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분광센서란?

분광센서는 물질에 빛을 조사하여 그 빛의 반사, 산란, 흡수를 측정하여 분자의 정보를 얻는 분광분석장치의 일종입니다.

분광기와 거의 동일하며, 검출기 일체형인 것이 일반적입니다. 분광센서는 사용하는 빛의 파장 범위와 원리의 차이에 따라 구분되며, 다양한 종류가 있습니다. 분광센서를 이용하여 측정 대상의 색 측정, 막 두께 측정, 화학물질의 식별 등을 모니터링 할 수 있습니다. 최근에는 소형, 고성능의 분광센서가 개발되어 간편하게 실시간 분석이 가능해졌습니다.

분광센서의 사용 용도

분광센서는 종류가 다양하고 다양한 용도로 활용되고 있습니다. 반도체를 비롯한 산업 분야, 의약품 등 의료용, 식품 및 수질 분석 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

예를 들어, 식품 분야에서는 비접촉식으로 식품을 손상시키지 않고 측정할 수 있는 근적외선 분광센서가 활용되고 있습니다. 농작물의 식미 분석을 비파괴적으로 할 수 있으며, 토마토에 함유된 리코펜의 양, 채소에 함유된 엽록소의 양, 돼지고기에 함유된 지방의 양 등을 실시간으로 측정할 수 있습니다. 측정 결과를 바로 알 수 있기 때문에 생산관리나 품질관리에 근적외선 분광센서가 효과적입니다.

분광센서의 원리

그림 1. 분광센서의 구조

분광센서는 빛을 물질에 조사하여 반사 또는 투과된 빛을 검출함으로써 물질이 흡수한 빛의 양을 측정합니다. 물질이 흡수하는 빛은 물질의 조성이나 구조에 따라 달라지기 때문에 분광센서를 이용하여 물질의 조성을 예상할 수 있습니다.

분광센서는 크게 광원, 분광부, 시료부, 검출기로 구성되어 있습니다. 광원에서 발생한 빛을 분광부에서 특정 파장의 빛으로 조절하여 시료에 조사합니다. 이 때, 조사광의 파장을 하나에 집중하는 경우 모노크로미터, 여러 개를 사용하는 경우 폴리크로미터라고 합니다. 전자는 측정 파장을 스캔하기 때문에 측정에 시간이 오래 걸리지만 정확도가 높습니다. 후자는 단시간에 측정할 수 있지만 신호 강도가 약하고 정확도가 떨어집니다.

시료에 조사되어 반사 또는 투과된 빛은 검출기로 유도되어 그 강도를 측정합니다. 검출기는 측정 파장에 따라 달라지는데, 180nm~1,100nm의 자외선~근적외선 범위에서는 CCD 검출기, 900~1,700nm의 근적외선에서는 InGaAs형, 1700~2,500nm의 근적외선에서는 확장형 InGaAs형이 사용됩니다.

분광 센서의 종류

그림 2. 빛의 종류

분광센서는 측정에 사용하는 파장에 따라 구분됩니다. 각각 특징이 있기 때문에 목적에 맞게 선택해야 합니다. 빛의 종류는 여러 가지가 있으며, 각각을 이용한 측정 장치가 있지만, 일반적으로 자외선-가시광, 근적외선, 중적외선, 원적외선이 분광 센서에 사용됩니다.

1. 자외선 및 가시광선

측정하고자 하는 시료에 자외선 및 가시광선을 조사하여 반사 또는 투과된 빛을 측정합니다. 대상 물체가 적색, 청색, 녹색의 세 가지 색을 어느 정도 흡수하는지에 대한 정보를 통해 물체의 색을 결정합니다. 물질의 색을 감지하는 컬러 센서로 제품의 색상 관리, 불량품 및 불순물 검출에 활용되고 있습니다.

2. 근적외선 분광법

측정 대상 시료에 근적외선을 조사하여 투과 또는 반사된 근적외선을 측정합니다. 근적외선은 거의 흡수되지 않고 물체를 투과합니다. 고체, 분말, 액체 등 다양한 상태의 시료를 분석할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 농산물이나 식품의 비파괴에 사용되며, 혈중 산소포화도를 측정하는 펄스 옥시미터, 적외선 카메라 등에도 활용되고 있습니다.

3. 중적외선 분광법

측정 대상 시료에 중적외선을 조사하여 반사된 중적외선을 측정합니다. 분자마다 고유한 흡수 패턴을 가지고 있어 물질의 식별이 가능합니다. 고체 시료의 경우 조사광이 닿는 표면 부근만 측정할 수 있기 때문에 주로 기체나 액체의 불순물을 검출하는 용도 등에 사용됩니다. 엔진오일 분석, 소변 검사 등에 활용되고 있습니다.

4. 원적외선

측정 대상에서 방출되는 원적외선을 측정합니다. 원적외선은 온도와 밀접한 관계가 있어 온도 차이를 측정할 수 있습니다. 열화상 카메라, 인감 센서 등에 활용되고 있습니다.

분광센서 기타 정보

분광센서 이외의 분광분석법

그림 3. 주요 분광분석장치

분광분석법은 물질을 투과 또는 반사된 빛의 에너지를 측정하여 입사광의 에너지와 비교함으로써 물질의 정성적, 정량적 분석을 하는 방법입니다. 분광분석법으로는 다음과 같은 방법이 대표적이며, 사용되는 파장은 감마선부터 전파까지 다양합니다.

1. 흡광 분광법
흡광분광법은 시료에 빛을 조사하여 반사 또는 투과된 빛을 측정하여 입사광의 에너지와 비교함으로써 물질의 정성 및 정량 분석이 가능한 분석법입니다. 대표적인 분석 장비는 각 파장별 흡광 분광 장치입니다.

2. 형광 분광법 (또는 발광 분광법)
형광분광법은 시료에 빛을 조사하여 시료에서 발생하는 형광(또는 발광)을 측정하고, 그 빛의 에너지로 물질의 정성 및 정량 분석이 가능한 분석법입니다. 대표적인 분석 장비로는 형광 인광 분광법, 형광 X선 분광법(XRF) 등이 있습니다.

3. 광산란 분광법
광산란 분광법은 시료에 빛을 조사하여 산란된 빛을 측정하고, 그 빛의 에너지와 강도를 통해 물질의 정성 및 정량 분석이 가능한 분석법입니다. 대표적인 분석 장비로는 라만 분광법, 동적광산란법(DLS), X선 소각 산란(SAXS) 등이 있습니다.

4. 자기공명분광법
자기공명분광법은 자기장 속에서 시료에 빛을 조사하여 투과된 빛을 측정하고, 흡수된 빛으로부터 물질의 정성 및 정량 분석이 가능한 분석법입니다. 대표적인 분석 장비로는 핵자기공명(NMR), 전자스핀공명(ESR), 핵자기공명영상법(MRI) 등이 있습니다.

5. 광전자 분광법
광전자 분광법은 시료에 빛을 조사하여 광전 효과에 의해 방출되는 전자를 측정하여 그 에너지로 물질의 정성 및 정량 분석이 가능한 분석법으로, X선 광전자 분광법(XPS), 자외선 광전자 분광법(UPS), 오거 전자 분광법(AES) 등이 대표적입니다.

아크 용접 로봇이란?

아크 용접 로봇은 사람을 대신해 아크 용접을 하는 로봇입니다.

다른 용접 로봇에 비해 다소 작은 것이 특징입니다. 아크 용접은 아크 방전에 의해 강렬한 빛과 강력한 자외선이 방출되기 때문에 용접 부위가 매우 높은 온도를 유지합니다. 따라서 고글이나 작업복으로 보호하고 있더라도 화상의 위험이 높습니다.

금속이 증기로 변한 흄을 들이마시면 유해하기 때문에 로봇의 작업 대체 수요가 높은 작업 중 하나 입니다. 로봇은 속도가 빠르고 안정적인 품질의 용접이 가능하다는 장점이 있으며, 비용 절감에도 기여합니다.

아크 용접 로봇의 사용 용도

아크 용접은 철과 철, 알루미늄, 티타늄과 같은 금속을 연결하는 데 활용됩니다. 거의 모든 금속 구조물에 적용되는 용접 방법입니다. 다음은 아크 용접 로봇이 사용되는 제품의 예시입니다.

• 철골 구조물 및 건설기계
• 자동차, 철도차량 등 육상 운송 기계
• 항공기 등 대형 공수 기계
• 선박 등 대형 해운 기계

아크 용접 로봇은 위 제품들의 제조 공장 등에서 사용됩니다. 최근 용접의 합리화가 진행되면서 아크 용접 로봇의 도입 사례도 증가하는 추세입니다. 아크 용접의 일종인 티그 용접, 마그 용접 등에도 대응하고 있습니다.

아크 용접 로봇의 원리

아크 용접은 공기 중의 방전을 이용한 용접 방법입니다. 전극이 되는 용접봉에 전류를 흘려 접합하고자 하는 금속에 접촉시켜 천천히 떼어내면 아크 방전이 일어납니다. 이 아크는 최대 20,000℃에 달할 정도로 고온이기 때문에 금속이 빠르게 녹아 접합됩니다.

로봇은 수직으로 장착된 6~7개의 다관절로 정밀한 움직임을 재현할 수 있습니다. 각 축마다 움직일 수 있는 각도와 속도가 정해져 있으며, 자격을 갖춘 작업자가 로봇에게 용접 조건을 가르칩니다. 이때 조건 결정과 위치 결정이 중요한데, 실제 용접을 하면서 결정하는 경우도 있습니다.

실제로 용접을 하는 부분을 용접 토치라고 하며, 로봇의 끝에 고정합니다. 용접 대상에 따라 토치나 콘택트 팁 등을 선택해야 합니다.

아크 용접 로봇의 구조

아크 용접 로봇의 구조는 매니퓰레이터, 컨트롤러, 프로그래밍 펜던트로 구성되어 있습니다.

1. 매니퓰레이터

매니퓰레이터는 베이스부, 모터부, 엔드 이펙터 등으로 구성됩니다. 엔드 이펙터에 장착된 용접 토치를 교체하여 다양한 용접 조건에 대응할 수 있다. 또한 서보 모터에 의한 다축 다관절 구조를 채택하고 있습니다.

2. 컨트롤러

컨트롤러는 데이터 저장 저장장치와 매니퓰레이터와의 통신장치 등으로 구성됩니다. 용접 조건 등을 컨트롤러에 저장하여 저장합니다.

3. 프로그래밍 펜던트

프로그래밍 펜던트는 사람이 로봇에게 용접 조건을 가르치는 인터페이스입니다. 매니퓰레이터의 동작 절차를 설명하는 데이터를 생성하거나 변경 및 수정할 수 있습니다. 제어 매개변수 변경 및 티칭도 프로그래밍 펜던트를 통해 이루어집니다.

아크 용접 로봇을 선택하는 방법

아크 용접 로봇은 용접 재료, 스트로크, 설치 방법 등에 따라 선택해야 합니다. 용접 재료는 철강, 알루미늄 등이 있습니다. 용접하고자 하는 재료에 맞는 로봇을 선정합니다.

스트로크는 로봇이 팔을 뻗을 수 있는 거리를 말합니다. 스트로크가 길수록 먼 위치까지 작업이 가능하지만, 가격이 비싸집니다. 큰 부재를 용접하는 경우 여러 대를 설치하기도 합니다.

설치 방법은 로봇을 설치 조건에 따라 벽걸이, 천정걸이 등이 있습니다. 로봇의 설치 장소에 적합한 설치 방법을 선정합니다.

아크 용접 로봇의 기타 정보

아크 용접 로봇 시장

세계 아크 용접 로봇 시장은 2026년까지 117억 달러에 달할 것으로 예상됩니다. 또한, 자동차 산업이 호조를 보이고 있어 2024년 이후에도 수요가 증가할 것으로 보입니다. 선진국을 중심으로 한 자동화 열풍과 노동력 부족 문제도 수요를 촉진하는 요인입니다.

아크 용접 로봇의 가격은 일반적으로 수백만 원대부터 판매되고 있습니다. 용접하는 재료나 사용 조건에 따라 금액이 달라집니다.

높이 측정기란?

높이 측정기란 가공 부품 등에 대해 어떤 기준면으로부터의 높이 방향의 거리를 측정하기 위한 측정기입니다.

일반적으로 높이 게이지라고도 합니다. 높이 측정기는 측정 대상물의 높이를 측정하는 것뿐만 아니라, 높이 표시를 하는 것도 가능합니다. 정반 위 등 높이 측정기가 놓여 있는 수평면 위를 기점으로 하여 이 기준점으로부터의 높이를 측정합니다.

측정 시에는 버니어라는 부척을 사용하여 정밀하게 높이를 측정할 수 있습니다. 또한, 높이 측정기는 스크레이버라는 측정자를 사용합니다. 스크레이버는 딱딱한 재질로 끝이 뾰족하기 때문에 측정물에 정반과 평행한 선을 정확한 높이로 긁어낼 수 있습니다.

높이 측정기의 사용 용도

높이 측정기는 주로 금속 가공 제품의 제조 품질 확인이나 제품 개발 현장에서 사용됩니다. 예를 들어, 가공한 금속 제품의 높이가 도면 규격에 맞는지 확인하기 위해 높이 측정기를 사용합니다.

높이 측정기를 사용하면 정반 등의 평면에서 높이를 정확하게 측정할 수 있습니다. 버니어라는 부척을 이용해 눈금을 읽어내기 때문에 0.01mm 단위로 높이를 측정할 수 있습니다. 간단한 조작으로 높이를 정밀하게 측정할 수 있는 것이 특징이며, 측정실에서부터 라인사이드까지 다양한 곳에서 사용할 수 있습니다.

또한, 높이 측정기는 끝이 단단하고 날카로운 재질로 되어 있어 높이 방향의 선을 긋는 것도 가능합니다. 긋는 작업은 끝이 움직이지 않도록 슬라이더의 고정 나사를 단단히 조여 고정하는 것이 중요합니다.

높이 측정기의 원리

높이 측정기는 본체 베이스, 눈금이 그려진 줄자, 줄자를 부착한 기둥, 미세한 판독을 하는 버니어, 높이 측정을 위해 상하로 움직이는 슬라이더부, 측정자에 해당하는 스크루버로 구성되어 있습니다.

높이 측정기는 측정 대상물과 함께 정반 위에 올려놓고 사용하는 측정기입니다. 측정 작업은 먼저 위에서 슬라이더를 아래로 내려 스크레이버 바닥면을 측정 대상물에 접촉시킵니다. 이 높이가 측정값이 됩니다. 수치 판독은 본척 눈금과 버니어 눈금이 겹치는 부분을 읽게 되는데, 눈금 판독 방식은 캘리퍼스와 비슷해 조금 익숙해져야 합니다.

정확한 측정을 위해서는 스크루드라이버에 필요 이상의 측정력을 가하지 않고 눈금은 정면에서 읽는 것이 중요합니다. 또한, 베이스의 바닥과 스크루드라이버가 평행해야 합니다. 스크레이버의 고정이 불충분하거나 정반 등의 평탄도가 확보되지 않으면 안정적인 측정이 불가능합니다.

높이 측정기는 오랜 기간 사용하다 보면, 세월의 변화 등으로 인해 기둥이 기울어질 수 있습니다. 스크레이버를 장착하는 부분에 지렛대식 다이얼 게이지 등을 부착하고, 직선자 등의 측면에 대고 슬라이더부를 위아래로 움직여 값의 변화를 확인합니다. 기둥이 기울어졌을 때는 조정 또는 수리가 필요합니다.

높이 측정기 기타 정보

1. 높이 측정기의 오차 요인

높이 측정기로 측정할 때 여러 가지 원인으로 인해 측정 오차가 발생합니다. 예를 들어, 과도한 측정력, 측정물과 측정기의 온도 차이로 인한 열 영향, 눈금을 읽는 각도에 따른 시차의 영향 등이 있습니다. 특히 측정기 구조로 인한 오차는 피할 수 없는 중요한 포인트입니다.

측정기 구조로 인한 오차의 주요 원인은 기둥의 휨과 스크레이버의 기울기로 인해 발생합니다. 스크레이버의 기울기는 그 측정 방법과 구조상 피할 수 없다. 높이 측정기는 기둥에 장착된 슬라이더에서 스크루버가 뻗어 있기 때문에 스크루버 설치 시 기울기가 발생할 뿐만 아니라, 시간이 지남에 따라 부품에 틈새나 흔들림이 발생하여 스크루버가 기울어지는 원인이 됩니다.

또한, 스크루드라이버와 장착을 위한 부품의 자중에 의한 처짐도 스크루드라이버가 기울어지는 원인이 됩니다. 이러한 구조적 오차는 새 제품이라도 일정량 발생합니다. 그 오차가 측정기의 분해능보다 작다면 크게 걱정하지 않아도 되지만, 시간이 지남에 따라 오차가 커졌다면 주의가 필요합니다.

따라서 일상적인 점검뿐만 아니라 교정사업자로 인증을 받은 곳에서 교정을 받는 등 정기적인 관리가 필수적입니다.

2. 높이 측정기 사용 시 주의사항

본 줄자, 베이스 바닥면은 사용 전과 사용 후 청소를 실시하여 스크래치, 녹, 기름 등으로 인한 미끄럼의 악화를 방지해야 합니다. 제조사나 제품에 따라서는 스크레이버의 측정면과 높이 측정기 베이스 바닥면의 평행도를 규정한 제품도 있습니다. 사용 시 정반 위나 보관 장소에 쓰레기나 절삭유 등이 있으면 베이스 바닥면에 흠집이나 개구리가 생겨 평행도가 악화될 수 있습니다.

급격한 온도 변화가 발생하는 곳에 보관하는 것도 바람직하지 않습니다. 열에 의한 팽창과 수축의 반복은 정확도 저하뿐만 아니라 측정기 자체의 변형을 유발할 수 있습니다.

창문이나 벽 근처에서 단열이 잘 되지 않는 곳에 보관하면 온도 차이로 인한 열 영향을 받을 수 있습니다. 실내에서 직사광선이 닿지 않는 곳이라고 해도 결코 방심할 수 없습니다.

증착장치란?

증착장치는 감압하에서 물질을 기화시켜 대상물 위에 제막하는 진공증착(VD)을 하는 장치입니다.

증착장치를 사용하면 대상물 위에 매끄러운 도막을 형성할 수 있으며, 그 막의 두께와 조성을 제어할 수 있습니다.

증착장치의 사용 용도

증착장치에서는 알루미늄과 같은 금속 재료나 유무기 재료 등 다양한 재료의 성막이 가능합니다.

증착 장치는 다음과 같은 용도로 활용됩니다.

• 광학 박막 (렌즈의 반사방지막, 특수 거울 등)
• 자기 테이프 (오디오 테이프, 비디오 테이프 등)
• 반도체 (OLED, LED, 태양광 전지 등)
• 전자부품 (저항, 커패시터, 반도체 집적회로 등)
• 식품 포장재 (과자 등의 봉지에 사용되는 알루미늄 증착 필름 등)
• 분석 용도 (시료 준비)

증착장치의 원리

그림 1. 증착장치의 원리 이미지와 액상 성장법

로터리 펌프나 터보 분자 펌프 등으로 챔버 내부를 감압상태로 만들어 증착하고자 하는 물질을 기화시켜 멀리 떨어진 위치에 있는 대상물 위에 증착시킵니다. 감압상태로 만들면 챔버 내 불순물을 제거하여 기화된 물질의 확산성이 향상되어 밀착성이 좋고 매끄러운 막을 제작할 수 있습니다.

물질의 표면에 제막하는 방법으로 도금이 유명하지만, 도금 등은 액상에서 원료가 공급되는 반면, 증착은 기체상에서 원료가 공급된다는 차이가 있습니다.

증착장치의 종류

증착 장치에 사용되는 증착 방법에는 물질을 기화시키는 방법에 따라 물리 기상 성장법(또는 물리 증착, 영문: Physical Vapor Deposition, PVD)과 화학 기상 성장법(또는 화학 증착, 영문: Chemical Vapor Deposition, CVD)의 두 가지로 나뉩니다.

1. 물리 기상 성장법 (PVD)

그림 2. 물리 기상 성장법 및 주요 종류

물리 기상 성장법은 가열 등의 물리적 방법으로 증착 물질의 기화, 승화 등을 일으켜 제막하는 방법있습니다. 가열 방법은 전자빔, 저항가열, 고주파 유도, 레이저 등이 있습니다.

• 전자빔 가열
  내화물 등의 도가니에 담긴 증착 재료에 전자빔을 조사하여 기화시킵니다. 전자빔은 에너지가 높고 융점이 높은 재료에도 적용할 수 있습니다.
• 저항 가열
  텅스텐 등의 저항에 전류를 흘려 발열시키고 그 위에 증착 재료를 올려놓으면 증착 재료가 가열되어 기화됩니다. 상대적으로 온도 상승이 어렵기 때문에 융점이 낮은 재료에 적합합니다.
• 고주파 유도 가열
  코일을 감은 도가니에 증착 재료를 넣고 코일에 고주파 전류를 흘려 강력한 자기장을 발생시켜 그 자기장에 의한 전류와 전열 저항에 의한 발열로 빠르게 온도를 상승시켜 막 재료를 기화시킵니다.
• 레이저 가열
  증착 재료에 레이저를 조사하여 높은 에너지를 공급하여 증착 재료를 기화시킵니다.

또한, 플라즈마나 분자선 등을 이용한 방법도 물리 기상 성장법 중 하나입니다.

• 분자선 에피택시 (MBE)
  초고진공 하에서 진공증착을 하면 기화된 분자가 진행 방향을 맞춰 직진하기 때문에 막의 두께, 조성 등을 보다 정밀하게 제어할 수 있는 방법입니다. 성장 속도가 느리고 고진공이 필요하기 때문에 장비의 대형화에 불리하며, 대량 생산에 취약합니다.
• 스퍼터링
  진공 중에 아르곤과 같은 불활성 가스를 주입하고 전극에 전압을 가해 글로우 방전을 일으키면, 플라즈마화된 아르곤이 음극을 향해 충돌하면서 음극 위의 원자나 분자 등을 튕겨냅니다. 이때 증착 대상물을 양극 위에 설치하면 튕겨져 나온 원자들이 표면에 증착됩니다. 이온화 방법으로는 직류전압(DC), 고주파 교류전압(RF-AC), 마그네트론, 이온빔 등이 있습니다.

2. 화학기상증착법(CVD)

그림 3. 화학 기상 성장법 및 주요 종류

화학기상증착법은 화학반응 등의 화학적 방법으로 증착물질을 증착 대상물 위에 증착시켜 제막하는 방법입니다. 대표적으로 열 CVD, 광 CVD, 플라즈마 CVD, 유기금속 CVD, 원자층 성장(ALD) 등이 있습니다.

• 열 CVD
  저항가열로를 이용해 고온을 만들고, 여기에 원료 가스를 흘려보내 화학반응을 일으켜 박막을 형성하는 방식입니다. 비교적 균일한 두께의 박막을 만들 수 있습니다.
• 광 CVD
  자외선 램프나 레이저 광을 이용하여 저온 공정으로 화학반응을 일으켜 박막 형성을 하는 방법입니다. 이온 발생이 없어 기판 손상이 적습니다.
• 플라즈마 CVD
  원료를 플라즈마화하여 반응성을 높이고, 증착 대상 위에서 반응을 일으켜 제막하는 방법입니다. 저온에서 박막을 형성하기 때문에 고품질의 성막이 가능합니다. 단, 장비가 고가이며, 유지보수 등에 어려움이 있습니다.
• 유기금속 CVD
  증착하고자 하는 금속의 전구체인 유기금속을 원료로 사용하여 증착 대상 위에서 반응에 의해 금속으로 변화하여 금속 박막을 형성할 수 있는 방법입니다. 박막 두께를 정밀하게 제어하면서 고속으로 제막할 수 있어 LED 등의 대량 생산에 사용되고 있습니다.
• 원자층 성장 (ALD)
  여러 종류의 원료를 한 종류씩 증착, 교체함으로써 원료가 정해진 위치에서 자기 제어적으로 반응하여 제어된 구조, 두께의 박막을 형성할 수 있는 방식입니다.

이 외에도 다양한 방식의 증착장치가 개발, 판매되고 있습니다. 용도에 따라 적합한 장비를 선택해야 합니다.

영상처리 시스템이란?

영상처리시스템은 2차원, 3차원의 이미지나 데이터를 가공, 합성하거나 특성을 판독하는 일련의 시스템 구성을 말합니다.

영상처리시스템은 사람의 눈을 대신해 다양한 판단과 측정을 가능케 하기 때문에 자동기계나 산업용 로봇에 없어서는 안 될 기술로 자리 잡고 있습니다.

영상처리 시스템의 사용 용도

현대에서 영상처리는 다음과 같이 매우 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

1. 의료 분야

의료 분야의 대표적인 영상처리는 CT 검사와 MRI 검사로, CT는 기존 X선 검사의 영상을 2차원에서 3차원으로 확장하여 체내를 전체적으로 관찰할 수 있게 되었고, MRI는 강자장과 전자기파를 이용하여 방사선을 사용하지 않고도 진단이 가능합니다. 두 검사 모두 영상처리 기술을 이용해 다양한 각도에서 체내를 관찰할 수 있습니다.

2. 산업 분야

산업 분야에서는 제조 라인에서 많은 영상처리 시스템이 사용되고 있습니다. 조립 공정의 부품 인식, 픽업, 정렬, 검사 공정의 개수 검사, 외관 검사, 치수 검사, 출하 공정의 선별, 포장뿐만 아니라 위험 감시까지 폭넓게 사용되어 공정 자동화에 큰 기여를 하고 있습니다.

3. 교통 분야

교통 분야에서의 대표적인 활용 용도는 자동차의 운전 지원 및 운전 자동화가 있습니다. 전방뿐만 아니라 360° 전체 카메라 영상을 처리하여 보행자, 장애물, 다른 차량 감지 등을 통해 운전자에게 주의 환기 및 회피 동작을 수행합니다.

자동차 외에도 철도 시스템에서 설비 감시 및 보안 감시에 적용되어 실외라는 밝기가 변화하는 환경과 철도 연선이라는 넓은 영역을 사람을 대신해 감시하는 데 도움을 주고 있습니다.

4. 보안 분야

보안 분야의 대표적인 활용 사례가 얼굴인식 시스템입니다. 스마트폰에서 널리 사용되고 있으며, 건물 내 출입 보안을 강화하는 데에도 활용되고 있습니다.

영상처리 시스템의 원리

영상처리 시스템은 다음과 같은 흐름으로 동작합니다.

1. 이미지 입력

주로 CCD 센서를 이용하여 빛의 분포를 전기 신호로 변환합니다.

2. 평활화

전처리 중 하나인 평활화는 핀보케처럼 부드러운 색조 변화를 주는 처리입니다. 평활화는 필터가 덮는 영역 내 픽셀의 평균값을 계산하고 그 값을 새로운 픽셀 수로 정의하기 때문에 평균화 필터라고도 합니다. 이미지를 평활화하여 노이즈를 제거하는 공간 필터로 사용됩니다.

3. 특징 추출

특징 영상 중 하나로 이분화 영상을 들 수 있습니다. 이치화란 농도가 몇 단계의 농도가 있는 상태에서 흰색과 검은색 두 단계로만 만드는 것으로, 농도가 흰색과 검은색 둘 중 하나만 있는 이미지를 이치화 이미지라고 합니다.

계조값을 이용하여 이미지의 성질을 알 수 있는 방법 중 하나로 히스토그램이 있습니다. 가로축에 픽셀 수를, 세로축에 픽셀 수의 빈도를 취해 그 정보를 그래프로 나타낸 것입니다. 그 위에 히스토그램의 가로축의 계조수를 어딘가에서 두 개로 나누고, 계조수가 그보다 크면 픽셀 데이터는 1, 작으면 0으로 나누는 처리 방식입니다.

4. 평가

특징 추출로 얻은 특징 영상을 목적에 따라 평가합니다.

영상처리 시스템의 기타 정보

1. 영상처리 시스템의 카메라 선정

영상처리 시스템에서 카메라 선택은 매우 중요합니다. 카메라는 영상처리 시스템에서 이미지 입력 과정에서 작업물의 이미지 데이터를 획득하기 위해 사용됩니다.

생산 현장 등에서는 제품의 흠집이나 상태를 검사하기 위해 눈의 기능을 하는 카메라를 이용하여 기판 등의 검사 대상물을 촬영하는데, 촬영 조건이 다르면 검사 정확도에 편차가 발생하게 됩니다.

촬영 조건을 최대한 동일하게 하기 위해서는 렌즈, 조명 등과 함께 적절한 카메라를 선택해야 합니다. 화상처리 시스템의 방식은 크게 다음 두 가지로 나뉩니다.

• 에어리어 센서 카메라 방식
  이 방식은 가장 일반적으로 사용되는 촬영 방식이며, 2차원의 이미지를 얻을 수 있습니다. 획득할 수 있는 이미지의 크기는 카메라에 따라 결정됩니다.
• 라인 센서 카메라 방식
  이 방식은 1차원의 이미지를 연속적으로 획득하여 2차원의 이미지를 얻을 수 있습니다. 이미지를 획득할 때 카메라 또는 워크가 일정한 방향으로 움직이고 있어야 합니다. 비교적 큰 워크의 영상 촬영에 효과적인 방식입니다. 요구사항을 충분히 파악한 후 적절한 카메라를 선정하는 것이 필요합니다.

2. 영상처리 시스템의 실시간 처리

영상처리 시스템 내에서의 계산처리와 소프트웨어 또는 하드웨어로 이루어집니다. 소프트웨어로 처리하는 것은 프로그램 변경으로 다양한 변화에 대응할 수 있어 유연성이 높지만, 위험 회피 등 실시간성이 요구되는 장면에서는 하드웨어로 처리해야 합니다.

예를 들어, 자동차 주차 시 충돌 회피에 사용되는 어라운드 뷰 모니터는 본래 카메라가 존재하지 않는 자동차 상공의 영상을 실시간으로 비추고 있지만, 여기서는 ASIC 등의 전용 하드웨어를 통해 차량에 장착된 카메라의 영상 데이터를 합성 처리하여 영상을 실시간으로 생성하고 있습니다.

습도 센서란?

습도 센서는 공기 중의 습도를 측정하는 센서를 말합니다.

일반적으로 포화 수증기량에 대한 상대 습도를 측정하는 센서를 가르킵니다. 온도 센서와 결합하여 온습도 센서라는 형태로 활용되기도 합니다. 물론 절대 습도를 감지하는 습도 센서도 있지만, 상대 습도를 감지하는 습도 센서가 더 일반적입니다.

습도 센서는 에어컨, 건조기 등 가전제품뿐만 아니라 기계 유지보수나 식품 가공 현장에서도 사용되고 있습니다.

습도 센서의 사용 용도

습도 센서는 일반 가정용 가전제품이나 프린터 등 OA기기, 일반 가정이나 건물 및 시설의 공조, 공장이나 창고 등 산업시설 등에서 폭넓게 사용되고 있습니다. 각각의 사용 예는 다음과 같습니다.

1. 일반 가정용 제품

습도 센서는 일반 가정용 제품에 탑재되어 있습니다. 예를 들어 에어컨, 냉장고, 자동차, 건조기, 공기청정기, 가습기 등에 사용됩니다. 공기 환경을 조절하는 공조 제품에 습도 센서는 필수적입니다.

2. OA 기기

프린터 등 OA 기기에도 습도 센서가 탑재되어 있는데, OA 기기는 극도의 건조함과 습도를 싫어하기 때문에 습도 센서를 통해 외부 환경을 측정하여 기기의 고장을 방지하고 있습니다.

3. 산업용 용도

습도 센서가 더욱 폭넓게 활용되고 있는 분야는 산업용입니다. 식품 가공 공장, 식물 재배 공장 등은 물론 반도체 등의 제조 현장이나 보관 장소 등의 습도 관리에 사용되고 있습니다. 또한, 의료기기 제조 및 사용 환경, 항공우주 사업 현장 등 습도 관리가 중요한 곳에서도 습도 센서가 활용되고 있습니다.

4. 보관 용도

박물관이나 미술관의 전시물 보관에도 습도 관리는 매우 중요합니다. 따라서 습도 센서는 보존 장소의 습도 관리에 중요한 역할을 하고 있습니다.

습도 센서의 원리

습도 센서는 상대습도를 측정하는 것이 일반적입니다. 센서를 통해 공기 중의 습도를 측정하고, 이를 해당 환경의 온도에서 포화 습도에 대한 상대적인 값으로 계산하여 상대 습도를 도출합니다.

반면, 절대 습도를 측정하는 습도 센서는 해당 공간의 1입방미터 당 수증기량을 측정합니다. 이 절대 습도는 온도와 무관한 값으로 공간 내 수증기의 양을 나타내며, 부피 절대 습도라고도 합니다.

습도 센서의 종류

습도 센서는 전자식 고분자 습도 센서가 주류를 이루며, 다시 ‘저항 변화형’과 ‘정전 용량 변화형’으로 나뉩니다. 모두 전극과 고분자막으로 구성되어 있으며, 고분자막의 흡습에 의한 습도 변화를 전극 사이의 전기 신호의 변화로 추출하는 것입니다.

1. 저항 변화형 습도 센서

저항 변화형 습도 센서는 습도 변화에 따른 전기 신호를 전기 저항의 변화로 포착하여 감지합니다. 빗살 모양의 전극을 서로 엇갈리게 배치하고, 이 빗살 모양의 마주보는 전극 사이의 간격을 채우기 위해 고분자막을 배치한 구조입니다.

이 고분자막이 수분을 빨아들여 물이 흡착되면 막 내의 이온이 자유롭게 움직일 수 있게 되고, 이 이온에 의해 막의 저항이 변화하는 성질을 이용하고 있습니다. 이 막의 저항 변화에 따라 전극 사이의 저항(임피던스)이 변화하기 때문에 전기 저항의 변화로 습도를 감지할 수 있습니다.

전기저항 변화식 습도 센서는 구조가 간단하고 대량 생산이 가능합니다. 또한 비교적 저렴하고 내구성이 좋으며, 전기 저항을 측정하기 때문에 노이즈에 강하고 습도가 높은 곳에 적합하다는 장점이 있다. 하지만 습도가 낮으면 감지가 잘 되지 않는 단점이 있습니다.

2. 커패시턴스 변화형 습도 센서

커패시터 기술을 응용해 습도 변화에 따른 전기 신호를 전기 용량으로 포착해 감지하는 것이 ‘정전 용량 변화형’ 습도 센서입니다. 일반 전극 위에 수분을 빨아들이는 셀룰로오스나 PVA와 같은 고분자막의 유전체를 사이에 두고 수분을 투과하는 전극을 설치한 구조입니다.

수분을 투과하는 전극 쪽에서는 전극의 유무에 관계없이 공기 중의 수분이 고분자막에 흡습되어 고분자막의 유전체 정전 용량이 흡습된 수분량에 따라 변화합니다. 그 결과, 수분량의 차이, 즉 습도의 변화를 정전 용량의 변화로 감지할 수 있습니다.

정전 용량 변화형 습도 센서의 장점은 저항식보다 반응이 민감하고 응답 속도가 빠르다는 것이다. 하지만 커패시턴스 변화형 습도 센서는 회로가 복잡해진다는 단점이 있습니다.

습도 센서의 기타 정보

1. 습도 센서의 종류

습도 센서에는 소형 소자 형태로 전자 회로에 연결하여 사용하는 타입과 프로브 형태의 측정부 내에 습도 센서를 배치한 타입이 있습니다. 또한, 결로에 강한 것과 결로에 약한 것도 있으므로 용도에 따라 적절히 선택해야 합니다.

2. 습도 센서의 수명

습도 센서는 수년 동안 계속 사용하면 점차적으로 성능이 저하되어 당연히 측정 정확도가 떨어집니다. 또한 습도 센서와 외부 출력 사이의 접합부의 열화도 발생합니다. 이를 고려하면 사용 환경과 탑재된 센서의 종류에 따라 다르지만, 센서의 수명은 2~5년 정도입니다.

3. 스마트폰용 습도 센서

최근 온도-습도 센서를 탑재한 스마트폰이 늘어나고 있습니다. 이렇게 온도-습도 센서가 탑재된 스마트폰으로 온도-습도를 측정하기 위해서는 무료 앱 등을 다운로드 받아야 합니다.

또한, 온도-습도 센서가 탑재되지 않은 스마트폰의 경우, 외부 센서를 장착하면 측정이 가능한 경우가 많습니다. 스마트폰과 연동되는 무선 센서로는 Bluletooth 기능을 가진 온습도 센서 등도 판매되고 있습니다. 이러한 외장형 센서를 일반적으로 ‘환경 센서’라고 부릅니다. 이 환경 센서는 습도뿐만 아니라 온도, 조도, 기압, 소음 등 여러 가지 센서 기능을 가지고 있는 경우가 많습니다.

측정 현미경이란?

측정 현미경은 현미경으로 확대 관찰한 영상에서 치수를 측정하는 치수 측정기입니다.

정확한 배율로 확대된 광학 현미경과 비교 측정을 위한 템플릿 등 측정 대상물을 평면상에서 정밀하게 움직일 수 있는 XY 스테이지 등이 결합되어 있습니다. 측정 현미경을 사용하면 비접촉식 측정이 가능하기 때문에 공작물을 손상시키지 않고 윤곽 형상이나 표면을 관찰할 수 있습니다.

측정 현미경은 광학계에 텔레센트릭 광학계를 사용하는 것이 일반적입니다. 최근에는 광학 헤드에 무한원 보정 광학계를 채용하여 미분 간섭 관찰이나 간이 편광 관찰이 가능한 사양도 있습니다.

측정 현미경의 사용 용도

측정 현미경은 비교적 작은 크기의 기계 부품, 전자기기 부품, 반도체 제품의 생산 및 품질 관리에 사용됩니다. 현미경으로 확대하지 않으면 측정이 어려운 작은 부품, 미세한 부위의 측정에 적합한 측정기입니다.

또한, 치수 측정뿐만 아니라 반도체 기판의 스크래치 검출 등 편광이나 미분 간섭을 이용한 관찰에도 사용할 수 있습니다. 확대 배율의 정확성으로 인해 템플릿을 이용한 비교 측정을 통해 제품이 공차 범위 내에 있는지 판단하는 간이 검사에도 유용합니다.

측정 현미경은 측정기로도, 현미경으로도 사용할 수 있어 한 대만 있으면 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.

측정 현미경의 원리

측정 현미경은 조명 방식에 따라 분류할 수 있습니다.

1. 투과 조명

투과조명은 빛을 투과시켜 물체의 그림자를 윤곽 형상으로 파악하여 치수 측정을 하기 위한 투과조명입니다. 윤곽부를 측정하기 위해 사용됩니다.

2. 수직 반사 조명

수직반사조명은 물체 표면에 수직으로 빛을 비추어 반사광으로 표면을 관찰합니다. 수직반사조명은 치수 측정뿐만 아니라 표면 형상을 관찰할 수 있습니다.

3. 대각선 반사 조명

비스듬히 반사 조명은 측정물 표면에 비스듬히 빛을 비추는 조명 방식입니다. 특징으로는 상의 콘트라스트가 강조되어 입체적이고 선명한 영상을 얻을 수 있습니다. 그러나 치수 측정에 있어서는 오차가 발생하기 쉽습니다.

측정 현미경의 기타 정보

1. 텔레센트릭 광학계

대부분의 측정 현미경은 투과 조명에 텔레센트릭 광학계를 채택하고 있습니다. 텔레센트릭 광학계를 사용하지 않는 현미경은 가까운 것은 크게, 먼 것은 작게 보이게 됩니다.

이 현상은 우리가 일상적으로 사용하는 카메라에서도 마찬가지입니다. 하지만 이 특성은 치수 측정에서 높이 방향이 다른 부위에 대해 멀리 있는 부위는 작게 측정하게 됩니다.

텔레센트릭 광학계에 의한 렌즈는 렌즈에 대한 거리, 광축 방향으로 초점을 맞추더라도 상은 흐려져도 크기는 변하지 않습니다. 현미경으로 관찰하면서 치수 측정을 하는 치수 측정 현미경에서 텔레센트릭 광학계는 필수적입니다.

2. 측정 현미경의 병렬화

측정 현미경은 측정물을 XY 스테이지 위에 올려놓고 측정합니다. 따라서 측정 위치는 XY 스테이지의 가동 범위 내라면 어디든 상관없습니다. 즉, 측정물이 XY 스테이지의 어느 곳에 있더라도 XY 스테이지를 측정 지점까지 이동하여 측정하면 됩니다.

측정하는 각도나 원경 중에는 XY 스테이지를 크게 움직여야 하는 경우도 있지만, 특별히 조정하지 않고는 측정물의 윤곽이 XY 스테이지의 움직임과 평행하게 배치되는 경우는 없습니다. 따라서 측정 전에 XY 스테이지의 움직임과 측정물의 기준 에지를 평행하게 하는 작업이 필요합니다.

또한, 측정물과 XY 스테이지를 평행하게 하지 않으면 각도나 평행도를 측정할 때 큰 오차가 발생하게 됩니다. 따라서 측정 결과를 보정하기 위한 계산이 필요합니다. 최근에는 XY 스테이지 위에 좌표계를 만들어 원점과 측정점의 좌표로 계산해 주는 측정 장치가 출시되고 있습니다. 이를 이용하면, 평행도 산출에 소요되는 공수를 줄일 수 있습니다.

3. 측정 현미경의 시야

현미경은 대상물을 크게 확대 관찰할 수 있는 것도 중요하지만, 한 번에 넓은 시야를 확보할 수 있는 것도 중요합니다. 현미경을 사용하여 한 번에 확인할 수 있는 범위를 시야라고 하며, 시야는 접안렌즈의 직경에 따라 결정됩니다.

시야의 크기를 시야수라고 하며, 시야 내에 측정물 표면의 어느 정도 범위가 보이는지를 나타내는 것이 실시야입니다. 실시야와 렌즈의 배율의 관계는 다음과 같습니다.

실시야 = 접안렌즈의 시야수 / 대물렌즈의 배율

위의 공식에서 알 수 있듯이 접안렌즈의 시야수가 같다면 대물렌즈의 배율이 커질수록 실시야의 범위는 좁아집니다. 이를 통해 대물렌즈의 배율을 높여 측정물을 확대해서 보는 것과 한 번에 볼 수 있는 범위는 서로 상충되는 관계임을 알 수 있습니다.

실제 시야를 크게 하려면 접안렌즈의 직경을 크게 하거나 대물렌즈의 배율을 낮춰야 합니다. 그러나 측정에 필요한 확대 배율이 있기 때문에 대물렌즈의 배율을 낮추는 데는 한계가 있습니다. 따라서 측정 현미경은 XY 스테이지와 이동량을 표시하는 카운터 등을 갖추고 시야에 들어오지 않는 부분을 측정하는 장치를 탑재하고 있습니다.

길이 측정 센서란?

길이 측정 센서는 측정 대상물에 투광기 측에서 레이저 등의 빛을 조사하여 치수를 측정하는 장치입니다.

측정 대상물이 레이저 등을 차단함으로써 발생하는 광량을 수광기 측에서 CCD 센서나 포토다이오드 등으로 포착합니다. 레이저 등의 빛을 렌즈를 이용하여 띠 모양으로 만들어 빛이 수광부까지 도달했는지 여부를 검출합니다. 그 빛이 닿지 않은 부분의 치수를 정확하게 측정함으로써 치수 측정이 가능합니다.

레이저 등의 빛을 이용하여 측정하는 시스템이기 때문에 비접촉으로 측정할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 상대적으로 외란에 취약하다는 단점도 있으므로 주의가 필요합니다.

길이 측정 센서의 사용 용도

길이 측정 센서는 강재의 외경, 시트형 필름의 두께 등을 측정할 때 사용되며, 0.1초 이하의 미세한 간격으로 연속적으로 스캔할 수 있기 때문에 제조 공장 현장 등에서 측정 대상물이 길게 연속된 것을 중간에 끊지 않고 계속 측정해야 하는 경우에 적합합니다.

또한, 길이 측정 센서를 직진시켜 사용하여 XY 방향의 치수를 측정하거나, 단면 형상이 큰 것은 길이 측정 센서를 2개 이상 사용하여 한쪽 단면을 하나씩 측정하여 대응할 수도 있습니다.

길이 측정 센서의 원리

길이 측정 센서는 레이저 광을 측정 대상물에 조사하여 레이저가 차단된 부분의 폭을 센서로 감지하여 대상물의 길이를 측정합니다. 레이저를 측정축에 대해 평행하게 조사하는 것이 중요합니다.

레이저가 가려진 부분을 에지(edge)로 하여 센서로 에지 양 끝의 폭을 감지하여 치수 측정이 가능합니다. 따라서 구성상 레이저 등을 조사하는 발광부와 조사된 레이저 등을 판독하는 수광부로 나뉘며, 측정한 값을 표시하는 표시부도 필요합니다.

또한, 레이저는 띠형 또는 직사각형과 같이 폭이 있는 형태로 되어 있습니다. 레이저를 판독하는 수광부는 한 단면으로 레이저가 수광되는 부분과 그렇지 않은 부분을 연속적으로 판독해야 하므로, 많은 길이 측정 센서에서는 CCD 라인 센서 등이 사용되고 있습니다.

에지를 읽고 치수를 측정하는 스캔 간격은 표시부의 처리 속도에 따라 다르지만, 보통의 제품에서는 0.1초 간격으로 스캔할 수 있기 때문에 측정 대상이 다소 흔들려도 정확하게 측정할 수 있습니다.

길이 측정 센서의 기타 정보

1. 길이 측정 센서의 수광부 CCD 방식과 광량 변화 방식의 차이점

길이 측정 센서의 수광부는 일반적으로 CCD 방식과 광량 변화 방식의 두 가지가 있으며, 그 방식은 큰 차이점이 있습니다.

• CCD 방식
  수광기에 투광된 평행한 띠 모양의 빛을 CCD 이미징 센서로 검출하는 방식입니다. CCD는 평행한 빛을 수광하는 만큼 수광기 쪽에 띠 모양으로 배치되어 있으며, 물체가 빛을 차단한 부분만 CCD에 그림자가 반사되어 그 부분부터 물체의 길이를 측정할 수 있습니다.
• 광량 변화 방식
  수광기 쪽에 렌즈가 있고, 그 렌즈로 집광된 빛을 포토다이오드 등의 수광소자로 검출하는 방식입니다. 대상물이 가려진 만큼 집광되는 광량은 감소하기 때문에 그 비율로 대상물의 길이를 검출합니다.

2. 길이 측정 센서의 오차 요인과 대책 사례

길이 측정 센서는 비접촉으로 측정이 가능하다는 장점이 있는 반면, 외란의 영향을 받기 때문에 주의가 필요합니다. 특히 생산 현장과 같이 진동이 발생하는 곳에서는 기기의 고유한 측정 정확도 이상의 오차를 발생시키는 요인이 됩니다.

센서와 공작물을 일체형 지그로 고정하는 사례 외에, 경우에 따라서는 로우패스 필터 등의 노이즈 필터를 사용하여 대책을 세워야 하며, CCD 수광기의 경우, 기종에 따라서는 쉐이딩 보정 기능이라는 내부 수광기의 선형성 교정 보정을 실시할 수 있습니다.

이 경우에는 실제 측정 전에 교정 보정을 실시하는 것이 중요합니다.

적외선 온도계란?

적외선 온도계는 물질에서 방출되는 적외선을 감지하여 온도를 측정하는 장치입니다.

모든 물질은 온도의 높낮이에 따라 적외선을 방출하기 때문에 적외선 양을 감지하여 온도를 측정하는 방식입니다. 물질 내부의 온도나 기체의 온도는 측정할 수 없지만, 물체를 건드리지 않고 순간적으로 온도를 측정할 수 있습니다.

측정 가능 범위(스팟 직경)와 측정 거리가 기기에 따라 정해져 있으며, 상황에 따라 선택해야 합니다.

적외선 온도계의 사용 용도

적외선 온도계는 고속으로 온도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 직접 접촉하지 않고 비접촉으로 온도를 측정할 수 있습니다. 따라서 이동, 회전하는 물체나 센서의 접촉에 따라 온도가 변하는 작은열량물체의 온도 측정에 적합합니다.

산업 공정 및 연구 분야 등에서 광범위하게 사용되고 있습니다. 다음과 같은 경우 복사 온도 센서를 활용하는 것이 효과적입니다.

• 대상물이 움직이는 경우
• 전자기장에 둘러싸여 있는 경우
• 대상물이 진공 또는 기타 조절된 공기 내에 있는 경우

적외선 온도계의 원리

인간을 포함한 모든 물질은 적외선을 방출합니다. 손바닥을 뺨에 가까이 대면 따뜻함을 느낄 수 있는데, 이는 뺨에서 발산되는 적외선을 손의 피부가 감지하고 있기 때문입니다. 일반적으로 물질의 온도가 높을수록 방출되는 적외선의 양이 많아집니다.

적외선 온도계는 먼저 물질에서 방출된 적외선을 써모파일이라는 감지 소자에 모읍니다. 써모파일은 흡수한 적외선을 통해 전기적 신호를 발산하는 감지소자입니다.

써모파일 내에는 여러 개의 열전대가 온접점이 중심부를 향하도록 직렬로 연결되어 있고, 그 온접점이 향하는 중심부에는 적외선 흡수막이 설치됩니다. 렌즈에 모아진 빛은 온접점 부분에만 닿기 때문에 바깥쪽에 있는 냉접점 측과 온도차가 발생합니다. 이로 인해 제벡 효과에 의해 전압차가 발생하여 온도 측정이 가능한 구조입니다.

적외선은 전자기 스펙트럼의 일부이며, 그 주파수는 가시광선과 전파의 중간 정도입니다. 이 주파수 범위에서 0.7미크론에서 20미크론의 주파수만이 실용적인 온도 측정에 사용됩니다.

적외선 온도계에 대한 기타 정보

1. 적외선 온도계의 정확도

적외선 온도계는 범용 제품으로 ±1℃ 이내의 높은 정확도를 가지고 있습니다. 그러나 실제 측정 시 기기의 측정 조건을 제대로 지키지 않으면 측정 오차가 발생할 수 있으므로 주의가 필요합니다. 측정 정확도를 결정하는 조건은 아래 세 가지입니다.

• 측정 포인트
  측정 대상과의 거리에 따라 측정 범위(또는 스폿 직경)가 달라집니다. 일반적으로 측정 거리가 멀어질수록 측정 범위가 커집니다. 방사온도 센서의 종류에 따라 측정 거리와 측정할 수 있는 범위가 달라지므로 이 두 가지 조건을 확인합니다.
• 온도 드리프트
  적외선 온도계의 환경 온도를 급격하게 변화시키면 온도 변화에 따라 측정값이 변할 수 있습니다. 따라서 환경 온도를 급격하게 변화시키지 않도록 유지해야 합니다.
• 측정하는 표면의 방사율
  적외선 온도계는 측정 대상 물체 표면에서 방출되는 적외선의 강도를 측정하여 온도를 측정합니다. 이때 측정 대상에서 방출되는 적외선의 강도는 측정 대상의 온도뿐만 아니라 방사율이라는 계수에 의해 결정됩니다. 따라서 온도 측정 시에는 방사율에 의한 보정이 필요합니다.

2. 적외선 온도계를 통한 체온 측정

최근 위생에 대한 인식 개선의 영향으로 체온을 적외선 온도계로 측정하는 경우가 증가하는 추세입니다. 일반적으로 외부 온도가 체온보다 낮은 환경에서 체온을 측정하면 외부 온도의 영향으로 체온이 낮게 표시될 수 있습니다.

반대로 히터 근처와 같이 외부 온도가 높은 경우 높은 온도 표시가 될 수 있으므로 주의가 필요합니다. 체온 측정 시에는 적외선 온도계의 사용설명서를 확인하여 올바른 외부 환경에서 측정합니다.

3. 서모그래피에 대하여

비접촉으로 온도를 측정하는 장치로 서모그래피가 있습니다. 서모그래피는 측정 대상 전체의 표면 온도를 색상으로 구분하여 시각적으로 쉽게 볼 수 있도록 한 장치입니다. 구체적인 사용 사례는 다음과 같습니다.

• 인체 표면 온도 분포
• 팔다리의 혈류에 따른 온도 분포
• 기계장치의 이상 온도부 검출
• 암시 카메라로 동물 행동 추적

열화상 카메라의 내부에는 적외선 온도계가 사용됩니다.

접촉식 센서란?

접촉식 센서는 피측정물과의 거리를 전용 검출기를 직접 접촉시켜 측정하는 계측기기입니다.

감지기를 접촉시켜 거리를 측정하기 때문에 비접촉식 센서에 비해 정확도가 높다는 장점이 있습니다. 하지만 피측정물에 감지기를 대고 측정해야 하기 때문에 약간의 손상을 입힐 수 있다는 단점이 있습니다.

또한 비접촉식 센서에 비해 가격이 저렴한 경우가 많습니다.

접촉식 센서의 사용 용도

접촉식 센서는 산업용으로 광범위하게 사용되고 있습니다. 다음은 접촉식 센서의 사용 용도의 일례입니다.

• 제품 및 시험품의 두께 등 변위 측정
• 반송 및 가공장치의 제품 검사 및 위치 확인
• 저수 탱크의 수위 관리
• 밸브 및 댐퍼의 개폐 피드백 신호 발신용

접촉식 센서라고 하면 접촉식 변위 센서가 대표적입니다. 접촉식 변위센서는 주로 제품 및 시험품의 두께 측정 등에 사용된다. 변위 외에도 액위 측정 등에 사용되는 경우도 있습니다.

비접촉식 센서는 대부분 레이저 등을 투사하여 반사광을 수광하는 방식으로 거리 측정을 합니다. 접촉식 센서는 반사광을 수광(受光)할 수 없는 큰 경사면 등의 측정도 가능하다는 장점이 있습니다. 이러한 장점을 살려 3차원 형상의 피측정물의 표면 형상을 측정할 수 있습니다.

또한, 피측정물을 올려놓고 그 이동을 제어하는 조동 스테이지의 변위를 실측하거나 스테이지를 한 방향으로 움직일 때의 흔들림 폭을 측정할 때에도 사용합니다. 오차의 측정 파악에서 조정에 대한 피드백 제어에도 사용할 수 있습니다.

접촉식 센서의 원리

접촉식 센서 중 대표적인 접촉식 변위 센서는 일반적으로 전용 프로브가 부착되어 있습니다. 프로브는 스핀들 구조로 되어 있으며, 기계적으로 상하로 늘어났다 줄어들었다가 다시 늘어나는 구조로 되어 있습니다. 프로브가 아무것도 접촉하지 않은 상태에서는 스프링의 힘으로 프로브가 최대로 늘어난 상태입니다.

프로브가 피측정물에 접촉하면 프로브가 수축하여 스프링의 힘으로 피측정물을 향해 일정한 압력이 가해집니다. 이때 프로브 샤프트의 변위를 감지하여 길이 정보로 변환합니다. 따라서 측정할 수 있는 범위는 이 프로브가 신축하는 범위 내에서만 측정할 수 있습니다.

프로브 안에는 코일이 감겨져 있는 경우가 많은데, 늘어났다 줄어드는 샤프트 부분이 철심 역할을 합니다. 이 샤프트가 움직이는 위치에 따라 코일 내 임피던스가 변화하고 출력이 달라집니다. 샤프트의 위치에 따라 임피던스가 정해져 있기 때문에 절대적인 위치를 감지할 수 있습니다.

접촉식 센서의 종류

접촉식 센서는 다양한 종류가 판매되고 있다. 다음은 접촉식 센서의 한 예입니다.

1. 차동변압기(LVDT) 식 변위센서

측정 대상에 접촉자를 밀착시켜서 발생하는 수직 방향의 변위량을 전기 신호로 변환하여 측정 대상물의 형상을 판독하는 센서입니다. 컨택터 상부에는 철심이 있으며, 이 철심은 컨택터의 상하 움직임에 따라 인근의 코일 임피던스가 변화하여 전기신호를 출력합니다.

구조상 측정값의 오차가 적은 것이 특징입니다. 한편, 코일의 자기장을 이용하기 때문에 코일 내 철심의 위치에 따라 자기장 특성이 안정적이지 않을 수 있습니다.

2. 스케일식 변위 센서

스케일식은 접촉자의 변위량을 디지털 방식으로 측정하는 센서입니다. 자기형과 광계수형이 있습니다.

• 자기형
  자기형은 S극과 N극이 번갈아 배열된 스케일의 상하 이동을 자기 검출 소자로 감지하여 변위량을 측정합니다. 반면, 광계수 방식은 다수의 슬릿을 뚫은 스케일에 빛을 투광하고, 슬릿을 통과하는 빛을 수광소자로 계수하여 변위량을 측정합니다.
• 광계수형
  광계수형은 디지털 방식으로 측정하기 때문에 노이즈가 없고, 정밀도가 높은 측정이 가능합니다. 단, 접촉자의 급격한 움직임에 따라 자기검출소자나 수광소자가 제대로 반응하지 못하는 경우가 있으며, 이 경우 측정값의 값이 날아가는 경우가 있습니다.

3. 리미트 스위치, 마이크로 스위치

리미트 스위치나 마이크로 스위치는 물체의 위치를 접점 신호로 출력하는 접촉식 센서입니다. 끝부분에 액추에이터라고 불리는 도그가 부착되어 있으며, 물체가 접촉하여 구동하여 내부 접점을 개폐합니다. 구조가 간단하고 견고하여 산업에서 널리 사용되는 부품입니다.

4. 플로트식 레벨 센서

플로트가 부착되어 있으며, 액위의 상하 움직임에 따라 플로트가 상하로 움직여 레벨을 출력하는 센서입니다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하기 때문에 저장 탱크의 수위 관리용으로 많이 사용됩니다. 단, 부표를 탱크에 띄워야 하기 때문에 교반하는 탱크 등에는 적합하지 않습니다.