カテゴリー: category_kr

교류전원이란?

교류전원이란 주파수를 가지고 방향과 크기를 바꾸는 교류전력을 말합니다.

전력회사에서 일반 가정에 공급되는 전기는 모두 교류전원입니다. 에어컨, 냉장고, 조명기구 등 콘센트에 꽂는 가전제품은 모두 교류전원으로 작동합니다.

산업용에서는 직류를 교류로 변환하는 장치를 교류 전원 장치라고 부르기도 하며, 널리 사용되고 있습니다.

교류전원의 사용 용도

교류전원은 일반 가전제품부터 산업기기까지 폭넓게 사용되고 있습니다.

가정용 기기로는 건조기, 에어컨, 전자레인지 등 많은 가전제품이 교류 전원으로 작동합니다. 산업용 장비로는 업무용 냉동기와 배기용 환기 송풍기, 산업용 양수 펌프 등의 동력원은 대부분 교류전원입니다.

IT 업계 등에서는 중요한 데이터 서버와 데이터 저장소를 보호하기 위해 무정전 전원 장치를 사용합니다. 무정전 전원장치란 평상시에는 상용전원으로 배터리를 충전하면서 교류전원을 공급하고, 상용전원이 끊기면 배터리를 통해 전원을 공급하는 제품을 말한다. 교류전원장치라고 하면 이 무정전 전원장치를 지칭하기도 합니다.

데이터 서버 등은 중요하고 정밀한 기기입니다. 교류전원이 조금만 흐트러져도 고장이 날 위험이 있습니다. 무정전 전원장치는 이러한 정밀기기에 무정전 교류전원을 공급하기 위한 목적으로도 사용됩니다.

또한, 의도적으로 교류전원의 교란을 일으켜 전기기기에 고장이 발생하지 않는지 시험하기 위한 시뮬레이터도 판매되고 있습니다.

교류전원의 원리

상용 교류전원은 주로 동기발전기에 의해 공급됩니다. 동기 발전기는 전자기 유도 작용을 이용하여 전력을 공급합니다.

전자기 유도 작용은 권선된 구리선에 자석을 가까이 하거나 멀리하면 전압이 발생하는 원리입니다. 동기 발전기는 내부에서 강력한 자기장을 발생시키면서 권선을 고속으로 회전시켜 발생하는 전압으로 전력을 생산합니다.

IT업계의 교류(안정화) 전원장치는 크게 AC 스태빌라이저 방식(AVR)과 주파수 변환기 방식(CV, CF)으로 나뉩니다.

1. AC 스태빌라이저 방식

AC 스태빌라이저 방식은 출력 전압, 파형을 안정화시키는 목적이 있고, 주파수 컨버터 방식은 여기에 더해 주파수를 안정화시키는 목적이 있습니다.

AC 스태빌라이저 방식은 크게 슬라이딩 방식과 탭 스위칭 방식으로 나뉩니다. 슬라이딩 방식은 서보 모터 등으로 변압기의 탭을 연속적으로 전환하여 교류 전압을 일정하게 유지하는 방식입니다.

탭 스위칭 방식은 입력된 교류의 전압을 기준 전압과 비교하여 오차를 보정하여 출력하는 방식입니다.

2. 주파수 변환기 방식

주파수 변환기 방식은 크게 선형 증폭기 방식과 인버터 방식으로 나뉩니다. 두 방식 모두 교류 전류를 일단 직류 전류로 변환합니다.

이후 선형 증폭기 방식은 선형 증폭기를, 인버터 방식은 DC/AC 인버터를 이용하여 출력 전압과 주파수를 보정하여 교류 전원으로 출력합니다.

교류전원의 장점

교류전원의 장점은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.

1. 쉬운 변압

교류전원은 변압기의 권선비에 따라 쉽게 변압을 할 수 있습니다. 장거리 송전은 고전압으로 송전하여 손실을 줄일 수 있고, 수요처에 변압기를 설치하여 전력을 쉽게 가져갈 수 있습니다.

직류 전원을 사용해도 전압을 변환하는 것은 가능하지만, 컨버터 본체의 비용과 변환 시 시간이 오래 걸립니다. 이 전압을 조정하는 방법으로 송배전 설비 비용을 절감할 수 있다는 것이 교류전원의 가장 큰 장점입니다.

2. 회로 차단이 용이

교류전원은 플러스 전압과 마이너스 전압을 번갈아 가며 반복하는 것이 특징입니다. 만약 사고나 재해 시 전류를 일시적으로 차단하고 싶을 때, 전류가 0이 되는 순간을 이용해 차단함으로써 전기 계통이나 차단기 본체의 손상을 최소화할 수 있습니다.

교류전원의 기타 정보

교류전원의 발명

교류전원을 발명한 사람은 니콜라 테슬라라는 발명가입니다. 테슬라는 지금의 크로아티아 공화국에서 태어나 어려서부터 수학에 두각을 보였습니다.

그라츠 공과대학 재학 중 ‘그램 발전기(발전기와 모터의 기능을 모두 갖춘 직류 전류 발생 장치)’를 본 테슬라는 발전 방법의 개선에 대해 생각하게 됩니다. 그리고 5년 후, 세계 최초로 교류 발전 장치인 ‘2상 교류 모터’를 발명하는 데 성공합니다.

이후 테슬라는 교류에 대한 생각을 발전시켜 직류로 유명한 토마스 에디슨의 밑에서 일하게 됩니다. 하지만 직류 전류의 발명가인 에디슨은 테슬라가 발명한 교류 전류에 대해 부정적이었습니다.

두 사람 모두 자신이 발명한 전류의 유용성과 안전성을 어필했고, 이후 ‘직류의 에디슨 vs 교류의 테슬라’라는 구도가 형성되었습니다. 이 대립 끝에 테슬라의 교류가 대중적으로 인정받았고, 오늘날 교류는 없어서는 안 될 존재로 자리 잡았습니다.

마이크로 펌프란?

마이크로 펌프는 작고 정밀한 펌프를 말합니다.

미세한 액체를 제어하거나 조작하기 위한 장치로 분석기기 및 의료, 바이오, 나노기술 분야에서 사용되고 있습니다. 마이크로펌프는 기계적인 동력 메커니즘을 필요로 하는 기계식과 물리적 외력에 의해 구동되는 비기계식으로 구분할 수 있습니다.

마이크로 펌프의 사용 용도

마이크로 펌프는 정밀기기, 의료기기, 바이오기기, 나노기술 등에서 사용되고 있습니다. 또한 소형화되는 기기에서 중요한 역할을 하고 있습니다.

예를 들어, 의료 기기에서는 인공 심장에 내장된 인슐린 주입, 인공 신장 등에 사용됩니다. 그 외에도 희귀 화학물질을 이용한 실험에서 약품 제어 등 다양한 분야에서 활약할 수 있는 성능을 겸비한 것이 특징입니다.

일반적으로 판매되는 마이크로펌프는 기계 구동식 전압식 마이크로펌프입니다. 그러나 사용 용도에 따라 비기계식 마이크로펌프도 활용하는 등 용도에 따라 구분하여 사용해야 합니다.

마이크로 펌프의 원리

마이크로 펌프는 주로 펌프 헤드와 드라이버로 구성됩니다. 펌프 헤드는 유체를 이송하는 부품으로 일반적으로 실리콘으로 만들어집니다. 드라이버는 펌프 헤드를 움직이는 부품으로, 일반적으로 전기 신호로 제어됩니다. 그 외에도 제어 회로와 전원 공급 장치 등의 전자 부품이 필요합니다.

또한 압력차를 이용한 압력 구동형 펌프부터 비기계식 광 구동 마이크로 펌프, 나노 모터로 작동하는 마이크로 펌프, 모세관 현상을 이용한 마이크로 펌프까지 다양합니다.

1. 압력 구동형 펌프

펌프 안팎의 압력차를 이용하여 액체를 이동시키는 압력 구동식 펌프는 압력차를 이용하여 액체를 이동시키는 펌프의 일종입니다. 액체를 밀어내기 위해 펌프 내부의 압력을 높여 외부의 낮은 압력으로 액체를 빨아들이는 힘을 만들어 냅니다.

압력 구동식 펌프는 높은 정밀도와 신뢰성을 가지고 있으며, 다양한 용도에 따라 다양한 종류가 존재하는 것도 특징입니다. 예를 들어, 고압을 처리하도록 설계된 펌프와 미세한 액체를 이송하는 데 적합한 마이크로 펌프 등이 있는데, 구조가 비교적 간단하여 제조 비용이 저렴하고 다양한 용도에 적합합니다.

2. 광 구동식 마이크로 펌프

광구동형 펌프는 빛 에너지를 이용하여 액체를 이동시키는 펌프의 일종입니다. 빛을 비추면 액체 표면에 발생하는 광압을 이용해 액체를 이동시킵니다. 주로 바이오 분야에 활용되고 있으며, 미세한 유로 내에 액체를 이송할 수 있습니다.

그러나 광 구동형 펌프는 광원이 필요하기 때문에 외부의 영향을 받기 쉬우며, 광원의 빛의 세기나 방향에 따라 성능이 달라질 수 있습니다.

3. 나노모터식 마이크로 펌프

나노모터식 마이크로펌프는 세포 내 에너지를 기계적 운동으로 변환할 수 있는 나노모터를 이용해 액체를 이송하는 구조를 가진 펌프이다. 자기장이나 전기장 등의 에너지 원에 의해 구동되며, 매우 작은 공간에서도 작동할 수 있습니다.

4. 모세관 현상식 마이크로 펌프

모세관 현상식 마이크로 펌프는 미세한 유로 내에서 모세관 현상을 이용하여 액체를 이송하는 펌프이다. 미세한 유로 내에 미세한 튜브를 설치하고 그 내부에 액체를 주입합니다.

가는 관을 구부리면 관 내벽과 액체의 표면장력이 작용하여 액체가 상승하는 방향으로 이동하는 원리를 이용합니다. 이를 통해 미세한 유로 내의 액체를 이송할 수 있습니다.

마이크로 펌프의 특징

마이크로 펌프의 가장 큰 특징은 소형화입니다. 이 펌프는 매우 작은 유로에서 유체를 이동시킬 수 있습니다. 이러한 소형화로 인해 마이크로 유체 연구, 미세한 바이오칩 개발 등 다양한 마이크로 스케일 애플리케이션에 활용되고 있습니다.

또한, 마이크로 펌프는 저렴한 비용으로 제조할 수 있습니다. 이는 펌프에 필요한 부품의 수가 적고 제조가 비교적 용이하기 때문입니다. 따라서 대량 생산이 가능하여 의료 및 생물학 등의 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

촉각센서란?

촉각 센서 (영어: Tactile sensor) 는 인간의 촉각을 모방한 센서를 말합니다.

사용되는 센싱 장치는 접촉면의 압력과 진동을 전기적 신호로 변환하는 센서로, 이 센서의 작동을 인간의 촉각을 모방하기 위해 센서 기술 주변을 포함한 다양한 기술적 노력이 이루어지고 있습니다. 또한, 촉각 센서는 온도에 대한 민감도 등 여러 정보와 통합되어 섬세한 대상의 질감을 추정하는 기능을 갖춘 것도 있습니다.

촉각은 대상의 성질, 질감을 평가하는 기능에 그치지 않고, 적절한 힘으로 물건을 잡거나 펜을 쥐고 글씨를 쓰는 등 사람의 기본 동작에 중요한 역할을 하기 때문에 로봇기술의 발전에 필수적 입니다.

촉각 센서의 사용 용도

촉각 센서는 의료 진단이나 로봇에 활용되거나 산업 분야에 응용되고 있습니다.

하지만 최근에는 VR (Virtual Reality: 가상현실) 로 대표되는 게임 공간이나 메타버스 분야로의 적용도 Haptics라는 촉각 기술의 총칭으로 많이 기대되고 있습니다.

1. 촉각 센서의 의료 적용

대상의 경도를 평가할 수 있기 때문에 유방암이나 전립선암에서 발생하는 ‘덩어리’의 존재를 민감하게 파악할 수 있어 암의 조기 발견에 기여하고 있습니다. 또한, 표면의 거칠기로 인한 거칠기를 평가하여 피부염, 건피증 등의 정량적 평가에 활용되고 있습니다.

2. 촉각 센서의 로보틱스에의 응용

로봇공학에서는 손가락을 모사한 센서 개발을 통해 로봇 손용 센서로 그립력 조정을 위한 정보를 제공합니다.

3. 촉각 센서의 산업 분야 적용

산업에서는 제품의 텍스처를 모니터링하여 품질 관리에 도움을 줄 수 있습니다.

4. VR을 위한 Haptics

VR (Virtual Reality: 가상현실) 세계에서는 3D용 고글 등은 이미 상용화되어 있는데, 이 VR에 슈트나 장갑을 착용하고 촉각 센서를 탑재하여 VR 세계에서 보다 현실감 있는 세계를 재현하기 위한 어플리케이션 적용이 이루어지고 있습니다.

촉각 센서의 원리

촉각 센서는 물체와의 접촉력을 전기량으로 변환하기 위한 다양한 물리현상을 활용하고 있으며, 변환 장치 (센서: 소자) 를 중심으로 구성되어 있습니다. 이러한 전기 신호는 신호-정보처리 회로를 통해 분석된다. 이 센서에는 원칙적으로 다양한 감지 방식을 채택할 수 있습니다.

예를 들어, 전도성으로 끼워진 공간의 압력 변화에 따른 정전 용량을 감지하는 방법이 있습니다. 용도에 따라 다르지만, 일반적으로 센서 소자로 압전 세라믹스 소자 (PZT: 지르콘산티타늄산납) 를 사용하는 경우가 많습니다. 압전 세라믹스 소자는 피에조 소자라고도 불리며, 압력을 가하면 전압 변화를 일으키는데,이를 압전 효과라고 합니다.

압전소자의 고체 결정 내 이온의 배열이 압력을 가함으로써 결정의 한쪽 끝은 양전기를 띠고 다른 쪽 끝은 음전기를 띠는 전기분극 현상이 일어납니다. 압력의 정보나 진동의 주파수 정보가 압전소자에 의해 전기신호로 변환되어 ASIC 등으로 구성된 아날로그-디지털 각각의 처리회로를 통해 촉각의 정보로 변환할 수 있습니다.

또한, 광학적인 원리로는 센서 내부의 광도파로의 산란광 변화를 감지하여 센서 표면에서 물체의 접촉 위치를 파악할 수 있습니다.

촉각 센서에 대한 기타 정보

1. 촉각 센서 시장

촉각 센서의 시장 규모는 2019년 82억490만 달러에서 2025년까지 160억8380만 달러에 달할 것으로 예측됩니다.

촉각 센서는 사람과 협업할 수 있는 로봇의 발전을 뒷받침하는 중요한 요소 중 하나 입니다. 실례로 미국 MIT에서 개발 중인 로사이클 (RoCycle) 이라는 로봇은 재질을 식별하는 촉각 센서를 로봇 손에 내장해 종이, 플라스틱, 금속을 인식하고 분별할 수 있도록 연구가 진행되고 있습니다.

한국 포항공대에서는 나노 스프링 등을 이용해 미세한 압력과 진동을 감지할 수 있는 인공지문 센서 개발이 진행되고 있습니다. 개발 성과로 촉각 센서로 얻은 정보를 기계학습으로 분석해 99.8%의 정확도로 8가지 섬유를 구분하는 데 성공했다고 발표했습니다. 촉각 센서의 정확도가 높아짐에 따라 앞으로 로봇 산업을 중심으로 수요가 더욱 늘어날 것으로 예상됩니다.

2. MEMS 촉각 센서

MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 는 센서, 전자회로 등을 미세 가공 기술을 통해 기판 위에 집적화한 소자를 말합니다.

최근에는 MEMS 기술을 이용한 초고감도 촉각 센서가 주목받고 있습니다.

• 가가와대학교 다카오 연구실 연구 결과는 여기.

3. Haptics 분야로의 전개

VR의 세계뿐만 아니라, 햅틱은 다양한 생활 속 분야로 그 응용이 확대되고 있습니다. 예를 들어, 스마트폰 화면의 홈 버튼, 전기차 계기판의 내비게이션 시스템, 전자 인증을 위한 터치펜, PC의 키보드 등입니다.

이러한 분야에서는 얼마나 작고, 가볍고, 얇고, 실감나는 촉각 센서를 구현할 수 있는지가 촉각기술의 관점에서는 매우 중요한 요소입니다. 이를 위해 각 업체들은 최첨단 MEMS 기술, 압전 소자 기술, 애플리케이션 소프트웨어 개발에 박차를 가하고 있습니다.

FFT 분석기란?

FTT(Fast Fourier Transform) 분석기는 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하는 분석 기기입니다.

기계나 건물에는 다양한 진동이 발생하는데, FFT 분석기를 사용하면 진동의 발생 원인과 저감 방안을 찾아낼 수 있습니다.

FFT 분석기의 사용 용도

FFT 분석기의 주요 사용 용도는 기계나 설비, 건축물의 진동 분석입니다. 측정 대상물에 가속도 픽업을 부착하여 전기 신호로 변환하여 FFT 분석기에 입력한 후 연산 처리를 통해 주파수 성분을 분석합니다.

기계나 건축물이 발산하는 진동 및 공진 주파수를 확인하여 피로 고장이 발생하지 않도록 구조물을 보강하거나 진동을 억제하는 것도 가능합니다. 또한, 모터의 회전 불균형을 검출하는 것도 용도 중 하나입니다. 모터가 회전할 때 발생하는 진동을 FFT로 분석하면, ‘모터의 회전축 (로터) 이 진동하는 것인지’, ‘기어나 베어링이 진동하는 것인지’ 등 진동 발생 요인을 파악할 수 있습니다.

이외에도 음성 분석에도 FFT가 활용되고 있습니다. 사람이나 악기가 내는 소리의 영역을 확인하거나, 소음을 주파수 분석하여 어떤 장소, 설비에서 발생하는지 확인한다. 이 경우 마이크를 이용해 음성을 증폭기에 통과시켜 신호 변환 및 증폭을 통해 FFT 분석을 합니다.

최근에는 사무기기나 가전제품 등의 개발 영역도 FFT가 활용되는 분야입니다. 예를 들어, 제품의 정숙성 평가나 소음 원인 및 대책 방안을 검토하는 데 사용됩니다. 저주파 신호에 대한 잡음원 식별에도 사용되기 때문에 주파수 신호를 다루는 제품의 잡음 대책에도 활용 및 응용되고 있습니다.

FFT 분석기의 원리

고속 푸리에 변환 (FFT) 은 프랑스의 수학자 Fourier가 제안한 푸리에 급수 이론을 기반으로 합니다. 푸리에 급수 이론은 어떤 복잡한 파형이라도 주기성을 가지고 있다면 단순한 사인파(sin파), 코사인파(con파)의 급수로 표현할 수 있다는 이론으로, 이 급수의 개념을 확장한 것이 푸리에 변환입니다.

일반적으로 실제로 측정하고자 하는 신호는 어디까지 측정하면 주기성이 있는지는 알 수 없습니. 그래서 푸리에 변환에서는 관찰되는 파형에서 적당한 시간만큼을 잘라내고, 잘라낸 파형이 무한히 반복되는 신호라고 가정합니다. 푸리에 변환 초창기에는 푸리에 변환을 계산하기 위해 엄청난 횟수의 곱셈이 필요했습니다.

그러나 J.W.Turkey와 J.W.Cooley에 의해 데이터 수를 2의 n제곱으로 계산하여 계산 횟수를 줄이는 방법이 제안되었습니다. 예를 들어, 데이터 수를 1024로 하면 1024×1024=1,048,576번의 계산이 10,240번으로 줄어듭니다. 이 방법을 고속 푸리에 변환 (FFT) 이라고 부르며, FFT는 그 머리글자를 딴 것입니다.

일반적인 파형은 진폭과 주파수 (또는 주기), 위상 (시간차) 의 세 가지 파라미터로 표현할 수 있습니다. 이 원리에 FFT를 적용하여 FFT 분석기를 사용하면 시간을 가로축으로 한 입력 파형 신호가 가로축은 주파수, 세로축은 각 주파수에서 파형의 진폭을 나타내는 그래프로 변환됩니다.

FFT 분석기 기타 정보

1. FFT 분석기와 스펙트럼 분석기의 차이점

FFT 분석기와 스펙트럼 분석기의 차이점은 우선 처리할 수 있는 주파수 영역이 다르다는 것 입니다. FFT 분석기는 DC~100kHz까지의 저주파수 신호를 처리한다. 반면 스펙트럼 분석기가 다루는 주파수 범위는 10kHz~10GHz로 매우 넓은 영역입니다.

최신 기종은 DC~50GHz까지 대응할 수 있는 제품도 있습니다. 또한, 사용법의 차이점으로는 FFT 분석기는 어떤 주파수 성분을 가지고 있는지 모르는 경우에 사용하는 반면, 스펙트럼 분석기는 알려진 고주파 신호(휴대폰이나 와이파이 발신기)의 주파수 성분 분석에 사용하는 장비입니다.

또한, 장비의 구조에서 양자의 차이점을 살펴보면, 기존 스펙트럼 분석기는 아날로그 회로로 구성된 반면, FFT 분석기는 AD 컨버터에 의해 얻어진 파형을 디지털화한 후 고속 푸리에 변환 처리를 통해 주파수의 강도 분포를 산출합니다.

측장기란?

측장기는 이름 그대로 길이를 측정하는 기기입니다.

현재는 빛의 속도를 기준으로 단위 시간 동안 빛이 이동하는 거리로 길이를 정의합니다. 길이를 측정하는 방법은 직접법과 간접법으로 구분됩니다.

• 직접법
  일반적으로 많이 사용되는 자, 줄자, 줄자, 캘리퍼스, 마이크로미터 등을 사용하여 표준 길이나 눈금, 눈금과 비교하여 길이를 측정하는 방법입니다.
• 간접법
  길이와 관련된 다른 물리량을 이용하거나 전기적, 광학적인 방법을 이용하여 길이를 측정하는 방법입니다.

대부분의 경우 직접법으로 길이를 측정할 수 있지만, 길이가 긴 구조물이나 미크론 단위의 미세한 대상물인 경우 표준 길이(스케일)를 준비하기 어렵기 때문에 간접법을 사용하는 경우가 있습니다. 또한, 형태가 복잡하거나 손이 닿지 않는 경우, 또는 접촉이 불가능한 대상물의 경우에도 간접법을 사용합니다.

측장기의 사용 용도

측장기는다양한 분야에서 사용되고 있으며, 용도에 따라 최적의 제품을 선택해야 합니다.

• 수 mm~수십 mm로 손바닥이나 탁상 위에 올려놓을 수 있는 크기의 것: 자나 캘리퍼스
• 수백mm~수십mm로 다소 크고 긴 것: 줄자 등
• 완성도가 μ 단위의 정밀도로, 완성도를 현미경으로 관찰할 수 있는 것: 마이크로 미터
• 야외에서 수m~수십m 거리: 광학적인 방법(삼각측량, 레이저 측량기)
• 렌즈나 반도체 웨이퍼 등 정밀 산업 제품의 미세한 요철 측정: 레이저 간섭계

또한, 빛이나 촉침으로 접근할 수 없는 대상의 내부를 측정하기 위해서는 X-선 CT 등의 기술이 계측에 적용되고 있습니다. 또한, 나노기술 산업에서는 나노미터 단위의 측정이 필요하기 때문에 주사형 전자현미경이 응용된 방식으로 측정됩니다. 간편한 용도로 최근에는 스마트폰 카메라로 길이를 측정하는 앱이 개발되는 등 이미지 분석을 통한 길이 측정법도 개발되고 있습니다.

측장기의 원리

1m의 정의는 ‘1초의 1/299,792,458의 시간 동안 빛이 진공 속을 통과하는 길이’입니다. 이를 기반으로 한 미터 원기가 길이의 기준이 되고 있습니다. 원칙적으로 직접법은 이 미터 원기와의 비교입니다.

길이의 정의에 기반한 측정 원리로는 빛의 비행시간 (time of flight: ToF) 을 측정하는 방법이 있습니다. 빛이 매우 빠르기 때문에 고도의 전자 기술이 필요합니다. 현재 많은 레이저형 장비 (ToF) 에서는 강도 변조된 입사광과 반사광의 위상차를 기반으로 한 측정법이 일반적으로 사용되고 있습니다.

이는 정의상 진공 상태에서의 빛의 거동이기 때문에 실제로는 공기의 굴절률에 의한 보정이 필요합니다. 레이저 간섭계에서는 레이저 광의 간섭 현상을 이용한 측정 방법을 채택하고 있습니다.

동일한 레이저 조사에 대한 기준면으로부터의 반사광과 측정면으로부터의 반사광을 간섭시키면 발생하는 간섭무늬를 분석하여 측정면의 기준면으로부터의 거리를 nm 단위로 측정할 수 있습니다. 몇 가지 측장기를 예로 들었지만, 방법은 매우 다양합니다.

측장기의 기타 정보

1. 측장기 사용법

많은 측장기에서 채택하고 있는 수평형 측정기는 침대와 침대 위를 이동하는 표준척을 내장한 왕복대, 표준척을 관찰하는 측미현미경, 피검체를 일정한 측정력 하에 두는 측정면, 그리고 피측정물을 지지하는 측정대로 구성되어 있습니다. 이 수평형 측정기에는 아베의 원리를 만족하는 구조와 에펜슈타인의 원리를 만족하는 구조가 알려져 있습니다.

아베의 원리를 만족하는 구조를 가진 수평형 측정기에서는 베드의 비직진성에 따른 왕복대의 측정축선으로부터의 각도 편차에 의한 측정 오차를 무시할 수 있도록 피측정물의 측정축선과 표준척의 눈금면과 동일선상에 배치하여 측정이 이루어집니다.

한편, 에펜슈타인의 원리를 만족하는 구조를 가진 수평형 측장기에서는 베드의 비직진성에 따른 측정오차를 없애기 위해 피측정물의 측정축선과 표준척이 떨어져 있을 때의 그 거리와 표준척용 대물렌즈의 초점거리와 동일하도록 구성하고 렌즈의 초점면을 표준척 상에 광학적으로 배치함으로써 측정이 이루어집니다. 에 광학적으로 배치하여 측정이 이루어집니다.

2. 레이저 측장기

레이저 측정기는 피측정물에 레이저광을 조사하여 그 반사광을 이용하여 피측정물의 거리를 측정합니다. 레이저 측정기는 측정하는 거리에 따라 ‘변위 센서’, ‘거리 센서’라고 부릅니다.

• 변위 센서
  근거리(수십mm~수백mm)의 범위를 미크론 단위로 측정하는 측정기입니다.
• 거리 센서
  장거리(수 mm~수 m)의 범위를 밀리미터 단위로 측정하는 길이 측정기입니다.

위 측장기의 측정 방법으로는 ‘삼각측량 방식’과 ‘시간 비행 방식 (time of flight: ToF) ‘이 알려져 있습니다.

삼각측량 방식
반사광을 바탕으로 삼각측량의 원리로 측정하는 측정 방법이며, 측장기는 발광 소자와 수광 소자로 구성되어 있습니다. 발광소자에는 반도체 레이저가 사용됩니다. 측정 방법은 반도체 레이저에서 투광 렌즈를 통해 집광된 레이저 빛이 피측정물에 조사됩니다. 피검체에 조사된 레이저 광의 확산 반사의 일부는 수광 렌즈를 통해 수광 소자 위에 스폿 상을 맺습니다. 결상된 스폿의 위치를 검출, 연산하여 피검체까지의 변위량을 측정할 수 있습니다.

수광 소자에 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor: 상보형 금속 산화물 반도체) 를 사용하는 것을 CMOS 방식, 수광 소자에 CCD (Charge Coupled Device: 전하 결합 소자) 를 사용하는 것을 CCD 방식이라고 합니다. 방식이라고 합니다.

타임 오브 플라이트 방식 (time of flight: ToF)
조사광이 피검체에서 반사되어 수광부에서 수광할 때까지의 시간을 측정하여 거리를 측정하는 방식입니다. 이 방식에는 투광 파장과 수광 파장 사이에 발생하는 위상차를 이용하는 ‘위상차 거리 방식’과 일정한 펄스 폭을 가진 레이저를 투사하는 ‘펄스 전파 방식’이 알려져 있습니다.

네트워크 분석기란?

네트워크 분석기 (영어: Network analyzer) 는 시험 대상 (DUT; device under test) 의 회로망 특성을 평가하는 장비를 말합니다.

구체적으로는 DUT에 입력되는 신호의 감쇠나 임피던스를 측정할 수 있습니다. 특히 전자부품 등의 고주파 특성을 평가할 수 있기 때문에 전송장치를 비롯해 폭넓은 응용 범위가 있습니다.

네트워크 분석기의 출력은 S 파라미터 (scattering parameter) 로 표현되며, S 파라미터에 정의된 물리량은 순방향 반사 (S11), 순방향 전송 (S21), 역방향 전송 (S12), 및 역방향 반사 (S22)입니다.

네트워크 분석기의 사용 용도

네트워크 분석기는 크게 스칼라 네트워크 분석기와 벡터 네트워크 분석기 (VNA) 로 나뉘는데, 그 중 진폭 정보뿐만 아니라 위상 정보까지 얻을 수 있는 벡터 네트워크 분석기 (VNA) 의 사용 범위가 더 넓습니다.

네트워크 분석기의 장점인 고주파에 대한 응용을 이용하여 고주파 증폭기의 정합 회로 개발 등에 활용되고 있습니다. 여기서 증폭기, 안테나, 필터 각각의 정확한 S-파라미터를 바탕으로 설계가 이루어집니다.

고주파를 다루는 회로망에서 각 디바이스나 케이블 등의 전송로의 임피던스 불일치는 전력 손실이나 신호 왜곡의 원인이 되기 때문에 임피던스 매칭 평가에도 활용되는 경우가 많습니다.

네트워크 분석기의 원리

네트워크 분석기는 신호원과 신호 분리기, 방향성 결합기 및 최소 3개의 수신부를 갖추고 있습니다.

• 신호원
  신호원은 시스템에 신호를 공급하는 역할을 하며, 신시사이저에 의해 공급됩니다.
• 신호 분리기
  신호 분리기에는 저항에 의한 스플리터가 사용되며, 입력 신호는 회로 신호와 수신기 (기준 신호 R) 로 분리 됩니다.
• 지향성 커플러 (directivity coupler)
  지향성 커플러는 입력파와 반사파를 분리하고, 반사파는 수신기에서 측정됩니다 (기준 신호 A).

DUT의 출력은 세 번째 수신기에서 측정됩니다 (전송 신호 B). 신호의 비교를 통해 평가가 이루어지며, 예를 들어 S11은 A/R, S21은 B/R로 정의됩니다.

또한, 네트워크 분석기의 고정밀 측정은 정확한 교정을 통해 보장됩니다. 교정은 미리 특성을 알고 있는 표준기를 사용하여 이루어 집니다. 일반적으로 사용되는 교정법은 SOLT법이라고 불리는 단락 (short), 개방 (open), 정합부하 (load) 가 가능한 표준기와 기준면을 결합한 직결 (thru)에서의 측정으로 교정하는 방법입니다.

매우 정밀한 측정을 위해 커넥터 조임 토크, 환경 온도, 입력 신호 및 케이블의 안정화 등 다양한 관점에서 측정 오차가 발생하지 않도록 유의해야 합니다.

네트워크 분석기의 기타 정보

1. 네트워크 분석기의 기초 지식

네트워크 분석기는 다른 말로 회로망 분석기라고 합니다. 네트워크 분석기에는 벡터 네트워크 분석기 (VNA) 와 스칼라 네트워크 분석기가 있는데, 요즘은 벡터 네트워크 분석기가 많이 사용되고 있습니다.

네트워크 분석기에는 S 파라미터라는 전송이나 반사 측정에서 진폭의 변화를 측정하는 방법이 있는데, S 파라미터는 S 행렬이라고도 불리며, 정의로서 번호 매기는 방법이 존재합니다. 번호 매기기는 ‘Sij i=출력 포트, j=입력 포트’로 되어 있으며, S11이라면 포트 1에 입사한 신호가 포트 1로 전송되는 신호의 측정을 의미하고, S12라면 포트 2에서 입사한 신호가 포트 1로 전송되는 측정을 의미합니다.

S 파라미터의 측정에는 VNA 측정기를 이용하여 측정이 가능합니다. 하지만 VNA는 측정 전에 몇 가지 교정 방법을 이용하여 교정을 해야 합니다.

VNA의 교정은 표준기 3개를 사용하여 교정하는 방법이 기본적인 방법입니다. 교정 방법으로 널리 알려진 방법으로는 앞서 언급한 SOLT 교정법, UnKnown Thru 교정법, TRL 교정법 등이 있습니다.

2. 임피던스 측정에 대하여

임피던스는 전자회로나 전자부품, 전자재료의 특성평가에 사용되는 중요한 파라미터로, 일부 주파수에서 회로 등에 흐르는 교류전류를 방해하는 양입니다. 임피던스 측정 방법에는 여러 가지 종류가 있으며, 각각 장단점이 있습니다.

측정에 필요한 주파수 범위와 임피던스 측정 범위의 측정 조건을 고려하여 측정 방법을 선택해야 한다. 측정 방법에는 브리지법, 공진법, I-V법, 네트워크 분석법, 시간영역 네트워크 분석법, 자동 평형 브리지법 등이 있습니다.

그 중 브리지법을 예로 들어 설명하겠습니다. 브리지법의 장점은 높은 정확도 (0.1% 정도) 와 여러 대의 측정기로 넓은 주파수 범위를 커버할 수 있고, 저렴한 비용으로 측정할 수 있다는 점입니다. 반면 단점으로는 밸런스 조작이 필요하고 한 대로는 좁은 주파수 범위만 커버할 수 있다는 점입니다. 브리지 방식의 측정 주파수 범위는 DC에서 대략 300MHz까지입니다.

3. 주파수 확장 추세

네트워크 분석기의 최대 주파수 확장은 현재 서브 테라헤르츠 대역 (220GHz) 까지 확장되고 있습니다. 이는 차세대 통신 표준인 6G가 D-band라고 불리는 140GHz 대역이 사용될 가능성이 높을 것으로 예상되기 때문입니다.

하지만 서브테라헤르츠 대역은 주파수가 높기 때문에 전기장 오차나 기생 소자의 영향을 받기 쉬워 RF 프로브와 케이블을 포함한 총체적인 캘리브레이션의 정확도가 매우 중요합니다.

현실적으로 한번에 교정 가능한 주파수 범위도 한정되어 있는 경우가 많으며, 교정 간 연결 데이터 처리, 밀리미터파 대역 전용 주파수 익스텐더의 추가 등 사용하기 쉬운 측정기를 목표로 각 제조사들이 개발 경쟁에 뛰어들고 있습니다.

4. 변조 전력 평가 기능 등의 추가

네트워크 분석기는 DUT의 임피던스 평가나 S 파라미터라는 소신호를 다루는 평가가 일반적인 측정기이지만, 최근에는 변조 분석이나 대신호 평가와 소신호 평가 분석이 세트로 이루어지는 경우가 많기 때문에, 네트워크 분석기에서 기존의 스펙트럼 분석기에서 주로 취급하는 변조 분석이 가능한 기종도 점차 출시되고 있는 상황입니다.

앞으로 네트워크 분석기는 단순히 임피던스나 S-파라미터 평가에 그치지 않고, 스위치, 필터, 고주파 (RF) 증폭기, LNA (저잡음 증폭기) 등 다양한 RF 프론트엔드 평가를 위해 대신호 분석, 변조 분석 등 다양한 용도로 활용될 것입니다.

고전압 전원 장치란?

고전압 전원 장치란 전원 장치 중 특히 고전압을 다루는 장치를 말합니다.

고전압은 일반적으로 수천 볼트 (볼트: 전압의 단위) 에서 수만 볼트이상의 전압을 말하며, 전력회사에서 송전하는 전압은 6.6kV 이상이지만, 전기설비기술기준의 정의는 교류 600V (직류 750V) 이상의 전압을 고전압으로 정의하고 있습니다.

우리가 일상생활에서 사용하는 가전제품은 AC100V 또는 200V로 전압이 낮습니다. 이는 전력회사의 발전설비에서 각 가정으로 송전되는 전원 전압이 AC100V 또는 200V를 표준으로 하고 있기 때문입니다.

일반적인 전원 장치는 AC100V나 200V이지만, 사용 조건에 따라 고전압을 발생시키고자 하는 기기도 있습니다. 구체적으로 전원 전압 이상의 고전압이 필요한 기기나 고전압에 대한 내전압 시험을 하기 위한 기기입니다. 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 일반 사용자가 사용하는 전원 전압 이상의 고전압을 발생시키는 컨버터가 필요합니다. 이때 사용되는 것이 바로 고전압 전원장치입니다.

고전압 전원장치의 사용 용도

고전압 전원장치의 사용 용도는 주로 고전압이 필요한 제품의 동작이나 내압 시험 등에 사용됩니다.

고전압이 필요한 장비로는 자동차 차체나 건축자재 등의 도장용 장비, 금속, 플라스틱 등의 표면처리용 장비, 방사선 치료나 엑스레이에 사용되는 X-선 방사선 장치, 전자현미경 등을 들 수 있습니다.

내압시험은 전선 등 산업용 전기기기에 대해 실시합니다. 전기제품 등은 전기용품안전법 (통칭: 전안법) 이라는 일본 전기 관련 안전성을 담보하기 위한 법률에 의해 제품 출하 시 1500V를 1분 또는 1800V 1초라는 제품 내압시험과 절연 내압 실시가 의무화되어 있습니다. 따라서 고전압 전원장치 설비 도입은 필수입니다. 또한, 고전압 및 특고압 전기 취급자 자격 취득을 위한 실습 등에 활용되고 있습니다.

고압 전원장치의 원리

고압 전원장치는 말단에 송전되는 일반 교류전원을 입력받아 이를 고전압으로 출력하는 컨버터로 구성되어 있습니다. 컨버터는 전력회사에서 송전되는 교류전원 전압을 정류기라는 다이오드를 사용한 회로에서 직류전압으로 바꾸고, 전해 콘덴서로 전압을 평활화하는 장치 (유닛) 를 말합니다.

그러나 단순히 컨버터 유닛을 사용하는 것만으로는 100V나 200V이기 때문에 낮은 전압으로 평활화된 직류 전압이 출력될 뿐, 원래 원하는 10배나 100배 이상의 고전압을 얻을 수 없습니다. 단순히 승압 변압기의 권선비로 승압하는 것은 가능하지만, 이것은현실적으로 한계가 있습니다.

고전압을 얻기 위해 다이오드와 커패시터를 조합한 콕크로프트-월튼 회로를 사용합니다. 커패시터의 축전 능력과 다이오드의 정류 작용을 이용한 방법입니다. 교류의 한 방향의 입력에 대해 커패시터가 축전된 후, 역방향의 전류가 흐를 때 승압되는 구조입니다.

이 회로 방식은 앞서 설명한 정류기를 이용한 회로를 겹겹이 쌓아 전압을 올리는 방법으로 일반적으로 사용되고 있으며, 기술자들 사이에서는 배전압 회로 또는 고전압 발생 회로 등으로도 불리고 있습니다. 전압의 상승은 짝수 배로 증가하기 때문에 홀수 배의 승압은 불가능합니다. 적절한 고전압 다이오드와 세라믹 커패시터의 조합을 통해 1kV 이상의 고전압을 얻을 수 있습니다.

고전압 전원 공급 장치에 대한 추가 정보

1. 고압 전원 모듈

고전압 전원 모듈은 대체로 1kV 이상의 고전압을 공급할 수 있는 고전압 대응형 전원 장치입니다.

특히, 저소음과 신뢰성을 확보하면서 고효율화를 통한 다운사이징을 실현한 기술력으로 유명한전원장치 제조업체가 물량 및 사용 편의성 향상으로 저가를 실현하여 범용 제품으로 모듈화한 고전압 출력형 전원장치 모듈입니다.

고압 전원 모듈의 주요 제조사 및 제품으로는 베르닉스 OHV 시리즈 외, 아메리칸 하이볼티지 TCR 시리즈 외, 마츠다테츠 프레시전 GP 시리즈 외, 제너럴 물산 HitekPower, 다카사고제작소 TMK형 시리즈, 하마마츠 포토닉스 C14051 시리즈 등이 있습니다. 원래의 고전압에 더해 출력전류도 증가하면 할수록 그 모듈의 크기가 커지기 때문에 실제 사용하는 부하의 사용에 따라 그 여유도와 온도 상승 및 절연 내압 확보에 유의하여 선정해야 합니다.

2. 고전압 전원 공급 장치 기판

고전압 전원 공급 장치의 기판은 고전압이기 때문에 고전압 회로에 사용되는 기판에 대한 주의 사항이 있습니다. 전압이 높아질수록 기판의 절연 거리가 충분히 확보되는 것이 표준으로 요구되기 때문입니다. 고전압은 에너지가 크기 때문에 작업 중 심각한 감전사고가 발생할 가능성이 커지기 때문에 안전을 확보하기 위해 기판의 연면거리와 절연거리, 안전 접지 설치 등 내전압과 감전에 대한 안전조치를 취해야 합니다.

실제로 일본 내에서는 전기용품안전법 (통칭: 전안법), 국외에서는 IEC 표준을 대표로 하여 이에 준거하는 국가별 규격에 따라 기판 상에 있는 전도성 동박 패턴 간 절연 거리를 확보한 기판 패턴 설계가 절대적으로 필요합니다. 이를 준수하지 않을 경우 법 위반으로 벌금 등의 처벌 대상이 되며, 처벌을 받을 뿐만 아니라 사회적 신용 자체가 실추될 가능성도 있기 때문에 고압형 전원 기판에 관해서는 특히 그 기판 패턴의 절연 거리가 확실히 표준을 충족하고 있는지 여부가 매우 중요한 확인 포인트가 되며, 제조사측과 사용자측 모두 충분한 주의가 필요합니다.

레이저 다이오드란?

레이저 다이오드(영어: laser diode)는 반도체의 재결합 발광을 이용한 빛입니다.

재결합 발광은 전자가 빠져나간 구멍(정공)과 전자가 접합부에서 만나 서로가 가지고 있던 여분의 에너지가 빛이 되어 발광하는 것을 말합니다.

레이저 다이오드의 빛은 단일 파장으로 위상이 정렬된 레이저 빛으로, 반도체 레이저라고도 하며 LD라고 표기합니다. 반도체 레이저 빛의 색은 반도체의 구성 원소에 따라 결정됩니다. 예를 들어, InGaN은 자외선부터 녹색 (380~540nm), AlGaInP는 적색 (620~700nm), InGaAsP는 적외선이 됩니다. InGaN은 ‘GaN’, AlGaInP는 ‘GaAs’, InGaAsP는 ‘InP’로 표기 됩니다.

LED는 반도체 레이저와 마찬가지로 빛을 내지만, 반도체 레이저에 비해 빛의 위상과 파장의 폭에 차이가 있습니다. 즉, 반도체 레이저는 LED (발광 다이오드) 와 달리 ‘유도방출’이라는 원리에 따라 빛을 내기 때문에 위상이 정돈된 강한 빛을 발사할 수 있습니다.

레이저 다이오드의 사용 용도

레이저 다이오드는 가전제품에서 널리 사용되고 있습니다. 그 이유는 크기가 작고 대량 생산이 가능해 제조비용을 낮게 책정할 수 있기 때문입니다.

정보기기에서는 CD나 DVD, BD 등 광학 드라이브의 광픽업, 복사기나 레이저 프린터, 광섬유를 이용한 통신기기 등에 활용됩니다. 또한 고출력인 경우 레이저 마커, 레이저 가공기 등에도 이용되고 있습니다.

그 외에도 레이저 광이 잘 퍼지지 않고 먼 거리까지 도달하는 특성을 이용하여 측량 장비나 사물을 가리키는 레이저 포인터로도 활용되고 있으며, 저출력 적색 반도체 레이저 소자의 소형화, 저가격화와 함께 크게 보급되었습니다.

레이저 다이오드의 원리

레이저 다이오드는 전압을 가하면 정공(전자가 빠져나간 구멍)과 전자가 재결합하여 빛이 방출됩니다.

이때 방출된 광자가 방아쇠가 되어 또 다른 전자가 정공과 차례로 재결합하여 광자를 방출하기 때문에 발생된 빛은 같은 위상, 같은 파장의 빛이 됩니다. 빛의 파장이 항상 일정하기 때문에 바코드 판독기, 레이저 포인터, 광섬유 통신 등 일정한 광량을 필요로 하는 곳에 사용됩니다.

레이저 다이오드 기타 정보

1. 레이저 다이오드 사양

레이저 다이오드의 사양을 이해하기 위해서는 L/I 곡선을 이용합니다. 이 곡선을 통해 출력되는 광량에 대해 공급되는 구동 전류를 기록할 수 있게 됩니다.

이 곡선은 레이저의 동작점(정격 발광 출력에서의 구동 전류) 및 임계 전류(레이저의 발진 시작 전류)를 결정하는 데 사용되며, 특정 전류에서 높은 출력을 얻기 위해 필요한 전류를 결정하는 데에도 사용됩니다.

이 곡선을 보면 광 출력이 온도에 크게 의존하며, 온도가 상승하면 레이저 특성도 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 L/I 곡선을 도입하여 레이저 다이오드의 효율을 시각화하고 추정할 수 있게 되었습니다.

2. 레이저 다이오드와 발광 다이오드의 차이점

발광 다이오드는 빛의 위상이 맞지 않아 방사형으로 확산되는 것이 특징입니다. 반면 레이저 다이오드는 위상이 정렬되어 직선적인 광선이 됩니다.

발광 다이오드에서는 발광층의 면적이 넓기 때문에 코어계의 작은 파이버에 입사하기 어려운 특징이 있습니다. 반면, 레이저 다이오드는 발광층이 좁지만 코어계의 작은 광섬유에 입사하기 쉽다는 특징을 가지고 있습니다.

레이저 다이오드에서는 전압 인가 시 정공과 전자가 재결합하여 방출된 광자가 방아쇠를 당기고, 또 다른 전자가 정공과 차례로 재결합하여 광자를 방출(유도방출)합니다. 따라서 발생한 빛은 같은 위상, 같은 파장의 빛이 됩니다. 이에 반해 발광 다이오드에서 발생하는 빛은 위상과 파장이 다양한 빛이 됩니다.

3. 레이저 다이오드의 수명

레이저 다이오드의 평균 수명은 작동 환경(작동 온도, 정전기, 전원 서지)에 따라 다르며, 일반적으로 10,000시간으로 알려져 있습니다. 이 부분에서는 평균 수명에 영향을 미치는 작동 환경 요인 중 작동 온도에 대해 설명합니다.

먼저 작동 온도의 영향은 작동 온도가 10℃ 상승하면 수명이 절반으로 감소한다고 알려져 있으며, 최대 작동 온도 이상으로 상승이 지속될 경우 레이저 다이오드가 손상되거나 장기적인 성능이 저하될 가능성이 커지는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 발열로 인한 영향을 최대한 피하기 위해 제품 내부의 열을 외부로 배출할 목적으로 방열판을 사용하는 것이 좋습니다.