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형상 분석 레이저 현미경이란?

형상분석 레이저 현미경(영어: 3D laser scanning confocal microscope)은 레이저 빛을 이용하여 물체의 표면 형상을 측정할 수 있는 현미경입니다.

비슷한 기능을 가진 것으로 캔틸레버와 같은 접촉식 프로브를 장착한 현미경도 있지만, 표면에 닿기 때문에 시료에 손상을 입히거나 파손될 우려가 있습니다. 반면 형상분석 레이저 현미경은 빛의 반사를 이용하기 때문에 비접촉식 검사가 가능합니다.

광학계는 일반적인 공초점 레이저 현미경과 동일하지만, 3차원 정보를 얻기 위해 고속의 MEMS 스캐너나 공진 스캐너를 채용하여 스캔 시간을 단축한 제품들이 많이 판매되고 있습니다.

형상분석 레이저 현미경의 사용 용도

형상분석 레이저 현미경은 다양한 제품의 검사 및 문제점 탐색 등에 활용됩니다. 특히 반도체 부품이나 인쇄기판은 부품 자체가 매우 작고 정밀한 표면 구조를 가지고 있기 때문에 비접촉, 비파괴 검사가 가능한 형상분석 레이저 현미경을 사용하는 경우가 많습니다.

문제가 없는 제품을 레퍼런스로 삼아 검사품의 이미지와 중첩시켜 문제 부위를 빠르게 발견할 수 있습니다. 또한 비접촉식이기 때문에 부드러운 시료에도 대응할 수 있고, 특별한 전처리 등이 필요하지 않아 식품 등의 검사에도 사용됩니다.

형상분석 레이저 현미경의 원리

형상 분석 레이저 현미경은 레이저를 조사하고 그 반사광을 검출하여 표면의 형상 정보를 얻습니다.

1. 2차원 형상

빛의 강도는 거리의 제곱에 따라 감쇠하므로 반사광의 강도를 모니터링하면 표면까지의 거리를 알 수 있습니다. 이때 비초점의 빛이 삽입되면 반사광의 증감이 평균화되어 감도가 떨어집니다.

이를 방지하기 위해 형상분석 레이저 현미경에서는 공역하는 초점면에 핀홀을 배치한 공초점 광학계를 채택하여 비초점면으로부터의 과도한 빛을 차단합니다. 이렇게 정확하게 얻어진 표면까지의 거리 정보를 레이저의 XY 방향 스캔을 통해 2차원 정보로 얻을 수 있습니다.

2. 3차원 형상

대물렌즈를 Z방향으로 스캔하면 입체적인 3차원 형상 분석을 할 수 있습니다. 평면 방향의 공간 해상도는 일반적인 광학 현미경과 마찬가지로 아베의 법칙에 따라 레이저의 파장에 따라 달라집니다.

따라서 시료에 문제가 없다면 파장이 짧은 405nm와 같은 근자외선 레이저를 사용하면 더 높은 해상도의 측정이 가능합니다.

형상분석 레이저 현미경의 기타 정보

1. 레이저 현미경 측정 절차

현미경에는 크게 광학 현미경, 전자 현미경, 주사형 프로브 현미경의 세 가지 종류가 있습니다. 레이저 현미경은 광학 현미경 중 하나입니다.

레이저 현미경의 레이저 조사에서 이미지 표시까지의 절차는 다음과 같은 6단계로 구성됩니다.

• 광원은 레이저를 이용한다.
• 대물렌즈를 통과한 레이저가 측정대상을 스캐닝 한다.
• 측정 대상의 반사광을 다시 한 번 대물렌즈에 넣는다.
• 하프 미러로 반사광의 경로를 검출기를 향해 변경한다.
• 결상 위치에 설치된 핀홀로 산란광을 제거한다.
• 검출기에 입사된 레이저를 증폭기 등을 이용한 화상처리를 통해 3차원 이미지로 표시된다.

2. 레이저 현미경에 의한 표면 거칠기

레이저 현미경에서 표면 거칠기는 부품 가공면의 요철 상태를 나타내는 지표입니다. 표면 거칠기는 높이와 깊이, 간격이 다른 산과 골짜기가 연속적으로 나타나는 주기적인 형상을 말합니다.

표면 거칠기에 따라 촉감과 질감이 달라지는데, 표면 거칠기가 큰 표면일수록 만졌을 때 거칠어지고 빛의 반사율도 감소합니다. 반대로 표면 거칠기가 작은 것은 표면이 매끄럽고 거울처럼 빛을 강하게 반사합니다.

현대에는 제품의 질감, 촉감 등이 중요시되고 있으며, 외관 품질 관리에서 거칠기는 중요한 지표가 됩니다. 표면 거칠기를 나타내는 지표로는 평균값을 이용한 산술적 평균 거칠기(Ra), 산과 골짜기의 합을 이용한 최대 높이(Rz) 등을 들 수 있습니다.

접촉식 변위센서란?

접촉식 변위센서는 센서 끝에 무언가가 닿은 상태에서 그 주변의 상태를 거리 등의 정보로 알 수 있는 센서입니다.

물리적으로 슬라이딩하는 범위의 거리를 측정할 수 있습니다. 비슷한 것으로 선반 가공 공장 등에서 흔히 볼 수 있는 다이얼 게이지를 들 수 있습니다. 이는 회전식 미터에 지침이 달린 듯한 모양의 측정 기구로, 다이얼 게이지가 미터의 바늘을 육안으로 읽어내는 방식입니다.

이에 반해 접촉식 변위 센서는 전기적 정보로 받아들일 수 있어 측정기나 FA 제어의 센서 등에 사용할 수 있는 부품입니다. 또 비슷한 성질을 가진 센서로 레이저나 초음파를 이용해 길이를 측정할 수 있는 측정소자 등이 있습니다. 길이 측정 센서는 측정값이 절대값인 반면, 접촉식 변위 센서는 측정 결과가 상대적인 거리라는 점에서 큰 차이가 있습니다.

접촉식 변위 센서의 사용 용도

접촉식 변위 센서는 표면의 왜곡이나 조도, 가공의 양호 여부 등의 판단 요소로 정보를 취합할 목적으로 사용됩니다. 비측정물의 유무나 형상을 μ미터 단위의 높은 정밀도로 측정하는 용도에 적합한 부품입니다.

1. 유무를 감지하는 용도

측정 대상이 접촉식 변위 센서에 접촉하면 접촉부의 거리가 자유 상태의 거리에서 변합니다. 따라서 이 변화를 포착하여 측정 대상이 기본 위치에 있는지 없는지 판단할 수 있는 자료를 얻을 수 있습니다.

2. 변화량을 감지하는 용도

예를 들어, 절삭으로 평평하게 가공한 표면의 면조도를 측정하는 경우 등은 측정 대상이 접촉식 변위 센서에 접촉하면 접촉부의 거리가 해방 상태의 거리에서 변화하여 일정한 값을 나타내는데, 이 값을 점으로 대체합니다. 그 상태에서 측정 대상을 수평으로 슬라이드시켜 가공면에 요철이 생기거나 왜곡이 생기면 접촉식 변위 센서의 접촉부가 흔들리게 되고, 그 흔들림의 값을 변화량으로 받아들여 면조도로 측정할 수 있게 됩니다.

위와 같이 어떤 임의의 기준점으로부터 “얼마나 변화했는가?” 를 μ미터 단위의 높은 정밀도로 측정할 수 있습니다.

3. 미분검출로서의 용도

예를 들어, 대상물이 비교적 두께가 불균일하고 긴 모양으로 흠집이나 단차 등을 검출하고 싶은 경우가 있습니다. 이때 대상물을 길이 방향으로 이동시키면서 대상물의 두께 등을 측정하는데, 대상물의 두께가 불균일하다면 측정 길이로 임계치를 두고 판별하는 방법은 사용할 수 없습니다.

그래서 미분검출을 통해 단차를 측정하는 방식이 채택됩니다. 접촉식 변위 센서는 상대적인 값으로 값을 얻을 수 있기 때문에 이러한 처리에 적합합니다.

접촉식 변위 센서의 원리

1. LVDT 방식

LVDT 방식은 센서 내부에 작동 변압기가 내장되어 있고, 접촉식 변위 센서의 접촉부의 물리적 변화를 작동 변압기의 코어에 연동시켜 변압기의 인덕턴스를 변동시키는 방식입니다. 접촉부의 변화를 전기 신호로 추출하는 것입니다.

접촉식 변위 센서의 접촉부는 작동 변압기의 코어에 연결되어 있으며, 코어가 움직이면 그 주변에 배치된 코일의 인덕턴스가 변화하는 구조로 되어 있습니다.

2. 스케일 방식

스케일 방식은 일명 펄스 카운팅 방식이라고도 합니다. 스케일 방식은 자기를 이용한 자기형 펄스 계수 방식과 빛을 이용한 광 펄스 계수 방식 두 가지로 구분할 수 있습니다.

자기식 펄스 계수 방식은 작업 현장의 먼지나 분진 등 환경에 영향을 받지 않고 계측할 수 있는 것이 장점입니다. 또한, 현장의 온도 등에도 영향을 받지 않고 작업할 수 있습니다.

접촉식 변위 센서의 기타 정보

접촉식 변위 센서의 장단점

1. LVDT 방식

• 장점: 측정값이 날아가지 않는다.
• 단점: 코일 내 철심 위치에 따라 자기장이 안정적이지 않을 수 있다.

2. 스케일 방식

• 장점: 작업 현장이나 환경에 영향을 받기 어렵다.
• 단점: 접촉자가 급격하게 움직일 경우 제대로 반응하지 못할 수 있다. (측정값이 날아갈 수 있다.)

형상 측정기란?

형상 측정기는 물체 표면의 형상을 정확하게 추적하여 윤곽 형상을 기록, 분석, 측정하는 장치입니다.

형상 측정기는 크게 스타일러스라는 촉침을 사용하는 접촉식 타입과 레이저 등으로 표면을 따라가는 비접촉식 타입으로 나뉩니다. 비접촉식 형상 측정기의 경우 측정 작업은 비교적 쉽게 할 수 있지만, 물체 표면의 재질이나 성질에 따라 크게 좌우되기도 합니다. 따라서 접촉식 형상 측정기가 주류입니다.

형상 측정기의 해상도가 높아 0.001mm 이하로 윤곽 형상을 추적할 수 있습니다. 그러나 스타일러스의 이동 범위를 벗어난 측정은 불가능하므로, 높이 방향이 큰 측정을 할 때는 충분한 검토가 필요합니다.

형상 측정기의 사용 용도

형상측정기는 금속을 중심으로 한 공업제품의 개발, 생산, 품질관리 등에 사용되고 있습니다. 형상 측정기에 의해 측정되는 항목은 측정 대상물의 치수, 각도, 단차, 나사 피치 등 윤곽 형상의 측정 및 분석에 관련된 것들 전반입니다.

형상 측정기 중 CNC 제어가 가능한 기종은 일련의 측정 동작을 프로그램화하여 생산 라인 측에서 자동 측정으로 사용되기도 합니다. 예를 들어, 페트병 뚜껑의 나사 모양과 같이 규격화된 것은 형상 측정기로 품질 관리를 하는 것이 일반적입니다. 또한 형상 자체에 특허를 취득한 제품 등은 그 윤곽 형상을 세밀하게 규정하고 있습니다.

형상 측정기의 원리

여기서는 형상 측정기의 주류를 이루고 있는 접촉식 형상 측정기의 원리에 대해 설명합니다. 접촉식 형상 측정기는 측정 대상의 윤곽 형상을 수평으로 이동하는 검출기와 검출기에 부착된 스타일러스의 상하 이동 변위를 통해 측정 대상의 윤곽 형상을 플롯합니다.

스타일러스를 움직이면서 디지털 스케일에 의해 0.001mm 정도의 피치로 수평 이동에 따른 X좌표와 스타일러스의 상하 위치의 Y좌표를 계속 플롯하여 윤곽 형상을 추적해 나갑니다.

대부분의 형상 측정기의 스타일러스 상하 이동은 피벗이라는 중심을 축으로 한 원호 운동입니다. 따라서 스타일러스가 수평 위치에서 상하로 움직일수록 원호로 인한 수평 방향의 오차가 발생하게 됩니다. 스타일러스 팁의 위치는 이 오차를 항상 보정하면서 검출해야 합니다.

또한, 스타일러스 팁이 측정 대상에 계속 접촉하기 때문에 스타일러스가 마모됩니다. 스타일러스가 마모되면 마모량에 따라 스타일러스 팁의 위치가 변화합니다. 주기적으로 스타일러스 팁의 형상을 확인하고 마모량에 따라 보정을 해야 합니다.

형상 측정기의 기타 정보

1. 형상 측정기와 윤곽 형상 측정기의 차이점

일반적으로 형상 측정기와 윤곽 형상 측정기는 같은 의미로 사용됩니다. 하지만 다음과 같은 경우 엄격하게 의미를 구분하여 명칭을 사용해야 합니다.

엄격하게 양자를 구분하는 경우, 윤곽 형상을 연속 측정이냐, 비연속 측정이냐에 따라 구분합니다. 즉, 윤곽 형상 측정기는 스타일러스가 계속 접촉하는 연속 측정이고, 형상 측정기는 연속 측정이 아닌 경우도 포함합니다. 예를 들어, 일정한 간격의 피치로 어느 정도 떨어진 거리의 변위를 측정하고 그 측정점을 연결하여 형상을 표현하는 경우입니다.

측정 피치 사이의 변위는 측정할 수 없기 때문에 피치를 짧게 하거나 측정점 좌표에서 근사식을 구해 보완하게 됩니다. 따라서 측정 피치의 세밀함에 따라 정확하게 형상을 측정할 수 있는 추적력, 최소 분해능 등의 정밀도가 달라집니다.

2. 핸디형 형상 측정기

고정형 형상 측정기로는 측정할 수 없을 정도로 거대한 물체를 측정하거나, 라인사이드에서 간단하게 측정할 때는 핸디형 형상 측정기를 사용합니다.

핸디형 형상 측정기로 거대한 물체를 측정할 경우, 전체 형상 측정은 불가능합니다. 치수 공차가 엄격하게 요구되는 부분이나 형상의 변화가 기능, 성능, 안전에 큰 영향을 미치는 부분 등 측정 부위를 한정하여 사용됩니다.

3. 표면조도 측정기를 형상 측정기로 사용하는 경우

표면조도 측정기의 측정 원리는 수평 방향의 X축과 스타일러스의 상하 이동인 Z축 방향의 변위를 조합하여 측정합니다. 이는 형상 측정기에서도 동일한 측정 원리이기 때문에 X축과 Z축의 측정 가능한 범위라면 표면조도 측정기를 형상 측정기로 사용할 수 있습니다.

단, 표면조도 평가는 형상 측정보다 높은 정밀도가 요구되므로 스타일러스 팁의 형상이나 검출기 역시 더 높은 정밀도의 분해능이 요구됩니다.

평탄도 측정기란?

평탄도 측정기는 주로 가공한 면의 평탄도를 평가하기 위한 계측기입니다.

평평해 보이는 가공면이라도 실제로는 미세한 요철이나 요철이 있는 것이 일반적입니다. 이 미세한 요철이나 요철이 공업 제품에서는 제품의 기능에 영향을 미치는 경우가 있습니다.

평탄도 측정기는 평탄도를 평가하여 제품의 기능을 보장하기 위해 필요한 측정기입니다. 평탄도를 측정하는 방법에는 크게 세 가지가 있습니다. 범용 측정기인 다이얼 게이지를 이용한 측정, 기준 원기를 이용한 측정, 레이저 광을 이용한 측정입니다.

평탄도 측정기의 사용 용도

평탄도 측정기는 주로 금속 공업제품의 평탄도, 평탄도 평가에 사용됩니다. 예를 들어, 기밀성이 요구되는 기계의 케이싱 부품이 여러 개의 부품으로 구성되는 경우, 반드시 부품끼리 결합하는 ‘맞물림면’이 있습니다.

결합면은 일정 수준의 평탄도가 확보되어야 기밀성을 확보할 수 있습니다. 이러한 결합면의 평탄도를 평가하기 위해 평탄도 측정기가 사용됩니다. 구체적으로 엔진이나 자동차의 변속기 등이 있습니다. 내부에 오일을 봉입하는 기계의 케이싱 부품의 맞물림면은 평탄도를 확보하는 것이 중요합니다.

또 다른 용도로는 광학용 특수 프리즘을 들 수 있습니다. 프리즘은 빛을 굴절시키거나 반사시키는 유리 기구로, 카메라 등에 사용됩니다. 광통신 유리 표면이 평평하지 않으면 빛의 굴절, 반사가 제대로 이루어지지 않기 때문에 평탄도 확인이 필요합니다.

평탄도 측정기의 원리

평탄도를 측정하는 방법으로는 크게 세 가지를 들 수 있습니다.

1. 다이얼 게이지를 이용한 측정

다이얼 게이지를 이용한 평탄도 측정은 비교적 다양한 부위의 측정에 적용하기 쉬운 방법입니다. 먼저, 다이얼 게이지는 평탄도를 측정하는 전용 측정기가 아니라 단차 등 한 방향의 거리를 직접 접촉하여 이동량을 측정하는 범용 측정기입니다.

다이얼 게이지와 평탄도를 측정하고자 하는 부품을 정반 등의 기준 평면에 놓고 여러 곳의 높이를 측정합니다. 비교적 쉽게 측정할 수 있지만, 기준인 정반의 평면을 확보하지 못하거나 측정 대상 제품이 기울어져 있으면 평가 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.

평가할 부위도 가능한 한 광범위하게, 그리고 평가하는 점수에 따라 결과가 달라질 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

2. 평탄도 기준원기를 통한 측정

평탄도 기준원기는 평탄도가 보장된 원기입니다. 측정하고자 하는 대상물과 평탄도 기준 원기를 접촉시키고, 접촉 부분에 빛을 조사하여 양자의 틈새로 새어 나오는 빛을 측정하여 평탄도를 평가하는 방법입니다.

3. 레이저광을 이용한 측정

평탄도 측정 장치로 판매되는 제품들은 대부분 레이저광을 이용한 제품이 대부분입니다. 이 장비들은 대상물에 레이저 광을 조사하여 반사를 측정하는 방식으로 평탄도를 측정합니다.

표면을 손상시키지 않고, 측정이 순식간에 끝난다는 장점이 있지만, 다른 두 가지 방법에 비해 고가의 측정 장비를 준비해야 한다는 단점이 있습니다.

평탄도 측정기 기타 정보

1. 평탄도에 대하여

평탄도가 좋은 접촉면을 확보하는 것은 제품의 기능, 예를 들어 기밀성이나 내마모성에서 매우 중요한 요소입니다. 경우에 따라서는 외관 품질에 영향을 미칠 수도 있습니다.

JIS에서는 평탄도를 ‘평면 형체의 기하학적으로 올바른 평면으로부터의 편차 크기’라고 정의하고 있습니다. 쉽게 말해, 면의 가장 볼록한 부분과 가장 오목한 부분을 이상적인 두 개의 평면으로 끼웠을 때의 거리를 말합니다. 또한, 평탄도는 반드시 평평한 면이어야만 지정할 수 있는 것은 아니며, 곡면에서도 지정할 수 있습니다.

원통이나 내경의 경우 동심도나 동축도도 지정해야 합니다. 용도와 목적에 따라 적절한 기하 공차를 선택해야 합니다.

2. 평면도 측정 시 주의 사항

평탄도를 측정할 때, 평가할 표면의 흠집, 이물질, 돌출부와 같은 특이점에 주의해야 합니다. 경우에 따라서는 제거해야 합니다.

만약 특이점을 제거할 수 없는 경우, 측정 지점을 약간 비틀어 변위를 구합니다. 특이점을 제거하지 않고 평탄도를 구하면 원래의 값보다 크게 악화되는 수치가 나오게 됩니다.

또한, 특이점을 제거하여 구한 값이라도 그것이 제품의 휨에 의한 영향인지 아닌지를 파악하는 것이 중요합니다.

산업용 현미경이란?

산업용 현미경은 반도체, 전자부품 및 액정 디스플레이 등을 제조할 때 공정 검사 및 분석 등에 사용되는 현미경입니다.

대부분의 산업용 현미경은 데이터 분석을 용이하게 하기 위해 디지털 카메라나 CCD의 영상을 컴퓨터에 저장할 수 있도록 되어 있습니다.

산업용 현미경의 사용 용도

산업용 현미경은 반도체, 전자부품 등 산업용 제품의 제조 공정 검사 및 분석 등에 사용되고 있습니다. 산업용 현미경은 빛을 조사하여 반사광으로 표면을 관찰하는 금속 현미경이 가장 일반적입니다.

금속 현미경은 세라믹의 조직이나 금속 및 합금, 부재의 연마면, 전자부품 등 불투명한 산업용품의 표면을 관찰하는 데 사용된다. 이 외에도 마그네틱 헤드, 액정, 필름 등의 제품 제조 시 개발, 분석, 검사 등에 사용됩니다.

또한, 기판의 납땜 접합면 관찰, 용접부의 용융 깊이 등 세밀한 관찰도 가능합니다. 또한, 금속 가공에서 주조, 열처리 및 야금 등의 공정 후 평가 분석에도 사용되고 있습니다.

산업용 현미경의 원리

산업용 현미경으로 가장 일반적인 금속 현미경은 시료를 위에서 관찰하는 정립 현미경과 아래에서 관찰하는 도립 현미경이 있습니다. 정립 현미경은 흔히 볼 수 있는 일반적인 현미경 유형으로,대물렌즈 아래에 시료가 있고 대물렌즈 위에서 관찰합니다. 도립 현미경은 대물렌즈 끝이 위쪽을 향하고 있어 시료를 아래에서 관찰합니다.

정립현미경과 도립 현미경 모두 광원은 대물렌즈 안쪽에 설치되어 있습니다. 이 광원에서 시료 표면에 빛을 조사하고, 시료 표면의 반사광으로 시료 표면 형상을 관찰하는 구조입니다. 대물렌즈와 접안렌즈 사이에 프리즘이나 렌즈를 끼워 대물렌즈 쪽에서 시료에 조사되어 반사된 빛은 확대하여 관찰합니다. 배율은 50배~1,000배 정도입니다.

산업용 현미경으로 사용되는 금속현미경에는 복합적인 기능을 가진 기종이 많으며, 반사조명에 의한 명시야법, 암시야법, 미분 간섭법이 가능한 기종이 풍부합니다. 반사조명 암시야법에서는 미세한 스크래치나 균열, 기공 등이 빛나서 보여 시료 표면의 관찰에 적합합니다. 반사 조명의 미분 간섭법에서는 명시야법에서 발견하기 어려운 미세한 요철을 검출할 수 있어 검사 공정에서 많이 사용되고 있습니다.

산업용 현미경의 종류

산업용 현미경에는 앞서 언급한 바와 같이 정립 현미경과 도립 현미경이 있습니다.

1. 정립 현미경

일반적으로 정립형 현미경은 조명 방식에 따라 투과와 반사를 선택할 수 있는 경우가 많고, 광학계 설계가 용이하다는 장점이 있습니다.

2. 도립 현미경

도립 현미경은 관찰하는 면을 아래쪽으로 놓기 때문에 광축에 대한 관찰면의 수평을 쉽게 잡을 수 있어 금속 분야 등에서 많이 활용되고 있습니다.

산업용 현미경의 기타 정보

1. 다양한 기능을 가진 산업용 현미경

산업용 현미경은 효율적인 관찰을 위해 금속 현미경으로서의 기능뿐만 아니라 다른 기능도 가지고 있는 것이 있습니다. 예를 들어, 일반 광학 현미경, 편광 현미경, 주사형 프로브 현미경 등의 기능도 가지고 있으며, 여러 가지 관찰 방법을 가진 기종도 있습니다.

또한, 산업용 현미경은 산업용품의 제조 공정 검사나 분석 등에 사용되기 때문에 CCD나 디지털 카메라의 영상을 PC에 저장할 수 있는 것이 일반적입니다. 이를 통해 데이터 분석이 용이해져 검사 및 분석의 효율성이 높아집니다.

또한, 현미경 기능뿐만 아니라 카메라, 3차원 측정 등 여러 기능을 복합적으로 갖춘 산업용 현미경도 있습니다.

2. 산업용 현미경과 측정 현미경의 차이점

산업용 현미경은 넓은 의미에서 제조업 등 산업계에서 사용되는 현미경의 총칭입니다. 따라서 광학 현미경뿐만 아니라 전자 현미경, 디지털 현미경 등도 산업용 현미경에 해당합니다. 하지만 산업용 현미경이라고 하면 광학식 금속 현미경만을 지칭하는 것이 일반적입니다.

금속 현미경은 측정 대상의 표면에 빛을 비추는 반사 조명을 사용하는 경우가 많으며, 주요 사용 목적은 표면 관찰입니다. 반면 측정 현미경은 반사 조명 수단 외에 투과 조명 수단도 가지고 있습니다. 또한, 측정 대상을 올려놓는 스테이지에는 디지털 스케일과 카운터가 표준으로 장착되어 있으며, 측정할 수 있는 메커니즘과 기능을 갖추고 있습니다.

즉, 산업용 현미경은 관찰이 주 용도이며, 측정 현미경과 같은 스테이지의 이동량이나 확대된 관찰상에 대한 배율 보장은 그다지 필요하지 않습니다.

치수 측정기란?

치수 측정기는 대상물의 치수를 측정하는 기구나 기계를 말합니다.

그 종류는 다양하며, 사람의 손으로 측정하는 캘리퍼스나 마이크로미터부터 최근에는 자동으로 치수를 측정할 수 있는 타입, 비접촉식이며 공구가 필요 없는 타입도 판매되고 있습니다.

기계에 의한 치수 측정은 사람이 측정하는 것보다 오차가 적고, 버니어 캘리퍼스나 마이크로미터로 측정할 수 없는 부분까지 측정할 수 있습니다.

치수 측정기의 사용 용도

치수 측정기는 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 버니어 캘리퍼스나 마이크로미터와 같은 사람이 직접 사용하는 측정기는 부품의 크기 측정 등에 적합합니다. 반면, 영상 치수 측정기나 투영형 치수 측정기로 대표되는 기계식 치수 측정기는 다양한 종류가 있으며, 사람 손으로 측정하는 데 시간이 오래 걸리거나 측정 자체가 어려운 제품의 치수 측정에 적합합니다.

예를 들어, 화상 치수 측정기는 단시간에 측정이 가능하기 때문에 치수 측정뿐만 아니라 제품 전수 검사에도 활용되고 있습니다. 해당 측정기에서는 샤프트에 가공된 홈의 길이, 폭, 위상 측정 등 정밀한 측정이 가능합니다.

구체적으로 크랭크샤프트의 저널 직경, 유리관의 외경, 시트의 사행, 웨이퍼의 외경 측정 등을 들 수 있습니다. 투영형 치수 측정기에서는 인장 시험 시 연신율, 연신율 등의 변동도 측정할 수 있습니다.

치수 측정기의 원리

치수를 측정하는 기계는 버니어 캘리퍼스를 비롯하여 여러 가지가 있으며, 그 원리도 다양합니다. 이 항목에서는 ‘화상 치수 측정기’와 ‘투영형 치수 측정기’에 대해 설명합니다.

1. 이미지 치수 측정기

화상 치수 측정기는 측정기의 이미지 센서와 피측정물의 거리를 고정한 상태에서 이미지를 촬영합니다. 그러면 1픽셀 안에 비치는 물체의 크기가 저절로 결정되기 때문에, 이미지 전체의 데이터를 통합하면 피측정물의 크기를 알 수 있는 구조입니다.

비접촉식 촬영이 가능하기 때문에 부드러운 물체나 큰 물체도 측정할 수 있습니다. 따라서 피라미드 등 대형 건축물의 치수 측정에도 사용되고 있습니다.

2. 투영형 치수 측정기

투영형 치수 측정기는 피측정물에 왜곡 없는 평행광을 비추어 실루엣을 스크린에 확대 투영하고, 투영된 상으로 치수를 측정합니다. 확대율이 일정하기 때문에 확대된 상의 치수를 측정하면 피측정물의 원래 치수를 알 수 있는 구조입니다.

비접촉으로 측정할 수 있다는 점과 작은 형상이나 복잡한 형상도 측정할 수 있다는 점이 장점입니다. 또한, 조명을 피측정물에 반사시켜 그 이미지로 측정하는 타입도 있습니다.

치수 측정기의 종류

치수 측정기에는 위에서 설명한 것 외에도 다양한 종류가 있습니다. 크게 ‘기계에 의한 치수 측정기’와 ‘사람이 손으로 측정하는 치수 측정기’ 두 가지로 나뉩니다.

1. 기계식 치수 측정기

기계적인 치수 검출기에는 ‘영상 치수 측정기’와 ‘투영형 치수 측정기’ 외에도 많은 종류가 있습니다. 여기서는 위 두 가지 외에 자주 사용되는 치수 검출기에 대해 설명합니다.

레이저 변위계
레이저 변위계는 삼각 측량을 응용한 치수 측정기입니다. 피측정물에 레이저를 조사하여 반사광을 검출하여 치수를 측정하며, 반사광을 검출하는 센서를 레이저 조사 방향에 대해 기울어진 상태로 배치한 것이 특징입니다.

피측정물의 반사면이 레이저 조사 방향에 수직으로 상하로 움직이면 센서의 수광면이 변위되어 기준면과의 차이로 두께 등을 측정할 수 있습니다. 레이저 변위계에는 위의 삼각측량을 응용한 방식 외에 멀티컬러 공초점 방식과 공초점 방식도 있습니다.

레이저 투과형 외경 측정기
레이저 투과형 외경 측정기는 레이저가 피측정물을 스캔하여 투영한 상에서 치수를 측정하는 장치입니다. 피측정물에 의해 레이저 빛이 차단된 부분과 차단되지 않은 부분을 비교하여 외경 등을 측정합니다. 레이저광을 조사하는 방식으로는 다면거울이 회전하여 레이저광을 반사하여 평행한 레이저광으로 하는 방식이 주류입니다.

2. 인력에 의한 치수 측정기

인위적으로 측정하는 치수 측정기는 금속 가공 분야에서 많이 사용되고 있습니다.

캘리퍼스
금속 가공에서 가장 손쉽게 사용할 수 있는 것이 버니어 캘리퍼스입니다. 고정된 기준면과 움직이는 측정면 두 개의 발톱으로 피측정물을 끼워 0.05mm 단위로 측정합니다.

마이크로미터
마이크로미터는 캘리퍼스와 마찬가지로 다이얼 게이지로 피측정물을 끼워 측정합니다. 그러나 마이크로미터는 0.01mm 단위의 측정이 가능하여 캘리퍼스보다 더 정밀한 측정이 가능합니다.

가동부가 없는 치수 측정기
가동부가 없는 치수 측정기에는 핀 게이지, 리미트 플러그 게이지, 블록 게이지 및 틈새 게이지 등이 있습니다. 이들은 정해진 크기에 따라 매우 정밀하게 가공되어 있으며, 가동부가 없습니다.

예를 들어, 핀 게이지의 경우 핀의 직경이 매우 정밀하게 가공되어 있기 때문에 해당 구멍에 핀을 삽입할 수 있다면 가공 정밀도가 유지되고 있는 것으로 판단됩니다.

치수 검사기란?

치수검사기는 LED 기판, CMOS 센서 기판, 세라믹 기판 등 주로 소형 전자부품의 치수를 검사하는 고기능의 외관 검사 장비입니다.

외관 검사 장비 중 하나인 치수 검사는 부품이나 제품이 규격에 맞게 완성되었는지 합격 여부를 판단하는 검사 장비입니다. 마이크로미터 단위의 정밀한 치수 측정이 가능하며, 완제품의 합격/불합격 검사에 장비를 사용함으로써 전수 검사가 가능해졌습니다.

또한, 반송장치와 화상처리를 연동하여 자동 치수 검사 라인을 구축할 수 있습니다. 화상처리에는 고성능 카메라가 탑재되어 있어 중간품에서도 상태 확인을 위해 사용되거나 가공 시 위치 결정에 활용되기도 합니다. 또한, 전자 부품뿐만 아니라 금속 부품의 치수 측정도 가능합니다.

치수 검사의 사용 용도

치수 검사 장치는 미크론 단위의 정밀도가 요구되는 전자 부품에 많이 사용되고 있습니다. 구체적으로 전극 시트의 간헐적 도장, 스트라이프 도장 등 도장부의 가장자리 폭, 정렬 여부, 레지스터 길이 등의 치수 측정이 가능합니다. 또한, 결함이나 미도장 부위를 검출할 때에도 사용됩니다.

이외에도 외벽의 보드, 타일 등의 치수 검사, 목재나 압출 공정 후의 표면 검사 등도 치수 검사 장비의 사용 용도이며, 3D 치수 검사가 가능한 기종에서는 광물이나 식품 등의 부피 확인도 가능합니다.

또한 사람의 눈으로는 측정이 불가능한 부분의 측정도 가능합니다. 예를 들어, O링의 내경이나 외경, 금속 부품의 끝부분의 R형상이나 각도 측정 등 영상처리를 통해 측정하기 어려운 부위의 치수 측정이 가능해집니다.

치수 검사 장치의 원리

치수 검사 장비는 고성능 CCD나 CMOS 카메라를 사용하여 검사합니다. 레이저 광을 스캔하여 높이 정보를 얻어 3D의 XYZ축 치수를 측정할 수 있는 기종도 있습니다.

제조 라인에서는 화상 처리를 통한 치수 측정 결과, 규격 외로 판별된 불량품이 제거되고, 양호한 제품만 자동으로 다음 공정으로 넘어가게 됩니다.

치수 검사 장치의 작업 절차는 먼저 조명을 대상물에 비추고, 렌즈를 통해 카메라로 이미지를 촬영합니다. 그 이미지를 영상처리장치로 인식하여 측정합니다.

1. 카메라 선정

측정 대상의 검사가 필요로 하는 치수 공차에 맞게 화소수를 선정합니다.

2. 조명

정반사형, 확산반사형, 투과형이 있으며, 측정 대상의 표면 상태에 따라 선택합니다.

3. 이미지 처리 (에지 검출)

엣지(Edge)는 이미지 처리에서 색의 농담이 잘 드러나는 부분입니다. 제품의 높이, 재질, 색상, 질감의 차이 등이 엣지로 나타납니다. 치수 검사 장치에서는 엣지로 나타난 부분의 길이와 각도, 엣지로부터의 중심 위치 등을 측정할 수 있습니다. 모서리와 모서리 사이의 거리를 측정하기 때문에 측정 정확도는 모서리가 명확하게 나타나는지 여부에 따라 결정됩니다.

치수 검사 장비의 기타 정보

1. 외관 검사 장치

외관 검사 장치는 제품의 외관을 자동으로 검사할 수 있는 장치입니다. 외관 검사 장치는 육안 확인에 해당하는 것이 카메라 등의 이미지 센서이고, 두뇌를 대신하는 것이 화상 처리 장치나 소프트웨어입니다. 판단기준에 기재되는 수치는 과거 데이터를 참고하기 때문에 기준치 작성은 용이합니다.

그러나 외관 검사 장비는 도입 후 바로 가동할 수 있는 것은 아닙니다. 검사기에는 준비가 필요하고, 사전 조정과 확인에 시간이 걸리기 때문입니다. 영상 등의 센서나 광원 위치, 이물질을 검출하는 판정값 설정이 어려워 영상 소프트웨어가 본래 검출하고자 하는 이물질을 검출하지 못하는 경우도 있습니다.

이러한 문제는 하드웨어의 위치 설정을 반복적으로 변경하여 적절한 위치를 찾아내면 해결됩니다. 소프트웨어 설정에서 예상치 못한 불합격이 처음 검출되더라도 그 데이터를 학습하여 다음 적정 판정값 등 판정 데이터를 업데이트하기 때문에 이후 동일한 불합격이 발생하지 않습니다.

2. 이미지 치수 검사

이미지 치수 검사는 이미지를 통해 대상물의 높이, 깊이 등을 즉각적으로 측정할 수 있는 방법입니다. 이미지 센서의 치수 측정은 대상물의 평면화에서 가장자리를 검출하여 그 위치, 폭, 각도를 측정합니다. 또한, 에지 검출 원리를 익히면 최적의 검출을 설정할 수 있습니다.

에지는 영상에서 명암의 경계를 의미하며, 에지 검출은 이 명암의 경계를 영상처리로 검출하는 것을 말합니다. 에지는 다음과 같은 과정을 통해 처리됩니다.

① 투영 ② 미분 ③ 미분의 최대값이 100%가 되도록 보정 ④ 서브 픽셀 처리(미분 파형의 최대 부분을 중심으로 대략 3개의 픽셀에 대해 그 픽셀로 형성된 파형에서 보간 연산을 통해 엣지 위치를 100분의 1 픽셀 단위까지 측정하는 과정)의 4단계로 이루어집니다.

화상 처리의 장점은 촬영한 데이터를 바탕으로 부품 각 부분의 치수를 자동으로 측정하고, 그 수치를 데이터로 저장할 수 있다는 점입니다. 또한, 영상처리를 통한 치수 검사를 통해 각 부분의 측정된 치수를 수치로 저장하여 데이터를 활용함으로써 치수 정보 관리, 형상 분석, 공정 개선에도 활용할 수 있습니다.

안전장치란?

안전장치는 자동화 장비의 안전 대책에 기여하는 장비의 총칭입니다.

가동 범위가 크거나 큰 힘이나 회전부가 있는 공작기계나 제조 장비가 가동 중일 때 사람이 접근하면 끼이는 등의 사고로 이어질 수 있습니다. 따라서 장비 주변을 안전펜스로 둘러싸는 등의 대책이 필요합니다.

하지만 펜스로 덮는 것만으로는 작업자의 부주의로 인해 펜스를 열고 가동 중인 장비에 접근하는 위험도 있습니다. 이러한 위험을 없애기 위해 많은 공작기계나 제조 장비는 안전펜스가 열리면 장비가 정지하는 안전장치를 내장하고 있습니다.

안전장치의 사용 용도

안전장치는 제조 장비 등 안전 조치를 소홀히 할 경우 사고가 발생할 위험이 높은 장비에 내장되어 있는 경우가 많습니다. 예를 들어, 대량 생산 라인에서는 대형 로봇 등 많은 기계가 고속으로 작동하고 있습니다. 이러한 기계들은 제어 프로그램에 의해 제어되지만 사람을 감지할 수 없기 때문에 기계에 접근한 작업자에게 접촉하여 부상을 입힐 수 있는 위험이 있습니다.

이러한 위험을 낮추기 위해 기계 주변의 안전펜스에 도어 스위치를 설치하거나 라이트 커튼과 같은 센서 감지형 안전장치를 부착하는 경우가 대부분입니다. 제조 장비 및 공작 기계에 사용되는 안전 장치를 ‘인터록’이라고도 합니다. 인터록 메커니즘은 장비의 문이나 덮개를 열면 장비가 정지하도록 구성되어 있습니다.

안전장치의 원리

안전장치 중 대표적인 도어 스위치의 원리는 다음과 같습니다.

도어 스위치는 개폐하는 도어의 양쪽에 스위치가 설치되어 있으며, 도어가 열린 상태에서는 전기 회로가 차단되어 있다가 도어가 닫히면 접점이 닫히도록 설계되어 있습니다. 도어 스위치는 두 가지 종류가 있는데, 양단의 단자가 기계적으로 연결되어 접점이 닫히는 기계식 도어 스위치와 리드 스위치의 접점 개폐에 전용 액추에이터에 내장된 자석의 자력이 사용되는 비접촉식 도어 스위치가 있습니다.

자력을 사용하는 경우 도어 자체의 접촉이 불필요하기 때문에 기계적 접촉에 비해 다양한 용도에 대응하기 쉽다는 장점이 있습니다. 도어 스위치와 같이 회로를 차단하는 타입의 안전장치에 비해 커버나 뚜껑 등 아날로그적으로 장치와 사람을 차단하는 안전장치도 있습니다. 즉, 장치의 가동부에 손이나 머리 등이 들어가지 못하도록 물리적으로 막는 방식입니다.

현장에서는 이러한 안전장치를 도입하는 것뿐만 아니라 비상정지 버튼도 함께 준비하여 비상시 모든 동작을 즉시 정지할 수 있도록 하는 것도 중요하다고 할 수 있습니다. 또한, 안전장치는 장비의 주 제어장치와 독립적인 것이 바람직합니다. 안전장치가 장비의 주 제어시스템의 지배하에 있다면, 주 제어시스템에 문제가 발생했을 때 장비를 안전하게 정지시킬 수 없게 됩니다.

안전장치의 종류

대표적인 안전 장치는 다음과 같습니다.

1. 안전 스위치

기계의 동작을 제어하기 위한 스위치입니다. 작업자가 비상시에 기계를 정지할 수 있도록 합니다. 일반적인 예로는 비상 정지 스위치와 풋 스위치를 들 수 있습니다.

2. 안전 센서

안전 센서는 기계 주변이나 작업 영역에서 사람이나 물체의 접근을 감시하거나 문이나 커버의 개폐를 감지하는 센서입니다. 광전 센서, 근접 센서 등이 일반적인 안전 센서의 예시 입니다.

3. 안전 속도 제어 장치

안전 속도 제어 장치는 기계의 작동 속도를 제어하는 장치입니다. 작업 상황에 따라 기계의 속도를 제한하여 위험한 상황이나 사고의 위험을 줄입니다.

변위 센서란?

변위 센서는 피측정물 자체의 두께나 높이 등을 측정하는 센싱 기기입니다.

프로브를 접촉하여 측정하는 접촉식 센서와 레이저를 이용한 비접촉식 센서 등이 판매되고 있습니다.

변위 센서의 사용 용도

변위 센서는 산업 분야에서 폭넓게 사용되고 있습니다. 특히 가공장치나 이송장치 등에서는 가공물의 위치나 형상을 감지해야 하기 때문에 변위센서를 이용하여 거리를 측정합니다.

또한, 제품의 외관 검사 등 피측정물의 두께 정보가 필요한 경우에도 유용합니다. 두께는 버니어 캘리퍼스로도 측정이 가능하지만, 복잡한 형상의 제품이나 만졌을 때 결함이 있는 제품은 비접촉식 변위 센서를 사용합니다.

변위 센서의 원리

어떤 피측정물과의 거리를 측정하는 경우, 확산반사 방식 또는 정반사 방식의 레이저 변위계가 사용됩니다. 두 방식 모두 레이저 광원의 빛을 피측정물 표면에서 반사시켜 그 반사광을 수광부에서 감지하여 거리를 판단합니다.

수광부는 일정한 영역폭을 가지고 있으며, 반사광의 각도에 따라 수광부가 달라집니다. 수광부가 변화하면 그에 따른 전류가 감지되고, 그 정보를 바탕으로 거리 값으로 환산합니다.

구조상 피측정물 표면이 예각인 경우에는 반사광이 수광부로 돌아오지 않기 때문에 검출할 수 없습니다. 이 허용 기울기는 변위계의 설계에 따라 달라지는데, 일반적으로 확산반사 방식의 변위 센서가 감지 각도가 더 넓습니다.

변위 센서의 종류

변위센서는 용도에 따라 다양한 제품이 판매되고 있습니다. 다음은 변위 센서의 종류 중 일부입니다.

1. 차동 변압기식 변위 센서

전자기에 의한 직선 변위 검출 중 가장 대표적인 센서로, 1차 코일과 2개의 2차 코일, 그 사이에 있는 철심으로 구성되며, 1차 코일은 여자(勵磁)용, 2차 코일은 검출용으로 작동하고 철심은 움직입니다.

1차 코일에 고주파 교류를 흘리면 전자기 유도의 작용으로 2차 코일에 전압이 유도되어 철심이 움직입니다. 철심이 움직이면서 차동 출력이 0인 상태에서 전압차가 발생하여 변위를 측정할 수 있는 구조입니다.

차동 변압기식 변위 센서는 구조상 측정값의 오차가 적은 것이 특징입니다. 반면, 코일의 자기장을 이용하기 때문에 코일 내 철심의 위치에 따라 자기장 특성이 안정적이지 않을 수 있습니다.

2. 리니어 스케일

리니어 스케일은 리니어 엔코더라고도 하며, 직선상의 위치나 거리를 고정밀도로 측정하기 위한 센서입니다. 인덕션과 마그네틱 스케일의 두 가지 종류가 있습니다.

인덕션 스케일은 고정된 빗살 모양의 코일 스케일과 움직일 수 있는 빗살 모양의 코일 슬라이더로 구성됩니다. 코일에 교류 전류를 흘리면 슬라이더의 코일에 전압이 유도되고, 그 위상 변화로 변위를 측정합니다.

마그네틱 스케일은 자기 테이프 등을 자기 기록 매체로 한 스케일과 검출 센서로 구성됩니다. 검출 센서가 이동함으로써 위치를 감지하여 변위를 측정합니다.

3. 싱크로

싱크로는 송신기와 수신기의 두 개의 회전축으로 구성된 회전각 변위 검출용 센서입니다. 송신기 측 축에 감긴 1차 코일에 교류 전류를 흘리면 전자기 유도 작용에 의해 수신기 측 2차 코일에 전압이 유도됩니다.

이때 송신기 측 축과 동일한 각도만큼 수신기 측 축이 회전하는 것을 이용하여 회전각 변위를 측정합니다.

4. 리졸버

리졸버는 전자기 유도 작용에 의해 회전각을 검출하는 센서입니다. 여기용 코일과 감지용 두 개의 코일, 철심으로 구성됩니다. 이들 코일은 모두 직결되어 있습니다.

여기용 코일에 교류 전압을 가하면 검출용 코일에 전압이 유도됩니다. 회전 각도에 따라 출력되는 전압이 달라지기 때문에 이 출력 신호에서 회전각 변위를 측정합니다.

변위 센서 선택 방법

변위 센서를 선택할 때는 먼저 용도가 거리 검출인지 형상 정보 검출인지 확인해야 한합니다. 거리 검출이라면 측정 범위에 맞는 제품 중 피측정물의 표면 각도 이상의 측정이 가능한 제품을 선택합니다. 두께 측정의 경우 검출 범위를 확인합니다.

이후 필요한 측정 정밀도를 확인하고, 분해능과 검출 정밀도 및 선형성 스펙을 선정합니다. 모두 측정 정밀도에 영향을 미치는 요소이며, 일반적으로 정밀도가 높을수록 가격이 높습니다.

또한, 측정 정밀도와 동시에 설치 공간도 확인한다. 설치 공간이 작다면 소형 센서를 선택하는 것이 좋습니다.

서보모터란?

서보모터는 인코더를 내장하면서 변위를 자유롭게 결정할 수 있는 모터의 총칭입니다. 서보는 Servant(노예)가 어원이며, 지정된 대로 동작하는 것을 의미합니다. 로봇이나 가공기에 많이 사용됩니다.

서보 모터의 사용 용도

서보모터는 가정용으로는 거의 볼 수 없지만, 산업용으로는 광범위하게 사용되고 있습니다.

일례로 자동차 공장의 조립 로봇 등이 있습니다. 서보 모터를 사용하면 수많은 부품을 빠르고 정확하게 조립할 수 있습니다.

자동차 공장에서는 도장이나 용접 작업에도 서보 모터를 이용한 로봇이 사용됩니다. 프로그램에 따라 정확하고 빠르게 동일한 동작을 재현할 수 있습니다.

또한, 반도체 제조장치나 의료기기 등 정밀 산업용 기기에는 높은 재현성과 정확성이 요구됩니다. 크고 작은 많은 서보모터가 생산 설비에 사용되고 있습니다.

서보 모터의 원리

현재 널리 보급된 소형 AC 서보모터는 영구자석형 동기모터가 사용됩니다. 동기 모터는 회전자, 고정자, 베어링, 케이싱 등으로 구성됩니다.

영구자석형 동기 모터의 회전자에는 영구자석이 부착되어 있고, 고정자 권선이 외주를 원형으로 둘러싸고 있습니다. 고정자 권선에는 외부에서 연결된 배선이 교류 전류를 흐르게 합니다.

전류가 흐르는 고정자 권선은 전자석이 됩니다. 교류가 주파수에 따라 위상이 변하기 때문에 전자석도 시간이 지남에 따라 극성이 변합니다.

반면 회전자는 영구자석의 극성이 고정되어 있기 때문에 고정자의 위상 변화에 따라 회전합니다. 이것이 서보 모터의 회전 동작 원리입니다.

서보모터는 대부분 소형 소용량 제품이 많습니다. 그러나 대용량 서보 모터에는 유도 모터가 사용되는 경우도 있습니다.

서보 모터의 가장 큰 특징은 인코더가 함께 제공된다는 것입니다. 인코더를 통해 모터 변위를 제어 장비에 피드백할 수 있습니다.

서보 모터의 전원은 전용 제어 장비를 사용합니다. 제어기기에 의해 인코더의 신호를 읽고, 회전수나 속도 등을 제어할 수 있는 기기입니다.

서보모터 전용 제어기기는 서보 드라이버 또는 서보 앰프라고 불리며, 모터 제조사 등에서 판매되고 있습니다.

서보 모터의 기타 정보

1. 서보 모터와 스테퍼 모터의 차이점

스테퍼 모터는 1펄스당 회전하는 횟수가 정해져 있기 때문에 펄스 신호로 회전의 각도와 속도를 쉽고 정확하게 제어할 수 있습니다. 구조도 간단하고 비용도 저렴하지만, 급격한 부하에서는 동기화가 어긋나거나 고회전에서는 토크가 작아지고 소리가 커집니다.

반면 서보모터는 센서로 회전을 감지해 피드백 신호를 드라이버에 보냅니다. 제어 신호와 피드백 신호를 비교하여 차이가 없어지도록 출력을 조정하기 때문에 세밀한 제어가 가능합니다.

스테퍼 모터보다 부드럽게 회전하며 고토크, 고회전, 급격한 부하에서도 안정적입니다. 반면, 모터와 드라이버가 복잡하고 고비용이며, 피드백 신호와 비교하여 제어하기 때문에 출력 변화에 대한 지연이 발생합니다. 서보 모터는 자주 시동과 정지를 반복하거나 초저속, 후진 등 세밀한 제어가 필요한 경우에 사용됩니다.

2. 서보 모터의 토크

서보 모터의 토크는 정격 토크와 순간 최대 토크로 나뉩니다. 정격 토크는 모터의 정격 출력, 정격 회전 속도 상태에서 출력되는 토크를 말합니다. 정상 작동 시에는 이 토크 이하로 사용합니다.

순간 최대 토크는 단시간에 출력할 수 있는 최대 토크이며, 가속과 감속에 걸리는 시간을 단축할 수 있습니다. 정격 토크의 3~5배 정도의 토크를 발생시킬 수 있지만, 순간 최대 토크로 모터를 계속 사용하면 모터의 수명이 짧아집니다.

정상 운전 시에는 정격 토크 이하로 사용해야 모터의 수명이 길어집니다. 서보 모터를 선택할 때 기계의 부하 토크, 관성 모멘트, 기계의 제어 패턴 등을 고려하여 필요한 모터의 속도와 토크를 찾아야 합니다.

3. 서보 모터 사용 방법

서보 모터는 프로그래머블 컨트롤러, 서보 앰프, 서보 드라이버를 연결하여 사용합니다.

로봇이나 컨트롤러 등 전자공작에 사용되는 서보모터는 마이크로컴퓨터 보드와 배터리로 작동합니다. 서보모터용 라이브러리가 제공되는 것도 있어 코드만 작성하면 쉽게 움직일 수 있습니다.