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스크류 체결기란?

스크류 체결기는 공장의 조립 공정 등에서 나사 조임 작업의 일부 또는 전부를 자동화하는 장치입니다.

위치 및 토크의 제어를 자동화하여 수동으로 하는 것보다 빠르고 정확하게 나사를 조일 수 있다. 스크류 체결기의 종류는 크게 다음 세 가지가 있습니다.

• 핸디형
  손에 들고 나사를 조입니다.
• 자동 나사 조임 타입
  나사 조임기가 축의 이동으로 위치를 조정하여 나사 조임 작업을 수행합니다.
• 로봇 타입
  로봇 팔을 이용하여 이동하면서 나사를 조이는 작업을 합니다.

스크류 체결기의 사용 용도

스크류 체결기는 공장의 조립 공정에서 자동화와 품질 보증, 작업 효율화를 목적으로 활용됩니다. 가전제품의 자동 조립 공정에서의 나사 조임 작업이나 공장의 설비기기 설치 작업 등이 대표적인 사용 용도입니다.

공정을 어느 정도 자동화할 것인지, 나사 조임 작업의 복잡성 등을 고려하여 적합한 스크류 체결기를 선택해야 합니다. 아래에서는 사용 용도별로 적합한 나사 조임기를 설명합니다.

• 간단한 수동 나사 조임 작업의 경우
  손에 들고 사용하는 핸디 타입을 사용합니다.
• 조작을 자동화하여 간단한 나사 조임을 할 경우
  조정 기능이 있는 자동 나사 조임 타입을 사용합니다.
• 로봇의 동작을 도입하여 복잡한 나사를 조이는 경우
  자동화로 효율이 높아지는 로봇 타입을 사용합니다.

스크류 체결기의 원리

스크류 체결기는 제어장치와 토크를 발생시키는 모터를 사용하고 나사 구멍에 끼워 넣는 공구인 비트를 사용하여 구성됩니다.

자동 나사 조임 타입은 비트 등이 축을 이동하기 위한 설비가 추가되며, 로봇 타입은 로봇 암이 추가로 필요합니다. 대부분의 나사 조임기는 토크 측정기가 일체형 장치로 되어 있으며, 자동 나사 조임 타입이나 로봇 타입은 나사 공급기가 일체형으로 되어 있는 경우가 많습니다.

1. 핸디형

나사 구멍에 비트를 대고 작동 버튼을 누르면 모터의 회전에 의해 나사를 조이는 방식입니다. 토크 측정기가 부착된 타입은 나사 조임이 완료되면 나사 조임 동작이 자동으로 정지하여 나사와 나사 조임 대상에 불필요한 부하를 줄일 수 있습니다.

2. 자동 나사 조임 타입

나사를 조이는 동작은 핸디형과 동일하지만, 비트 부분이 축을 통해 나사 조임 대상까지 이동하여 나사를 조이는 방식입니다. 이동의 자유도는 축의 수에 따라 달라지며, 축이 회전할 수 있다면 비스듬한 방향에서 나사를 조이는 것도 가능합니다.

3. 로봇 타입

나사를 조이는 동작은 핸디형이나 자동조임형과 동일합니다. 나사를 조이는 부분으로 비트를 이동할 때 로봇 팔을 사용합니다. 또한 나사 조임 대상을 들어 올려 나사 조임부를 비트가 있는 방향으로 움직여 자동 나사 조임 타입에서는 불가능한 면의 나사 조임에도 대응하고 있습니다. 이동의 자유도는 로봇 팔을 사용함으로써 복잡한 나사 조임이나 단시간에 많은 나사를 조일 수 있습니다.

스크류 체결기의 기타 정보

스크류 체결기의 장점과 특징

1. 핸디형
핸디형의 장점은 나사를 조일 때 작업 효율과 품질을 향상시킬 수 있으며, 나사를 조일 때 조임 토크를 균일하게 유지할 수 있어 조임으로 인한 풀림이나 파손을 방지할 수 있습니다. 나사가 자동으로 스크류드라이버 끝에 공급되어 한 손만으로 지정된 토크로 조일 수 있으며, 1분에 수십 개의 나사를 조일 수 있습니다.

2. 자동 나사 조임 유형
자동 나사 조임 타입의 장점은 수작업으로 어려운 극소형 나사를 정확하게 조일 수 있어 더 많은 종류의 나사를 효율적으로 조일 수 있으며, 탁상형 타입으로 사용 편의성과 성능이 뛰어나다는 점입니다. 특징으로는 조임 부분이 축을 통해 이동하기 때문에 조정이 용이하여 손쉽게 나사를 조일 수 있는 것이 특징입니다.

3. 로봇 타입
로봇 타입의 장점은 토크량, 회전량, 나사 진행량을 제어할 수 있어 나사 조임의 품질 불량을 줄일 수 있으며, 자동으로 동일한 동작을 반복하기 때문에 나사 조임 누락 방지에도 효과적입니다. 나사의 종류와 크기를 선택할 수 있고, 조립하는 공작물에 맞게 나사 조임 조건을 설정할 수 있으며, 속도에 편차가 없어 생산성이 높아져 하루 조립 가능 수량이 증가합니다.

고압 변압기란?

고압 변압기는 고압을 1차 전압으로 입력받아 강압 또는 승압한 2차 전압을 출력하는 변압기입니다.

변압기는 변압기라고도 하며, 입력된 전류의 전압을 다른 전압으로 변환하여 출력하는 장치를 말합니다. 입력된 전압보다 낮은 전압으로 변환하는 것을 강압, 반대로 높은 전압으로 변환하는 것을 승압이라고 합니다. 전원 전압에는 저압, 고압, 특고압이라는 규격이 있으며, 교류 전압 600V에서 7kV까지가 고압입니다.

고압 변압기 사용 용도

일반적으로 고압변압기는 공장, 병원, 상업시설 등 전력 소비가 많은 대규모 시설에 전력을 공급하는 데 사용됩니다.

발전소에서 생산된 전력은 수만V로 매우 고압입니다. 이를 그대로 사용자에게 송전하면 사용할 수 없습니다. 하지만 송전 효율을 위해 공급원 인근에서는 고압, 저전류로 송전하고 변압기에서 사용 가능한 전압으로 강압합니다.

고압변압기는 큐비클이라는 고압수전시설에 내장되어 옥상 등에 배치되는 것이 일반적입니다.

고압 변압기의 원리

변압기는 두 개의 코일로 구성됩니다. 이 두 코일은 전기적으로는 분리되어 있지만, 철심 코어를 통해 자기적으로 연결되어 있습니다.

입력측 코일이 1차 코일, 출력측이 2차 코일입니다. 1차 코일에 전류를 흘리면 암페어의 법칙에 따라 자속이 발생합니다. 이 자속은 철심을 통해 2차 코일로 전달되어 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 코일의 권선에 따른 전압이 발생하게 됩니다. 이렇게 코일과 철심을 이용하여 입력 전원과 출력 전원의 전압 변환이 가능합니다.

고압 변압기 기타 정보

1. 고압 변압기의 냉각 방식

변압기 내부에서는 전력 손실에 따라 열이 발생하기 때문에 냉각하는 구조가 도입됩니다. 냉각 방식에는 권선을 절연유로 냉각하는 ‘유입식’과 오일을 사용하지 않는 ‘몰드식’이 있습니다.

고압 변압기는 엄격한 방재 대책이 요구되는 시설에서 사용되기 때문에 화재 위험이 낮은 ‘몰드식’을 채택하는 경우가 많습니다. 유입식 변압기의 경우, 절연유에 제3석유류가 사용됩니다. 고압변압기의 용량이 커지면서 기름의 양이 400L를 초과하면 기름만으로는 위험물로서 소방법의 규제를 받게 되므로 주의가 필요합니다.

또한 용량이 커질수록 자냉식 변압기 사용이 어려워지기 때문에 강제 순환식이 채택됩니다.

2. 고압변압기 가격

고압 변압기는 구조가 간단하기 때문에 산업용 기기 중 비교적 저렴한 편입니다. 일반적인 일시 전압이 6,600V/3,300V, 2차 전압이 400V/200V/105V인 변압기라면 중전기기 업체에서 카탈로그 제품이 존재합니다.

카탈로그 제품은 2,000kVA 부근을 상한으로 하며, 그 이상은 주문 생산품입니다. 오일 투입 자냉식 변압기는 수십 kVA의 경우 수십만 엔, 2,000kVA의 경우 수백만 엔~2천만 엔이 평균 가격입니다 (2021년 기준) . 몰드 방식의 경우 이보다 더 가격이 더 높습니다.

일반적인 강압용 변압기라면 위의 금액이지만, 특수 사양의 것은 주문 생산이므로 가격에 관해서는 중전기 회사에 상담이 필요합니다.

3. 고압 변압기의 용량

고압 변압기의 용량은 권선의 허용 전류값과 자기 철심의 용량으로 결정됩니다. 권선에 허용치 이상의 전류가 흐르면 변압기가 소손될 수 있으므로 과전류 계전기로 변압기를 보호합니다.

또한 삼상 전동기 등의 용량은 kW (킬로와트) 를 단위로 하는 반면, 고압 변압기의 용량은 kVA (케이브이에이) 를 단위로 합니다. 단상 삼선식 고압 변압기의 카탈로그 제품은 300kVA 부근이, 삼상 400V/200V 변압기는 2,000kVA가 상한입니다.

큐비클식인 경우, 외함의 크기와 냉각 능력의 관계로 시판품은 750kVA 부근이 상한입니다.

4. 고압 변압기의 역률

부하의 역률에 따라 고압변압기에 걸리는 일량에 차이가 있으므로 주의가 필요합니다. 역률이 1.5배에서 멀어질수록 걸리는 일량은 줄어듭니다. 고압변압기 2차측의 역률을 1로 유지하면 고압변압기를 용량만큼 낭비 없이 사용할 수 있습니다.

산업용 기계는 모터가 많기 때문에 역률이 지연 방향으로 흔들리는 경우가 많습니다. 일반적으로 전력용 커패시터를 부하와 병렬로 연결하여 보상하는 것이 일반적인 대책입니다.

고압 변압기는 60% 부근의 부하가 최고 효율이 되도록 설계됩니다. 따라서 통상 사용 용량이 60% 부근이 되도록 용량에 여유를 두고 선정하는 것이 중요합니다.

플럭서란?

플럭서란 자동 납땜 장비가 납땜하는 과정에서 플럭스를 도포하는 장치입니다.

플럭스는 납땜이 잘 퍼지도록 하는 촉진제를 말합니다. 전자 부품 및 기판 제조에서 납땜은 품질을 좌우하는 중요한 공정입니다.

최근에는 인건비 절감과 효율화를 위해 자동 납땜 장비가 도입되고 있습니다. 플럭서를 사용하면 플럭스를 정확하고 효율적으로 도포할 수 있습니다.

플럭서의 사용 용도

플럭서는 자동 납땜 장비와 함께 사용됩니다. 자동 납땜 장비의 납땜 품질을 향상시키는 것이 목적입니다.

플럭스 함유 솔더도 판매되고 있지만, 플럭스는 솔더의 융점 부근에서 증발합니다. 자동 납땜 장비의 납땜 탱크는 항상 고온으로 유지되기 때문에 플럭스 함유 솔더를 사용할 수 없습니다.

자동 장비에서는 플럭서 (Fluxer) 를 통해 플럭스를 도포합니다.

플럭서의 원리

플럭서로 플럭스를 도포하여 기판 표면의 이물질과 산화막을 제거하여 표면장력을 낮추고 녹은 솔더를 얇게 펴서 녹인 솔더를 확산시킵니다. 땜납은 녹으면 표면장력으로 인해 구형화하려는 특징이 있습니다.

플럭스는 송진(로진)을 주성분으로 하는 액제로 염화아연, 염화암모늄 등이 첨가된다. 송진은 아비에틴산 등 유기산을 많이 함유하고 있으며, 솔더의 융점에 가까운 170℃ 부근에서 활성화되어 구리 산화물을 제거하는 작용을 합니다.

프락서의 종류

플럭서의 도포 방식에는 발포 방식과 스프레이 방식 두 가지가 있습니다.

1. 발포식 플럭서

발포소자를 이용하여 발포된 플럭스에 기판을 담그는 방식으로 도포합니다. 충분한 양의 플럭스를 도포할 수 있는 반면, 다량의 플럭스와 용매를 사용하기 때문에 비용이 많이 든다는 단점이 있습니다.

2. 스프레이식 플럭서

미스트 형태로 분사하여 얇고 균일하게 플럭스를 도포할 수 있습니다. 발포 방식에 비해 필요할 때 필요한 만큼의 플럭스를 사용할 수 있다. 저렴한 비용과 높은 편의성으로 인해 많은 플럭서에서 채택하고 있습니다.

플럭서의 기타 정보

1. 스프레이 프랙서의 도포량

스프레이 플럭스의 도포량은 각 제조사의 노하우에 따라 설계됩니다. 제어기판의 부품 실장면은 리플로우면이라고 불리며, 메탈 마스크와 크림 솔더로 인해 솔더량 관리가 비교적 용이합니다.

뒷면의 솔더 플로우면에는 솔더 탱크를 통과할 때 접착력 향상을 위해 반드시 프리 플럭스를 도포합니다. 이때 도포 방법은 낭비가 적은 스프레이 방식이 많이 사용됩니다. 프리플럭스의 도포량에 따라 기판의 납땜 품질에 큰 영향을 미칩니다.

2. 스프레이 플럭서의 기술 혁신 과제

플럭서에는 스프레이 방식과 발포 방식이 있는데, 도포량 관리가 용이하고 품질이 좋은 스프레이 방식이 주류입니다. 플럭스 도포 품질 향상을 위해 필요한 조건은 다음과 같은 세 가지입니다.

• 불균일성 제거
• 도포량의 선형성 (관리의 용이성)
• 반복 정밀도의 안정성

이러한 조건을 만족시키기 위해 제조 현장에서는 조건 설정을 합니다. 기판을 구역별로 나누어 모든 조건을 만족시킬 수 있도록 시행착오를 거칩니다. 이 작업은 부담이 크고, 전자 기판 실장 분야의 기술 혁신 과제 중 하나입니다.

3. 스프레이 플럭서의 구조

스프레이 방식 프럭서는 노즐과 스프레이로 구성됩니다. 노즐은 캔에서 플럭스를 빨아들이고, 스프레이로 미스트 형태의 플럭스를 직접 분사합니다. 플럭스 흡입용 노즐이 기판의 횡방향으로 작동하며, 이송 컨베이어의 동작과 연동하여 전 유동면에 플럭스를 도포합니다.

스프레이 플럭서의 공정 시간은 30초 정도입니다. 이 방식의 특징은 공구를 주기적으로 청소해야 한다는 점입니다. 그러나 기판 전체에 균일한 도포가 가능하고, 기판 표면의 막 두께 제어가 용이하다는 장점이 있습니다.

따라서 품질 면에서는 스프레이 방식의 플럭서가 가장 우수합니다.

광 스펙트럼 분석기란?

광 스펙트럼 분석기 (영어: Optical spectrum analyzer) 는 이 광 스펙트럼을 측정하기 위한 분광 장치입니다.

광 스펙트럼은 가로축에 파장, 세로축에 광 강도를 표시한 파장별 강도 분포를 말합니다. 비슷한 장치로 광파장계가 있지만, 광스펙트럼 분석기에는 측정값을 보정하는 기능이나 파장을 스캔하는 거울이 탑재되어 있습니다.

광파장계보다 광학계가 복잡한 편이지만, 다기능으로 다용도로 사용할 수 있는 것이 특징입니다. 따라서 장비의 가격이 상대적으로 높습니다.

광스펙트럼 분석기는 광네트워크 통신이나 광커플러 등 광반도체 개발에 활용되고 있습니다. 그 외에도 빛을 이용한 분석, 수분량 측정, 막 두께 측정, 의약, 생물 등 바이오, 화학을 비롯한 모든 광 관련 부품 분야에 응용되고 있습니다.

광 스펙트럼 분석기의 사용 용도

광 스펙트럼 분석기는 주로 광학계의 성능 평가에 활용되고 있습니다. 특히 레이저 광원이나 LED 광원은 산업, 의료 응용, 정보통신, 학술 연구에 이르기까지 매우 광범위하게 응용되고 있으며, 그 파장 특성을 조사하는 것은 매우 중요합니다.

광 스펙트럼 분석기의 사용 용도의 일례는 다음과 같습니다.

• 레이저, LED를 비롯한 단색광원 및 수은, 크세논 램프 등 백색광원의 파장 특성 평가
• 광학 부품의 파장 의존적인 반사율, 투과율 평가
• 광파장 다중 통신 등 광섬유 통신의 품질 검사

광 스펙트럼 분석기의 원리

광 스펙트럼 분석기의 원리는 분광 방식에 따라 크게 분산형과 간섭형 두 가지로 나뉩니다.

1. 분산형 분광방식 광 스펙트럼 분석기

분산 분광 방식은 분광 소자를 이용하여 파장 성분을 공간적으로 분해하여 파장별 강도를 측정하는 방식입니다.

분광소자에는 프리즘이나 회절 격자가 사용됩니다. 분광기는 그 외에 콜리메이트 (Collimate) 라고 불리는 거울과 렌즈, 집광용 카메라나 렌즈로 구성되어 있습니다.

프리즘의 경우 파장에 따른 굴절률의 차이를 이용하여 분광합니다. 프리즘에 입사된 빛은 파장에 따라 다른 굴절각으로 분사됩니다. 이를 통해 측정하고자 하는 빛의 파장 성분을 공간적으로 분해할 수 있습니다.

회절격자의 경우, 파장에 따른 회절각의 차이를 이용하여 분광합니다. 회절 격자에 빛이 입사하면 회절 조건을 만족하는 각도로 파장별로 다른 각도로 출사됩니다.

2. 간섭분광 방식 광 스펙트럼 분석기

간섭분광법은 측정하고자 하는 빛을 간섭시켜 그 간섭 패턴으로부터 스펙트럼을 측정하는 방법입니다.

측정하고자 하는 빛을 간섭시키기 위해 빔 스플리터를 이용한 이광속 간섭 방식과 대향시킨 고반사 미러를 이용한 다광속 간섭 방식이 있습니다. 이광속 간섭 방식에서는 이광속의 광로 길이를 변화시켜 간섭광 강도 변화(인터 프로그램)를 측정하고, 이를 역 푸리에 변환하여 스펙트럼을 산출할 수 있습니다.

다광속 간섭 방식에서는 측정하고자 하는 빛을 다중 반사시키면 공진하는 파장 성분만을 추출할 수 있습니다. 거울의 간격을 바꾸면 공진하는 빛의 파장도 바뀌기 때문에 이를 반복하여 스펙트럼을 측정할 수 있습니다.

파장별로 분리된 빛의 강도를 검출하는 분산 분광 방식에 비해 다이내믹 레인지의 성능은 떨어지지만, 높은 파장 정확도를 얻을 수 있습니다.

광스펙트럼 분석기 기타 정보 보기

광스펙트럼 분석기의 성능 비교

광 스펙트럼 분석기의 성능을 나타내는 가장 중요한 것 중 하나는 파장 분해능 있습니다. 파장 분해능은 광 스펙트럼을 분해할 수 있는 파장폭의 한계를 나타내는 용어입니다.

1. 분산 분광 방식 광 스펙트럼 분석기
분산 분광 방식의 경우, 파장 분해능은 사용하는 회절 격자의 종류, 광로의 거리, 슬릿 폭 등에 따라 달라집니다. 따라서 파장 분해능이 높은 장비의 경우 대형 장비가 됩니다.

또한, 검출할 때 빛이 통과하는 슬릿의 폭을 좁히면 분해능은 높아지지만, 검출하는 강도도 낮아지므로 필요한 분해능 폭을 고려하여 광학계를 조정하는 것이 중요합니다. 카메라에 냉각장치가 부착된 제품을 사용하는 경우, 암전류 등의 배경을 낮추어 측정할 수 있습니다.

2. 간섭분광 방식 광 스펙트럼 분석기
간섭 분광 방식의 경우, 광로 길이를 변화시킬 때의 스텝 폭에 따라 파장 분해능이 결정됩니다. 따라서 높은 파장 분해능을 원할 경우 더 많은 단계로 측정해야 하므로 측정 시간이 더 길어집니다.

솔더 포트란?

솔더 포트 (영어: Solder bath) 는 녹은 땜납을 담거나 녹은 땜납으로 채워진 용기(槽)를 말하며, 용기 내에 땜납을 녹은 상태로 유지하기 위해 히터를 병설한 기기나 설비입니다.

솔더 포트는 솔더 포트, 솔더 배스라고도 불립니다. 납땜하는 대상물의 모양과 수량에 따라 실험실에서 사용할 수 있는 탁상용 크기부터 제조 라인에서 사용하는 대형 제품까지 크기가 다양합니다.

또한, 솔더 포트에는 조 안에서 납땜이 정지된 상태로 있는 고정형과 조 내부에 노즐이 있어 납땜을 분사하는 분사형 두 가지 유형이 있습니다.

솔더 포트의 사용 용도

납땜에는 사람이 직접 손으로 하는 손 납땜도 있지만, 솔더 포트를 이용한 납땜은 비교적 간단한 대상물에 대해 안정된 품질로 대량으로 효율적으로 납땜을 할 때 사용됩니다.

솔더 포트을 사용하는 납땜 방법은 리드선 납땜이나 인쇄 회로 기판에 부품을 실장하는 등의 분야에 적합합니다.. 사람이 손으로 하는 손 납땜에 비해 솔더 포트에 의한 납땜은 비교적 간단한 대상물에 대해 안정된 품질로 대량으로 효율적으로 납땜을 할 때 사용됩니다.

솔더 포트의 원리

솔더 포트는 용융된 땜납을 저장하는 용기와 땜납을 용융된 상태로 유지하기 위한 히터로 구성되어 있습니다. 열량을 가해 땜납을 녹은 상태로 유지한다는 단순한 구조이지만, 생산설비로 도입되는 솔더탱크는 솔더탱크의 온도를 세밀하게 제어할 수 있거나 대상물을 솔더탱크에 운반하는 컨베이어가 장착되어 있는 것이 주류입니다.

또한, 솔더 포트에는 납땜액이 탱크 내에 고정되어 있는 고정형과 납땜액을 분사하는 노즐이 장착된 분출형이 있습니다. 솔더 포트 내의 땜납은 용융된 상태에서 공기에 장시간 노출되면 산화되어 산화물이 생성됩니다. 산화물은 납땜하는 모재와 납땜의 습윤성을 악화시켜 납땜 불량을 유발하는 주요 원인입니다.

따라서 산화되지 않은 용융 땜납을 항상 공급하는 것이 좋은 납땜을 하기 위한 중요한 포인트입니다. 이 때문에 노즐로 솔더 포트 내부의 용융 땜납을 분사하여 모재에 산화되지 않은 땜납을 접촉시키는 방식의 분출 타입이 많이 사용되고 있습니다.

고정식은 물론 분출식에서도 산화물 제거 대책이 필요하지만, 분출식은 솔더가 항상 흐르고 있기 때문에 산화물 발생이 적고, 산화물 제거 작업이 적다는 장점이 있습니다.

1. 고정형 솔더 포트를 사용한 납땜

그림 1의 고정식 납땜조 모식도와 같이 납땜조 안에 용융 솔더를 배치하고, 그림 2와 같이 용융 솔더 안에 프린트 기판 등 납땜할 부품을 담그고, 그림 3과 같이 끌어올리면 납땜이 완료됩니다.

2. 분출형 납땜조를 이용한 납땜

분출형 납땜조를 이용한 납땜은 그림 4의 분출형 납땜조의 모식도와 같이 용융 솔더가 들어 있는 솔더 포트 내에 노즐을 배치하고, 그림 5와 같이 솔더 포트 내의 용융된 솔더를 노즐을 통해 분출시켜 분출시킵니다. 이를 프린트 기판 등 납땜할 부품에 분사하여 납땜이 완료됩니다.

이처럼 솔더를 분사하는 노즐이 장착된 솔더 포트를 사용하는 방법을 플로우 솔더링이라고 하며, 인쇄회로기판 제조 분야에서 많이 도입되고 있습니다. 구체적인 장비의 구조는 인쇄 회로 기판에 칩을 내장한 것을 컨베이어로 솔더 포트로 운반하여 용융된 솔더를 분사하여 기판과 부품이 제자리에 실장하는 것으로, 자동화된 제조 공정의 일부로 편입되어 있습니다.

땜납의 기타 정보

1. 솔더의 종류

납땜을 사용할 때 ‘플럭스’와 ‘야니’를 사용합니다. 그 목적은 깨끗한 ‘납땜’을 하기 위함입니다. ‘플럭스’는 염화암모늄이나 염화아연을 함유한 액체입니다.

인쇄 회로 기판 위의 불순물을 제거하여 기판 표면을 세척하고 깨끗하게 납땜을 할 수 있도록 하는 목적으로 사용됩니다. 또한, 구리 배선된 기판 표면에서는 배선 표면의 산화를 방지하는 역할을 합니다.

‘야니’는 ‘송화게’에 함유된 성분에 의해 납땜의 산화를 방지하여 깨끗한 납땜 마무리를 할 수 있도록 해줍니다. 일반적으로 ‘야니’는 ‘솔더’에 포함되어 있는 경우가 많으며, ‘야니를 넣은 솔더’로 판매되고 있습니다.

2. 땜납의 재질

솔더 (영어: solder) 는 납과 주석을 주성분으로 하는 합금입니다. 주로 전자회로를 구성하는 인쇄 회로 기판에 탑재된 각종 전자 부품이나 커넥터를 인쇄 회로 기판 위의 배선부와 금속 접합하여 통전을 가능하게 하기 위해 사용됩니다. 또 다른 용도로는 배관 사이의 금속 결합에도 널리 사용되고 있습니다.

땜납의 역사는 기원전 3000년경 메소포타미아 문명으로 거슬러 올라갑니다. 구리 그릇에 은 손잡이를 붙일 때 ‘은-구리’ 땜납이나 ‘주석-은’ 땜납을 사용했습니다. 이후 그리스-로마 시대에는 현재 주류가 된 ‘주석-납’ 땜납이 수도관 접합에 사용되었습니다.

이후 ‘납’의 독성이 밝혀지면서 EU가 세계 최초로 ‘주석-납’ 땜납 사용 규제 (Rohs 지침 2006년 시행) 를 실행했습니다. 그리고 현재는 전 세계 납땜업체와 전자제품 제조업체가 주축이 되어 ‘무연’ 납땜을 개발하여 널리 보급하고 있습니다. 현재 납땜 합금의 주성분은 ‘주석-은-구리’ 계열, ‘주석-구리-니켈’ 계열, ‘주석-아연-알루미늄’ 계열 등 ‘납’을 사용하지 않는 납땜이 주류를 이루고 있습니다.

땜납조는 용융된 땜납을 저장하는 용기와 땜납을 용융된 상태로 유지하기 위한 히터로 구성됩니다. 열량을 가해 땜납을 녹은 상태로 유지한다는 단순한 구조이지만, 생산설비로 도입되는 땜납조는 땜납조의 온도를 세밀하게 제어할 수 있거나 대상물을 땜납조로 운반하는 컨베이어나 땜납을 분사하는 노즐이 장착된 것이 주를 이루며, 인쇄회로기판 제조분야에서 플로우 솔더링이라는 공정에 도입되고 있습니다.

플로우 솔더링 공정에 사용되는 솔더탱크에 대해 설명합니다. 이 공정에 사용되는 솔더탱크는 고정형과 분출형이 있습니다.

솔더 포트의 땜납은 용융된 상태에서 공기에 장시간 노출되면 산화되어 산화물이 생성됩니다. 산화물은 모재와 땜납의 습윤성을 악화시켜 땜납 불량을 유발합니다. 산화되지 않은 용융 솔더를 지속적으로 공급하는 것이 좋은 납땜을 위한 중요한 포인트입니다.

두 타입의 솔더 포트 모두 이러한 산화물을 제거하는 대책이 필요하지만, 분사 타입의 경우 노즐을 통해 납땜조 내부의 용융 땜납을 분사하여 모재에 산화되지 않은 땜납을 접촉시키는 방식으로 되어 있습니다.

3. 솔더의 온도

땜납의 온도는 땜납액에 따라 다르지만, 납을 함유한 땜납은 융점 183℃, 무연 땜납은 210℃ 내외로 무연 땜납이 더 높은 융점을 가지고 있습니다. 이 때문에 무연 솔더는 잘 녹지 않고 젖어서 퍼지기 어렵다는 단점이 지적되어 왔습니다.

그러나 현재는 기존 ‘주석-납’ 계열과 비슷한 제품이 개발되어 대표적인 무연 솔더로 유명한 ‘주석-은-구리’ (Sn96.5%, Ag3%, Cu0.5%), ‘주석-구리-니켈’ (Sn99%, Cu0.7%, Ni 기타 첨가물) 의 녹는점은 217~227℃입니다.

진동시험기란?

진동시험기 (영어: vibration testing machine) 는 부품이나 제품에 진동을 가하는 시험기 입니다.

진동 시험기는 진동으로 인한 파손이나 고장을 확인하거나 부품의 진동 응답 특성을 조사하는 데 사용됩니다. 어떤 제품이든 장기간의 진동으로 인한 피로로 인해 파손될 가능성이 있습니다. 따라서 품질 보증의 관점에서 진동 시험기를 사용하는 시험이 많이 이루어집니다.

진동 시험기의 사용은 주로 정현파 진동이나 임의파 진동에 의한 내진 성능을 확인하는 것이 목적입니다. 또한 기계 시스템의 진동 응답 특성인 기계 임피던스를 측정하여 공진 주파수를 파악하거나 진동 대책에도 활용됩니다.

진동시험기 사용 용도

진동시험기는 부품 및 제품의 내진성 확인 및 부재-구조물의 진동 응답 특성 파악 등에 사용됩니다.

• 자동차 부품, 전자부품 등의 제품이 진동 환경에 견디고 성능을 발휘할 수 있는지의 확인
• 가전제품, OA기기, 식품 등 출하되는 제품이 운송 시 받는 진동으로 인한 제품 및 포장에 미치는 영향 확인
• 건축자재 및 건물 자체의 지진에 대한 내력 시험 및 면진구조, 제진구조의 효과 확인
• 터빈 발전기의 터빈 블레이드의 진동 특성, 축의 비틀림 진동 특성
• 공작기계 프레임의 기계 임피던스 측정
• 진동계, 지진계의 교정 등

진동시험기의 원리

진동시험기는 구동방식에 따라 기계식, 유압식, 동전식, 서보모터식 등으로 분류되며, 각각 원리가 다릅니다.

1. 기계식 진동시험기

구동력으로 모터를 사용하여 회전운동을 기계적으로 왕복운동으로 바꾸는 방식입니다. 유압식이나 동전식에 비해 상대적으로 가격이 저렴합니다. 최근 기계식은 제어성이 단점으로 지적되어 다른 방식으로 대체되고 있습니다.

2. 유압식 진동 시험기

구동력으로 유압펌프의 유압을 사용하는 방식입니다. 서보 밸브에 의해 유압 회로를 고속으로 전환하여 진동시킵니다. 낮은 진동수, 긴 스트로크, 큰 출력이 필요한 경우에 적합합니다. 주파수 범위는 1~300Hz 정도입니다. 건물 등 대형 구조물을 지진파로 진동시키는 경우 등에 많이 사용됩니다.

3. 동전식 진동 시험기

자기장 속 도선에 전류를 흘릴 때 발생하는 로렌츠력을 이용하는 방식입니다. 여자코일에 의한 자기장 속에 설치한 구동코일에 교류전류를 흘려 전류에 따라 왕복운동을 하게 합니다.

가진기의 진동을 픽업으로 감지하여 제어기에 피드백하여 진동을 설정값으로 유지합니다. 이 방식의 특징은 가진 진동수 범위가 넓어 특히 높은 진동수까지 대응할 수 있다는 점입니다. 진동수 범위는 5~3,000Hz 정도가 일반적이지만, 소형 가진기에서는 이보다 더 높은 40,000Hz까지 가능한 타입도 있습니다.

4. 서보 모터식 진동 시험기

AC 서보모터와 볼스크류를 조합한 서보모터 리니어 액추에이터를 사용하여 진동시키는 방식입니다. 유압식에 비해 탑재 하중이 낮고, 동전식에 비해 진동수 범위가 낮습니다. 유압식과 전동식의 중간 정도의 작동 범위입니다. 진동수 범위는 0.01~300Hz 정도입니다.

진동시험기 기타 정보

1. 진동시험의 종류

진동시험의 종류는 정현파 진동시험, 임의파 진동시험, 충격시험 등으로 분류됩니다.

• 정현파 진동시험
  일정한 주기로 반복되는 진동을 가하는 시험입니다. 진동 주파수와 진폭을 고정하여 시험하는 방법과 주파수를 스윕하고 진폭은 진동수에 따라 설정하는 시험 방법이 있습니다. 주로 내진성 확인에 사용됩니다. 또한, 진동 주파수를 변화시켜 시료의 공진 유무, 공진 주파수, 진동 응답 특성을 조사하는 시험이 있습니다.
• 임의파 진동시험
  규칙성이 없는 무작위 진동 파형으로 가진하는 시험입니다. 시험 조건은 진동수 대역과 가속도의 스펙트럼 밀도로 규정합니다. 이 시험은 상하, 좌우, 전후 3방향에 대해 실시합니다. 전기 제품이나 전자 부품이 지상 차량 주행이나 항공우주 운송의 진동 부하에서 어떻게 되는지 잘 재현할 수 있습니다. 따라서 응력 누적으로 인한 성능 저하 및 기계 고장을 감지하는 효과가 높고, 시장 환경에 더 가까운 시험 결과를 얻을 수 있습니다.
• 충격 시험
  일반적으로 규정된 피크 가속도와 작용시간의 펄스 파형 충격을 시료에 가하는 시험입니다. 충격 환경에 대한 내성 및 특성 평가를 실시합니다.

2. 진동시험기의 대형화 및 소형화 추세

진동 시험기의 대형화가 진행되고 있습니다. 기존에는 전기제품, 전자부품, 자동차 부품 등이 시험의 주를 이루었으나, 포장화물, 철도차량 탑재부품, 항공우주산업, 내진건축 등의 수요가 증가하고 있습니다. 또한, 항공우주산업에서 요구되는 진동 주파수가 민생용품이나 차량용 제품보다 높기 때문에 이에 맞는 시험기도 개발되고 있습니다.

진동시험기의 소형화 요구도 증가하고 있는 실정입니다. 예를 들어, 탁상형 진동 시험기가 있습니다. 이 시험기는 PCB의 납땜 불량, 커넥터의 접촉 불량, 나사나 너트의 조임 불량 등을 감지하는 데 사용됩니다. 또한 휴대용 진동 시험기가 개발되고 있습니다. 이 시험기는 전자기기의 내진 점검이나 특정 부위의 진동 응답 특성을 측정하는 데 사용됩니다.

누설 전류계란?

누설 전류계 (영어: leakage current measure) 는 전기 기기의 누설 전류를 측정하는 기기입니다.

일반적으로 mA 이하의 미세한 전류를 측정할 수 있는 클램프 미터를 말합니다.

누설 전류계의 사용 용도

누설전류계는 일반적으로 법령에서 정한 기준에 적합한지 여부를 판단하기 위해 전기 설비나 의료기기 등에 사용됩니다.

누설전류는 인체에 미치는 영향이 크고, 미약하더라도 사망에 직결되기 때문에 안전 측면에서 정확한 측정이 필요합니다. 또한, 통신기기 노이즈의 원인이 되기도 하므로 품질 측면에서도 중요합니다.

누설 전류계의 원리

누설 전류계는 회로 도체와 비접촉으로 측정이 가능하며, 구리선을 클램프 미터로 끼워 전류를 측정합니다.

전류 검출의 원리는 전류에 의해 발생한 자기장을 검출하여 측정 전류에 비례하는 출력을 추출하는 것입니다. 검출 방법은 가장 일반적인 것으로는 CT 방식, 로고스키 코일 방식, 홀 소자 방식, 플럭스 게이트 방식 등이 있습니다.

1. CT 방식

측정 대상의 전류를 권선비에 대응하는 차수 전류로 변환하는 방식입니다.

2. 로고스키 코일 방식

측정 대상 전류의 주변에 형성된 교류 자기장에 의해 공심 코일에 유도되는 전압을 변환하는 방식입니다.

3. 홀 소자 방식

홀 소자와 CT 방식을 결합하여 직류 전류에서 측정하는 방식입니다. 홀 소자는 자기장을 발생시킨 부분에 전류가 흐를 때 발생하는 전압을 측정하는 소자로, 직류 측정에서는 이 방식이 주류입니다.

4. 플럭스게이트 방식

플럭스게이트 (FG소자) 와 CT방식을 결합하여 직류전류로 측정하는 방식입니다. 플럭스게이트는 철심에 2개의 역방향 코일을 감아 발생 자기장을 측정하는 소자로, 자기장에서 전류값을 역산합니다.

누설 전류계의 기타 정보

1. 누설전류와 의료기기

의료기기를 출시하기 위해서는 후생노동성 장관의 승인이 필요합니다. 그 중에서도 능동형 의료기기로 불리는 의료용 전기기기의 승인은 착용부 (환자와 연결되는 부분) 가 전기적으로 어떤 범주에 해당하는지를 규정해야 합니다.

특히 심장 등 가장 심각한 환경에 사용되는 의료기기는 IEC 60601-1 (JIS T0601-1) 에서 규정하는 ‘CF형 장착부’라는 카테고리 (누설 전류 허용 한계 0.01mA) 에 적합해야 합니다. 이처럼 의료기기의 설계 검증 단계에서는 기기에서 누설되는 누설전류를 엄격하게 관리하는 것이 중요합니다. 따라서 의료기기 승인에서는 규격에 맞는 전용 누설전류계(시험장비)를 사용하여 누설전류를 측정합니다.

2. 누설 전류계와 일반 전류계의 차이점

누설 전류계의 가장 큰 특징은 분해능입니다. 부하 전류를 측정하는 전류계는 클램프 방식의 경우 1A 이상의 큰 전류를 측정합니다. 반면 누설 전류계는 미약한 전류를 측정해야 하기 때문에 1A 이하의 미약한 전류를 측정할 수 있는 것이 특징입니다. 반도체 제조 공정용으로 미약한 전류를 측정하는 부하 전류계도 존재하지만, 해당 용도로는 회로에 직렬로 연결되는 기기가 일반적입니다.

3. 누설 전류계 사용법

클램프형 누설 전류계는 전기 배선의 누전 검사 등에 사용되며, 정전 없이 기기에 통전된 상태에서 검사할 수 있습니다.

• 측정 환경 정비
  누설 전류계는 그 원리상 외부 자기장의 영향을 받습니다. 따라서 변압기 등 외부 자기장의 원인이 되는 기기에서 격리된 장소에서 측정해야 합니다.
• 측정 방법
  고리 모양의 클램프를 열고, 측정 대상 케이블을 고리 안에 삽입하여 클램프를 닫습니다. 영상에 의한 누설전류 측정은 전상 일괄적으로 클램프합니다. 접지선에 의한 누설 전류 측정은 접지선을 단독으로 클램프합니다. 그 후, 측정 목적에 따라 측정 범위를 설정하고 측정이 시작됩니다. 표시 간격 간격을 설정할 수 있는 제품이나 평균값을 표시할 수 있는 제품도 있습니다. 측정 대상과 측정 목적에 따라 누설 전류계를 선택하는 것이 중요합니다.

4. 누설전류의 종류

보호 도체 전류 (접지 누설 전류)
IEC 60601-1 표준에서 ‘주전원 부품에서 절연체를 통해 또는 절연체를 가로질러 보호 접지 도체 또는 기능 접지 연결선에 흐르는 전류’로 정의됩니다.

터치 전류 (접촉 전류) 또는 인클로저 누설 전류
IEC 60990 표준에서 “설치 또는 장비의 하나 이상의 접근 가능한 부분을 만질 때 인체 또는 동물의 몸을 통과하는 전류”로 정의됩니다.

환자 누설 전류
IEC 60601-1 표준에서 “환자 연결에서 환자를 통해 접지로 흐르는 전류”로 정의됩니다.

환자 측정 전류 (의료용 전기기기만 해당)
IEC 60601-1 표준에서 “정상적인 사용 시 환자를 통해 한 환자 연결부와 다른 모든 환자 연결부 사이에 흐르는 생리적 효과를 의도하지 않은 전류”로 정의됩니다.

초음파 센서란?

초음파 센서ㅍ(영어: Ultrasonic sensor)ㅍ는 초음파를 이용하여 물체까지의 거리를 측정하는 장치입니다.

초음파는 주파수가 높아 사람이 들을 수 없는 소리의 총칭이다. 사람의 귀는 20Hz~20,000Hz를 감지하는데, 그 이상의 주파수 소리를 초음파라고 합니다.

초음파 센서는 초음파를 발생시켜 반사된 음파를 감지해 거리를 측정한다. 최근에는 소형화, 경량화, 저가화가 진행되어 널리 사용되고 있습니다.

초음파 센서의 사용 용도

초음파 센서는 가정용부터 산업용까지 폭넓게 사용되고 있습니다.

가정용으로는 비접촉으로 거리 측정이 가능하다는 장점을 살려 차량용 거리 측정기, 제트 타월 등에 활용됩니다. 차량용 거리계는 충돌 피해 경감 브레이크 의무화로 인해 빠르게 확산되고 있습니다.

산업용으로는 배수탱크나 약품 저장 탱크의 레벨계 등에 사용됩니다. 부식성이 강한 액체 등에 사용되는 경우가 많습니다.

어군탐지기 역시 오래전부터 초음파 센서를 사용하고 있습니다.

초음파 센서의 원리

초음파 센서는 초음파를 발사하여 반사파를 감지하여 거리를 측정합니다.

소리의 속도는 전파하는 대기에 따라 결정되는데, 대기 중에서는 340m/s, 수중에서는 1,500m/s 정도로 알려져 있습니다. 전파하는 대기를 알면 반사파가 수전소자에 도달하는 시간을 측정하여 거리로 환산할 수 있습니다.

초음파 센서는 압전소자가 주요 부품입니다. 압전소자는 전기 에너지를 압력 에너지로 변환하고, 압력을 가하면 다시 전기 에너지로 변환하는 원리를 가지고 있습니다.

따라서 압전소자는 송수신 기능을 모두 담당합니다. 입력된 전기 신호를 초음파로 변환하고, 반사파를 감지하여 전기 신호를 출력합니다.

원리상 초음파 센서의 장점과 단점은 다음과 같습니다.

초음파 센서의 장점

• 비접촉으로 물체의 거리를 감지할 수 있다.
• 유리와 같이 투명한 물체도 감지할 수 있다.
• 대상물까지의 사이에 약간의 먼지나 먼지 등이 있어도 통과할 수 있다.
• 초음파의 속도가 빠르기 때문에 물체가 움직여도 감지할 수 있다.

초음파 센서의 단점

• 온도나 바람에 의해 변화되기 쉽다.
• 부드럽고 울퉁불퉁한 것은 감지할 수 없다.

또한, 초음파 센서의 가장 큰 특징은 비접촉으로 거리를 측정할 수 있다는 점입니다. 비접촉 측정이 필요한 경우에 주로 사용됩니다.

초음파 센서의 기타 정보

1. 초음파 센서 사용법

시중에 판매되는 초음파 센서는 아날로그 회로 발신기로 판매되고 있습니다. 출력 신호는 4-20mA 등 규격이 정해진 아날로그 신호이며, 보조 전원을 입력하면 소스 출력도 가능합니다.

또한 모듈로도 판매되고 있으며, Raspberry Pi나 PIC 등의 소형 컴퓨터와도 잘 어울립니다. 간단한 버퍼 앰프로 증폭하면 파형을 성형하여 I/O에 연결할 수 있습니다.

발신 측도 전력 소모가 적고, 출력 단자에 (감쇠기를 통해) 직접 연결할 수 있습니다.

센서는 송신측과 수신측이 한 쌍으로 구성되어야 합니다. 그러나 초음파 센서는 송신 소자가 수신 소자로도 작동하기 때문에 하나의 소자로 송수신이 가능하여 회로 자체가 간단해집니다.

단, 투과형으로 사용할 경우 송신 소자와 수신 소자는 별도로 설치해야 합니다.

2. 초음파 센서를 이용한 회로

초음파 센서의 송신 소자 구동 전압은 일반적으로 수 V이므로 CPU의 I/O 단자에 직접 연결할 수 있습니다.

수신 신호를 디지털 회로에서 사용할 때는 버퍼 증폭기, 검파기, 비교기를 통해 디지털 신호로 변환한 후 CPU에서 연산 처리를 합니다.

일반적인 초음파 센서의 공진 주파수는 40kHz입니다.

3. 초음파 센서의 정확도
초음파 센서의 정확도는 일반적으로 파장 정도이며, 40kHz 초음파를 사용하는 경우 정확도는 10mm 정도입니다.

수신 소자로 되돌아오는 초음파 펄스의 파형이 대상물의 형상 등에 따라 측정값에 편차가 발생하기 때문입니다. 반사파 펄스의 검출 지점을 최적화하면 정확도를 높일 수 있습니다.

디지털 멀티미터란?

디지털 멀티미터는 일반적으로 직류전압, 교류전압, 직류전류, 저항값 등 기본적인 전기적 특성을 측정하는 장치입니다. 기존의 전압계, 전류계 및 저항계는 미터 지침이 측정값을 지시하는 아날로그 표시인 반면, 디지털 멀티미터는 여러 측정 기능을 갖추고 3자리에서 8자리까지 수치로 표시하기 때문에 디지털 멀티미터라고 합니다. 또한 정전용량, 교류 주파수, 온도 등 측정 기능을 확장한 모델도 판매되고 있습니다.

또한, 소형 경량으로 공사 현장 등에서 사용하기에 적합한 콤팩트한 기종은 디지털 테스터라고도 합니다. 표시 자릿수는 4자리 정도, 측정 정밀도는 직류 전압의 경우 0.05~0.1%, 교류 전압은 0.5~1% 정도가 일반적인 성능입니다. 실험실에서 정밀하게 측정하기에는 정확도가 떨어지지만, 야외로 가져가는 용도로는 사용하기에 무난한 수준이다. 이러한 용도를 고려하여 낙하에도 견딜 수 있도록 견고한 구조를 가진 모델도 판매되고 있습니다.

디지털 멀티미터의 사용 용도

디지털 멀티미터는 실험실의 측정, 공장 생산라인의 제품 전기 조정, 전기설비 공사 및 유지보수 점검 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

수전설비나 동력제어반에 내장되어 있는 경우가 많습니다. 이 경우 전류, 전압, 저항값과 같은 기본적인 파라미터 외에 커패시턴스, 주파수, 온도 등을 측정하는 기능이 내장되어 있는 것도 있습니다.

또한 위와 같은 전문적인 용도뿐만 아니라 일반 가정에서 전자 공작 등에 사용할 수 있는 저렴한 제품도 판매되고 있습니다.

디지털 멀티미터의 원리

디지털 멀티미터의 핵심은 고정밀/고해상도 A/D 컨버터와 그 디지털 출력을 바탕으로 측정값을 산출하는 프로세서로 구성됩니다.

1. 직류 전압 측정

두 프로브 사이의 전압을 증폭 (미세 전압의 경우) 또는 감쇠 (고전압의 경우) 하는 증폭기 또는 감쇠기를 통해 동적 범위 내의 전압으로 변환하여 A/D 컨버터의 입력 전압으로 삼고, A/D 컨버터는 그 입력 전압에 대응하는 디지털 값을 출력하고, 프로세서는 이 디지털 값과 디지털 값과 앰프의 게인 및 감쇠기의 감쇠율을 바탕으로 프로브 간 전압을 계산하여 표시기에 직류 전압 값을 표시합니다.

2. 교류 전압 측정

정류 회로를 통해 교류 전압을 직류 전압으로 변환한 후 A/D 컨버터에 입력하면 이후 직류 전압과 동일한 과정을 거쳐 표시기에 교류 전압 값을 표시합니다.

3. 저항 측정

디지털 멀티미터에 내장된 정전류 전원에서 두 개의 프로브를 통해 피측정 저항에 일정한 전류를 흘려보냅니다. 이때 프로브 양단에 나타나는 직류 전압을 A/D 컨버터에 입력하면 피측정 저항의 양단 전압을 측정할 수 있습니다. 이 전압값과 정전류 전원의 전류값으로부터 프로세서가 피측정 저항의 저항값을 계산합니다.

4. 전류 측정

직류 전류를 측정하기 위해서는 디지털 멀티미터 내의 마이크로 저항에 흐르는 피측정 전류에 의해 발생하는 마이크로 저항 양단의 전압을 A/D 컨버터에 입력합니다. 이 A/D 컨버터의 출력값에서 프로세서로 전류값을 계산하여 표시기에 그 전류값을 표시합니다. 교류의 경우, 미세저항기 양단의 교류 전압을 정류회로에서 직류 전압으로 변환하여 A/D 컨버터에 입력합니다.

5. A/D 컨버터

디지털 멀티미터의 A/D 컨버터는 매우 높은 정밀도 (고해상도), 예를 들어 7자리 표시에는 24bit 이상이 요구되므로 일반적으로 이중 적분형이 채택됩니다. 따라서 변환에 소요되는 시간은 비교적 길고, 1초당 몇 번 측정하는 것이 전부입니다. 단, 표시 자릿수를 줄여 A/D 컨버터의 변환 시간을 줄임으로써 측정 시간을 단축시킬 수 있습니다.

디지털 멀티미터 사용법

디지털 멀티미터의 사용법은 다음과 같습니다.

1. 전압 및 전류 측정

디지털 멀티미터는 Hi 단자와 Lo 단자의 두 입력 단자 사이에 피측정 계통을 연결합니다. 직류 전압 측정 시 Hi 단자는 고전압 측, Lo 단자는 정전압 측에 연결하면 Lo 단자 측의 전위를 기준으로 Hi 단자 측의 전압을 표시합니다. 직류전류 측정 시 Hi단자에서 피측정 전류가 유입되고 Lo단자에서 유출되는 경우 전류값은 플러스로 표시되며, 역방향인 경우 마이너스로 표시됩니다. 교류 전압, 전류 및 저항 측정에서는 극성을 고려할 필요가 없습니다.

2. 측정 범위 설정

최대 입력 정격 이내의 전압, 전류라면 Auto range 기능에 의해 자동으로 최적의 범위로 전환되므로 일반적인 사용에서는 최적의 범위를 찾는 작업이 필요 없지만, 생산 라인에서 조정할 때 등 측정 시간 단축이 필요한 경우에는 예상 측정값을 기준으로 수동으로 범위를 설정해야 합니다.

3. 측정 대상 회로에 미치는 영향

디지털 멀티미터를 연결하면 피측정 시스템에 영향을 주어 측정값이 변동될 수 있습니다. 예를 들어, 어두운 환경에서 광센서의 출력 전압을 측정할 때와 같이 임피던스가 매우 높은 회로에 디지털 멀티미터를 연결하면 그 내부 임피던스가 측정 시스템의 부하가 되어 원래의 출력 전압보다 낮은 값을 나타낼 수 있습니다.

마찬가지로 임피던스가 작은 회로의 전류를 측정하는 경우, 디지털 멀티미터 내의 전압 검출용 미세 저항이 측정 대상 회로에 무시할 수 없는 오차를 발생시킬 수 있습니다. 따라서 디지털 멀티미터가 측정 대상 회로에 미치는 영향을 고려하여 사용 여부를 판단해야 합니다.

4. 저저항 측정

저항 측정에서 4단자 측정이 가능한 디지털 멀티미터가 있습니다. 4단자 측정은 특히 저저항 측정에서 프로브와 피측정 저항기의 접촉 저항이 오차의 원인이 될 때 매우 효과적인 방법입니다. 이 디지털 멀티미터는 한 쌍의 단자 정전류 전원과 한 쌍의 단자 전압계로 구성되어 있으며, 피측정 저항기의 양단에 정전류 전원을 연결하여 정전류를 흐르게 합니다.

전압계는 정전류 단자 안쪽, 저항기 쪽 포인트에 프로브를 대고 저항기의 양단 전압을 측정합니다. 이 측정된 전압과 정전류 값으로 저항값을 계산합니다. 정전류 단자의 접촉 저항은 전압 측정값에 영향을 미치지 않으며, 전압계 프로브의 접촉 저항은 전압계의 내부 저항 10MΩ에 비해 무시할 수 있는 수준이기 때문에 낮은 저항을 정확하게 측정할 수 있습니다.

반도체 외관 검사 장비란?

반도체 외관 검사 장비는 반도체 제조 공정에서 웨이퍼나 반도체 칩의 불량 여부를 외관상으로 검사하는 장비입니다.

반도체의 주요 제조공정으로는 인쇄의 원판에 해당하는 포토마스크 제조공정, 반도체의 기반이 되는 웨이퍼 제조공정, 포토마스크를 이용하여 웨이퍼 위에 미세한 회로구조를 형성하는 전 공정, 회로 형성 후 반도체 칩을 개별적으로 패키징하는 후 공정이 있으며, 세부적으로 살펴보면 수백 개의 공정 이 존재합니다.

최근 반도체 미세공정 기술은 수 나노 (머리카락 굵기의 약 1만분의 1) 의 영역에 도달함과 동시에 웨이퍼의 직경도 대형화되어 한 장의 웨이퍼에서 수십억 개의 트랜지스터가 탑재된 반도체 칩을 수천 개씩 만들 수 있게 되었습니다.

이러한 생산성을 자랑하는 반도체 제조 공정에서 검사 장비는 불량품의 조기 선별, 비용 절감, 품질 및 신뢰성 향상으로 이어져 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 반도체 외관 검사 장비의 선정 기준은 웨이퍼의 직경, 사용하는 공정, 검출하는 불량품의 종류를 고려해야 합니다.

반도체 외관 검사 장비의 사용 용도

반도체 외관 검사 장비는 반도체 제조 공정의 다양한 단계에서 사용됩니다.

반도체 외관 검사 장비를 사용하여 검출하는 불량으로는 포토마스크나 웨이퍼의 뒤틀림, 균열, 스크래치, 이물질 부착, 전 공정에서 형성되는 회로 패턴의 오차, 치수 불량, 후공정에서 발생하는 패키징 불량 등 다양한 경우가 있습니다.

따라서 공정별로 적합한 반도체 외관 검사 장비와 소프트웨어를 선정해야 하며, 검사의 고속화 및 인력 절감을 위해 AI 등을 활용한 자동화가 진행되고 있습니다.

반도체 외관 검사 장비의 원리

반도체 외관 검사 장비는 측정하는 장비와 측정한 데이터를 처리하는 소프트웨어, 적절한 측정을 위한 설비로 구성됩니다.

측정하는 장치로는 고해상도 카메라, 전자현미경, 레이저 계측기 등이 사용됩니다. 측정한 데이터를 처리하는 소프트웨어는 검사하는 공정에 맞는 알고리즘이 개발되어 있습니다. 적절한 계측을 위한 설비로 진동을 억제하는 설비와 빛을 비추는 설비도 필요합니다. 이하 내용은, 반도체 외관 검사 장비의 핵심인 영상 촬영 기술, 영상 처리 기술, 결함 분류 기술에 대한 설명 입니다.

• 영상 촬영 기술
  이미지 이미징 기술은 레이저 빛을 웨이퍼에 조사하여 그 산란광을 검출하여 결함을 측정하는 기술입니다. 미세한 요철을 빛나게 하여 이물질이나 파손을 검출합니다.
• 이미지 처리 기술
  이미지 처리 기술은 웨이퍼 상의 모든 칩에 형성되는 패턴이 동일하다는 점을 이용하여 인접한 패턴을 비교하여 결함을 검출하는 기술입니다. 고속으로 광범위한 처리가 가능합니다.
• 결함 분류 기술
  결함 분류 기술은 결함을 검출한 후 그 결함을 분류하여 원인을 추출하는 기술입니다. 결함의 원인을 찾아내고 대처하기 위해 필요한 기술입니다.

반도체 외관검사의 종류

1. 웨이퍼 제조 공정 및 전 공정에서의 외관 검사

웨이퍼는 실리콘으로 대표되는 반도체 원료를 잉곳이라는 원통형 단결정 소재로 성형하여 1mm 정도의 두께로 슬라이스하고 표면을 연마한 것으로, 최근에는 직경이 12인치 (약 30cm) 에 달합니다.

웨이퍼의 결함에는 부착된 이물질뿐만 아니라 웨이퍼 자체에 있는 표면의 스크래치, 균열, 가공 불균일, 결정 결함 등이 있는데, 주로 레이저 광을 조사하여 이러한 결함을 검출하는 것이 웨이퍼 제조 공정의 외관 검사입니다.

전 공정은 웨이퍼 상태 그대로 진행되기 때문에 발생하는 결함에는 크게 두 가지 종류의 결함이 있는데, 무작위 결함과 체계적 결함입니다. 무작위 결함은 주로 이물질 혼입에 의해 발생하는 결함인데, 무작위적이기 때문에 그 발생 위치를 예측할 수 없습니다. 따라서 웨이퍼 상에 있는 무작위 결함을 이미지 처리를 통해 검출합니다. 반면, 시스템적 결함은 포토마스크나 노광 공정 조건, 예를 들어 포토마스크에 부착된 입자로 인해 발생하는 결함이며, 웨이퍼에 늘어선 각 반도체 칩의 동일한 위치에서 발생하는 경향이 있습니다.

2. 후공정 외관 검사

후공정에서는 웨이퍼를 각 칩으로 절단 (다이싱) 하여 수지나 세라믹 패키지에 담고, 칩의 단자와 패키지의 단자를 연결 (와이어 본딩) 하여 봉인합니다. 이후 전기적인 검사가 주를 이루지만, 외관 검사로 와이어 본딩 불량, 부품번호 인쇄 불량 등의 검사가 이루어집니다.

반도체 외관검사의 기타 정보

1. 반도체 외관검사의 중요성

일반적으로 제조 공정에서의 외관 검사는 제품의 기능이나 성능과는 무관한 먼지나 흠집 등의 확인을 목적으로 하는 경우가 많지만, 반도체 제조에서 먼지나 흠집 등은 단순한 외관상의 문제가 아니라 거의 모든 경우에 기능이나 성능에 영향을 미치는 문제입니다.

반도체는 전자 소자이기 때문에 다른 전기/전자 소자와 마찬가지로 전기적인 검사도 이루어지지만, 수십억 개의 트랜지스터와 이를 연결하는 배선을 모두 검사하는 것은 매우 어려우며, 트랜지스터의 게이트나 배선의 미세한 부분 등은 외관 검사로만 확인할 수 있습니다.

2. 반도체 외관검사의 정밀도

수 나노 단위의 미세한 반도체 공정에서는 하나의 배선 굵기나 인접한 배선의 간격이 수 나노 단위가 됩니다.

여기에 나노 단위의 불량이 존재하면 배선 단락이나 단선의 원인이 됩니다. 또한 이 1/10 크기의 불량으로 인해 배선 폭이 설계치의 90% 두께가 되더라도 배선의 저항값과 정전용량이 변하게 됩니다. 이 배선에 전류가 흐르면 전자의 이동에 의해 금속 원자가 이동하는 일렉트로마이그레이션이라는 현상이 발생하여 배선이 빠르게 얇아지고 단기간에 단선이 발생하게 됩니다.

이처럼 반도체 제조에서는 매우 미세한 정밀도의 외관 검사가 요구되며, 미세공정 기술이 발전함에 따라 요구되는 정밀도는 더욱 높아질 것입니다.