전위를 측정할 수 있는 기종도 개발되어 용도가 점점 더 넓어지고 있습니다. 액체 측정은 전기화학, 생화학 등의 분야에서도 사용되어 보다 실제 환경에 가까운 상태 측정이 가능합니다.

주사형 프로브 현미경의 원리

주사형 프로브 현미경 중 가장 많이 사용되는 AFM과 STM의 원리를 설명합니다. 가느다란 바늘처럼 생긴 프로브의 끝이 시료 표면을 스캐닝하여 이미지와 위치 정보를 얻습니다. 프로브가 가늘고 원자 단위의 스캔을 하기 때문에 요철이 너무 큰 시료의 측정에는 적합하지 않습니다.

1. 주사형 터널 현미경(STM)

STM은 금속 프로브 끝에서 시료를 향해 나오는 터널 전류의 강도가 그 사이에 있는 진공이라는 절연체의 두께에 민감하게 반응하는 것을 이용합니다. 물질 표면의 원자를 개별적으로 분해하여 볼 수 있는 높은 분해능(두 점을 구분할 때 두 점 사이의 최단 거리)으로 시료 표면의 국부적인 높이를 정확하게 측정할 수 있습니다. 또한, 프로브가 시료 표면을 스캐닝하여 원자 단위의 요철 패턴을 관찰할 수 있습니다.

프로브에는 끝이 뾰족한 텅스텐이나 백금 등을 사용합니다. 양측의 전자 구름이 겹칠 정도의 근거리까지 프로브와 시료를 근접시키고 미세한 바이어스 전압(증폭기의 소신호 증폭을 위해 직류로 동작점을 설정하기 위한 전압)을 가하면 터널 효과에 의해 터널 전류가 흐릅니다.

STM에서는 금속 탐침을 시료 표면에서 수평(X, Y)으로 이동시키고 탐침과 시료 사이의 거리(Z)를 피드백 제어하여 터널 전류를 항상 일정하게 유지합니다. 일반적으로 원자 1개 크기보다 작은 정밀도로 거리를 제어할 수 있는 압전 소자로 수직 이동을 하여 단일 원자 간의 상호작용을 감지합니다. 이 때문에 STM은 3차원적으로 원자 단위의 해상도를 갖습니다. 압전 소자는 압력을 가하면 전압이 발생하는 압전 효과라는 현상을 이용한 수동 소자입니다.

2. 원자간 힘 현미경(AFM)

AFM은 프로브와 시료 표면의 미세한 원자간 힘(화학적으로 결합하지 않은 원자끼리 작용하는 약한 응집력)의 차이를 측정하고 주사하여 표면을 관찰합니다. 유기물이나 무기물에 관계없이 절연체나 생체 시료도 관찰할 수 있어 활용 범위가 넓으며, AFM 기술을 응용하여 마찰력, 점탄성, 유전율, 표면 전위 등을 측정하는 다양한 기종이 개발되고 있습니다.

캔틸레버(cantilever) 끝에 장착된 프로브와 시료 표면을 미세한 힘으로 접촉시킨다. 프로브와 시료 사이의 거리(Z)를 피드백 제어하여 캔틸레버에 작용하는 힘(편향량)을 일정하게 유지하면서 수평(X, Y)으로 스캔하여 표면 형상을 이미지화합니다.

주사형 프로브 현미경의 기타 정보

프로브의 종류

주사형 프로브 현미경의 대표적인 예인 AFM과 SPM은 모두 프로브를 사용하지만 그 종류가 다릅니다. 또한, AFM만 하더라도 재질, 길이 등 다양한 종류가 있어 측정 대상에 맞게 선택하는 것이 중요합니다.

또한, AFM은 원리에서 설명한 접촉 모드 외에 태핑 모드가 있는데, 이는 깨지기 쉬운 유기 시료에 대해 측정할 때 활용되며, 전용 프로브를 사용합니다. 또한, 프로브는 소모품이므로 직접 교체해야 합니다.