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RFID란?

RFID(radio frequency identifier)는 근거리 무선통신을 이용한 자동인식 기술의 총칭(개념)입니다.

리더기를 이용하여 전자 정보를 입력한 RF 태그를 비접촉식으로 여러 개를 동시에 읽을 수 있고, 정보의 입력, 지우기, 재입력을 모두 할 수 있다는 점이 바코드나 QR코드를 이용한 광학식 판독과 큰 차이점입니다.

다만, 리더기 설치는 현재로서는 아직 비용이 많이 들기 때문에 개인이 운영하는 음식점이나 상점에서는 도입에 어려움이 있습니다.

RFID의 사용 용도

RFID의 친숙한 사용 용도는 철도회사 등이 발행하는 교통계 IC카드나 선불형 IC카드 등입니다. 운전면허증에 내장된 IC칩도 RFID 태그이며, 위조 방지를 위해 이름, 생년월일, 현주소, 본적지, 얼굴 사진, 면허 종류, 면허증 번호, 면허 취득일 등의 정보가 기록되어 있습니다.

이 외에도 의류 제조업체나 유통, 의료 분야 등 대량의 데이터를 동시에 처리할 수 있는 편의성을 고려해 재고나 유통 상품의 다양한 정보 관리 도구로 활용되고 있습니다.

RFID의 원리

RFID는 근거리 무선통신을 활용하여 RF태그와 리더기와의 정보 교환 및 관리를 일괄적으로 할 수 있으며, RF태그 내에는 보통 메모리와 통신용 신호 송수신을 위한 안테나가 내장되어 있고, RF태그를 매개로 한 정보의 입출력은 이러한 안테나와 메모리를 통해 이루어집니다.

또한, RFID는 크게 패시브형과 액티브형으로 나뉘며, RF 태그 내에 배터리가 내장되어 있느냐 없느냐에 따라 차이가 있습니다.

1. 패시브형

패시브형은 리더기에서 발산되는 전파를 동작 전력으로 이용하며, RF 태그는 메모리에 입력된 정보를 전송한다. 정보 교환은 어디까지나 리더기의 응답이 기점이 됩니다.

2. 액티브형

액티브형은 배터리가 내장된 RF 태그가 능동적으로 정보를 발신하고 리더기가 이를 수신하는 방식이다. 읽은 정보는 컴퓨터에 저장되어 열람, 편집 등 관리할 수 있습니다.

위와 같이 RFID는 무선통신으로 비접촉식 판독이 가능하기 때문에 RF 태그와 리더기의 거리가 어느 정도 떨어져 있어도 정보 판독이 가능합니다. 또한, 여러 개의 태그를 동시에 읽을 수 있다는 점도 바코드 등 광학적으로 태그를 읽는 기술에는 없는 특징이라고 할 수 있습니다.

예를 들어, 의류 제조업체의 재고 관리에 도입할 경우, 옷을 한 벌씩 케이스에서 꺼내어 바코드로 읽을 필요가 없어집니다.

RFID에 대한 기타 정보

1. RFID의 가격

RFID를 사용하려면 RFID 태그와 리더기가 필요합니다. 과거에는 고가였던 RFID 태그의 가격도 최근 들어 하락세를 보이고 있으며, 저렴한 것은 1장당 10엔 정도부터 구입할 수 있습니다. 금속 판독이 가능한 태그의 경우 1장당 100엔 정도입니다.

RFID 태그의 보급에 따라 현재도 RFID 태그의 가격은 하락세를 보이고 있으며, 특히 패시브형을 중심으로 향후에는 1개당 1엔 정도까지 내려갈 것이라는 전망도 나오고 있습니다. 최근에는 편의점 상품 관리 등에 RFID를 도입하여 수발주 효율화 및 업무 비용 절감을 위한 시범적인 시도도 이루어지고 있으며, 이 가격(1엔 이하)은 경제산업성과 편의점 업체와의 RFID화 편의점 적용을 위한 합의 조건으로 제시된 바 있습니다.

리더는 성능에 따라 가격이 다르지만, 핸디형이라면 20만엔 정도, 물류창고에서 사용하는 게이트형이라면 수백만엔 정도가 가격대입니다. 제한된 성능의 리더기라면 1만원대부터 구매가 가능하지만, 판독 성능이나 단말기의 내충격성이 떨어지는 등 사용 용도가 제한적이라는 점에 유의해야 합니다.

또한, RF 태그 리더기와 함께 상품 관리 등의 소프트웨어를 세트로 판매하는 업체도 있습니다. 이 경우 비용은 도입하는 시스템에 따라 개별적으로 견적을 내야 합니다.

2. RFID의 이용 주파수와 규격

RFID는 이용하는 주파수에 따라 ‘LF대역(130KHz대)’, ‘HF대역(13.56MHz대)’, ‘UHF대역(900MHz대)’, ‘ISM대역(2.45GHz)’ 등으로 정의되어 있으며, 각 규격에 따라 전송거리와 통신의 안정성이 달라질 뿐만 아니라 안테나의 크기와도 밀접한 관계가 있습니다. 밀접하게 관련되어 있습니다.

또한, RFID 기술 체계의 일부인 NFC는 그 중 HF 대역의 통신방식을 이용하여 독자적으로 정의된 규격으로 마이넘버카드, Suica 등 교통계 전자화폐에 활용되고 있는 매우 친숙한 RFID이며, RFID 중 860~960MHz의 극초단파 대역을 활용한 UHF 대역은 최대 10m까지 통신이 가능한 반면, NFC가 사용하는 HF 대역에서는 약 10cm의 근거리 통신을 실현합니다.

NFC는 업계 표준 단체인 ‘NFC 포럼’에서 제정한 기술 규격으로 교통계 전자화폐 외에도 스마트폰에 탑재되어 비접촉식 결제 등에 활용되고 있으며, 통신 거리가 짧은 만큼 기기의 박형화, 소형화가 가능하다는 장점이 있습니다.

산업용 렌즈란?

산업용 렌즈는 공장 내 생산라인의 감시 및 검사, 방범용 카메라 등 업무용 카메라에 사용되는 렌즈를 말합니다.

산업용 렌즈의 구조는 기본적으로 민생기기인 SLR 카메라 등의 렌즈와 동일하지만, 사용 용도에 따라 더 높은 해상도나 낮은 왜곡 등 요구되는 성능에 특화된 설계가 이루어집니다. 또한, 산업용 렌즈는 민생용 카메라 렌즈와 마찬가지로 렌즈와 촬영 요소를 가진 카메라를 연결하는 렌즈 마운트라는 구조를 가지고 있습니다.

렌즈 마운트에는 다양한 종류가 있지만, 어댑터를 통해 호환성을 갖출 수 있습니다. 하지만 각각의 렌즈 마운트 사이에 호환되지 않는 것도 있으므로 주의가 필요합니다.

산업용 렌즈의 사용 용도

산업용 렌즈는 산업용 카메라와 함께 사용됩니다. 산업용 카메라는 다양한 산업용 제품 생산 라인에서 광범위하게 사용되고 있습니다. 반도체 및 IC, 의료 및 제약, 농업 및 식품, 자동차, 금속 가공, 수지, 세라믹, 필름 제품 생산 공장 등의 분야가 대표적입니다.

우리 주변에서 감시 카메라, 방범 카메라에 사용되는 렌즈도 산업용 렌즈다. 자동차에도 운전을 보조하거나 자동 운전을 위해 카메라가 장착되어 있는데, 이 카메라에 사용되는 렌즈도 산업용 렌즈라고 할 수 있습니다.

산업용 렌즈의 원리

산업용 렌즈는 일반 카메라의 렌즈와 마찬가지로 여러 개의 볼록렌즈와 오목렌즈가 결합되어 있습니다. 산업용 렌즈는 특히 저왜곡성이 요구되는 경우가 많으며, 이미지 주변부에서도 영상이 왜곡되지 않도록 설계되는 것이 특징입니다. 또한, 텔레센트릭 광학계라는 설계가 적용된 렌즈도 있습니다.

텔레센트릭 광학계는 초점을 바꿔도 피사체의 크기가 변하지 않는 렌즈 구성을 말합니다. 예를 들어 전면이 볼록렌즈인 경우, 렌즈에 조사된 빛은 렌즈 후면을 향해 수렴하도록 광로가 변화합니다. 광로 위에 여러 개의 렌즈를 설치하여 광로를 보정하고, 렌즈 후면에서 다른 부품으로 향하는 빛을 평행광으로 만든 렌즈를 텔레센트릭 렌즈라고 합니다.

일반 소비자용 일안반사식 카메라의 렌즈에는 조리개와 초점 링이라는 메커니즘이 탑재되어 있는 것이 일반적이다. 하지만 산업용 렌즈에는 조리개와 초점이 고정되어 있는 것도 있습니다. 이는 사용 환경이 고정되어 있기 때문에 사용 환경에 맞게 최적의 설계를 하고 있기 때문입니다. 또한, 조리개의 구조는 인간의 동공과 같은 원리로, 광로 직경의 크기를 변화시켜 렌즈에서 들어오는 빛의 양을 조절합니다.

또한, 이러한 기능을 통해 피사계 심도라고 불리는 초점이 맞는 범위를 조정할 수 있습니다. 초점 링은 피사체가 렌즈를 통해 촬영 요소에 맺히도록 렌즈군을 움직여 초점을 맞추기 위한 기능입니다.

산업용 렌즈의 종류

산업용 렌즈는 일반 소비자용 렌즈와 마찬가지로 광각 렌즈, 표준 렌즈, 망원 렌즈, 단초점 렌즈, 줌 렌즈 등이 있다. 그 외에도 라인 센서용 렌즈와 같이 매우 길고 좁은 영역에 특화된 렌즈나 텔레센트릭 렌즈도 산업용 렌즈 중 하나입니다.

미세 촬영용 렌즈, 대각선, 원주 어안렌즈로 구분하기도 합니다. 마이크로 촬영용 렌즈는 극히 가까운 거리에 있는 피사체를 비출 수 있어 작은 물체의 미세한 손상 등을 확인하는 검사에 사용됩니다.

대각선-원주 어안 렌즈는 광각 렌즈보다 더 넓은 범위를 비출 수 있습니다. 획득된 이미지가 크게 왜곡되는 단점이 있지만, 차량용 카메라 등 극도로 넓은 범위를 촬영해야 하는 경우에 활용됩니다.

가속도 센서란?

가속도 센서는 가속도를 측정하기 위한 센서입니다.

가속도는 단위 시간당 속도의 증가를 나타내며, 물리학에서 물체에 힘을 가할 수 있는 파라미터로서 가속도는 중요한 의미를 갖습니다.

가속도 센서는 크게 정전용량 방식, 압전형(피에조 저항) 방식, 열 감지 방식으로 구분됩니다. 각 방법의 센서는 감지할 수 있는 가속도에 차이가 있습니다. 정전용량 방식은 중력 가속도를 감지할 수 있지만, 압전식(피에조 저항) 방식은 중력 가속도를 감지할 수 없습니다.

가속도 센서의 사용 용도

가속도 센서는 단순히 가속도를 측정하는 것 외에도 가속도를 통해 다른 파라미터를 측정하는 데에도 사용됩니다. 전자의 활용 방법으로는 스마트폰이나 휴대용 게임기 등에 내장된 센서, 자동차의 에어백을 작동시키기 위한 충격 감지용 센서, 그 외에 지진계 등의 센서 등을 들 수 있습니다.

후자의 활용법으로는 중력 가속도를 감지할 수 있는 정전 용량 방식의 가속도 센서를 이용한 경사계나 만보계 등을 들 수 있습니다.

가속도 센서의 원리

가속도 센서는 크게 정전용량 방식, 압전형(피에조 저항) 방식, 열 감지 방식으로 구분됩니다. 각 방법의 기본 원리는 공통적이며, 센서는 고정형 부품과 유연형 부품으로 나뉩니다. 가속도 센서에 가속도가 가해지면 플렉시블 파트가 변형됩니다.

고정부와 이 변형된 플렉시블 파트의 차이를 요소가 감지하여 가속도를 측정합니다. 정전 용량 방식에서는 픽스 파트와 플렉시블 파트 각각에 전극이 존재합니다. 전극을 가진 픽스 파트와 플렉시블 파트가 교대로 빗살 모양으로 배열되어 있는 것이 센서의 구성입니다.

픽스 파트와 플렉시블 파트의 전극 사이의 정전 용량은 가속도가 부하가 걸리면 변화하기 때문에, 그 변화량으로 가속도를 구할 수 있습니다. 가속도가 부하되지 않은 상태(중력가속도만 부하된 상태)에서도 커패시턴스를 가지므로 중력가속도를 측정할 수 있으며, 3축 가속도 센서로 중력가속도를 감지하는 만보계의 예가 그림 1에 나와 있습니다.

3축 가속도 센서 신호 처리 (만보계)

그림 1. 3축 가속도 센서 신호 처리 (만보계)

(a)는 센서가 직접 측정하는 데이터로, 만보계가 보행자의 적절한 위치에 부착된 경우, 신체 무게중심의 가속도 시계열 데이터를 나타냅니다. 이 데이터에는 저주파(DC) 성분으로 중력 가속도가 포함되어 있으며, 저역 통과 필터를 적용하면 데이터 (b)와 같이 중력 가속도만 추출됩니다.

동시에 데이터 (a)에 대역 통과 필터를 적용하면 저주파 중력 가속도 성분과 고주파 노이즈 성분을 제거한 데이터 (c)를 얻을 수 있다. 데이터 (b) 및 (c)는 각각 3축(x, y, z)의 시계열 데이터로, 보행 중(측정 중) 센서의 방향이 바뀌면 각 축에서 감지되는 수치도 변동하게 됩니다.

여기서 각 시간에서 (b)와 (c) 데이터의 내적(즉, 3차원 벡터의 내적)을 취하면 데이터 (d)와 같은 신체 중심 가속도의 중력 방향 성분(1축)의 시계열 데이터를 얻을 수 있습니다.

이렇게 하면 센서의 방향에 관계없이 중력가속도에 대해 직교한, 즉 벡터량을 스칼라량으로 변환한 보행자 가속도의 중력방향 성분을 얻을 수 있으며, 이 데이터(d)를 바탕으로 보행 피치나 걸음 수를 계산할 수 있습니다.

압전형(피에조 저항) 방식은 압전 소자를 이용해 가속도를 측정합니다. 압전 소자는 가속도가 가해지면 변형되어 전류를 발생시킵니다. 발생된 전류를 가속도로 측정합니다.

가속도 센서의 기타 정보

1. 가속도 센서와 자이로 센서의 차이점

가속도 센서와 비슷한 성능을 가진 센서 중 하나가 ‘자이로 센서’입니다. 여기서는 가속도 센서와 자이로 센서의 차이점에 대해 알아보겠습니다.

가속도 센서는 이름 그대로 ‘가속도’를 측정하는 센서입니다. 반면 자이로센서는 ‘각속도’를 측정하기 위한 센서이기 때문에 양자는 감지하는 물리량이 다르다고 할 수 있습니다.

자이로센서는 코리올리 힘을 이용해 물체의 방향과 자세를 감지하고 이를 전기 신호로 출력합니다. 물체의 기울기를 측정하는 경우 등에 활용되며, 내비게이션, 손떨림 보정 기능이 있는 디지털 카메라, 스마트폰, 게임기 등 다양한 전자기기에 탑재되어 있습니다.

또한, 가속도 센서와 자이로 센서를 결합하여 물체의 움직임을 더욱 세밀하게 측정할 수도 있습니다. 예를 들어, 자동차 용품 중 하나인 내비게이션에도 두 센서를 결합한 복합식 센서 기술이 활용되고 있습니다.

이를 통해 자이로 센서로 자동차의 방향을, 가속도 센서로 이동 거리를 측정할 수 있어 터널 안과 같이 전파가 잘 닿지 않는 곳에서도 현재 위치를 정확하게 표시할 수 있게 됩니다.

2. 가속도 센서 사용법

가속도 센서를 이용해 원하는 애플리케이션을 구현하기 위해서는 필요한 측정 범위나 주파수 대역 등을 미리 확인해야 합니다. 예를 들어, 게임기 컨트롤러에 가속도 센서를 탑재하는 경우, 사용자가 컨트롤러를 흔들어 조작하는 것을 가정하고 필요한 측정 범위 이상의 것을 사용해야 합니다.

측정 대상에 적합한 가속도 센서가 결정되면, 실제로 센서를 배선하고 측정 프로그램을 만들어야 합니다. 이때 중요한 것이 바로 ‘파라미터 설정’입니다. 파라미터 설정에서는 센서의 감도와 0g(중력 가속도가 0일 때) 출력 레벨 등을 변경할 수 있습니다. 이를 적절히 설정하지 않으면 원하는 애플리케이션을 구현하기 어렵습니다.

리니어 모터란?

리니어 모터(영어: linear motor)는 직선 운동을 하는 전기 모터를 말.

일반적인 모터가 회전 운동을 하는 반면, 리니어 모터는 직선 운동을 한다. 자석의 흡입과 반발, 혹은 로렌츠력을 이용해 추진력을 발생시키는 구동 장치입니다.

기존 모터를 사용하여 직선 방향으로 구동하기 위해서는 다양한 부품의 조합이 필요하지만, 리니어 모터를 사용하면 복잡한 구조를 사용하지 않고도 쉽게 직선 운동을 할 수 있습니다.

리니어 모터의 사용 용도

리니어 모터의 응용 분야로 잘 알려진 것은 리니어 신칸센을 비롯한 리니어 모터카입니다. 리니어 신칸센 등은 자석의 반발력으로 차체가 레일 위에 떠 있기 때문에 마찰력에 의한 구동력 손실이 극히 적은 것이 특징입니다. 따라서 고속으로 이동할 수 있습니다.

도쿄도 도영 지하철 오에도선이나 고베 시영 지하철 해안선 등의 차량은 부상식은 아니지만, 구동하는 것은 리니어 모터입니다. 최근에는 산업기기 등의 구동부에 리니어 모터를 채용하는 사례가 늘고 있습니다.

정밀도가 요구되는 공작기계나 반도체 제조장치, 우주선, 가속기, 리니어 모터 건 등에 사용되는 경우가 많습니다. 민생 제품으로는 자동차 전동 커튼, 면도기, 카메라 자동 초점, 회전 초밥집 등이 대표적인 사례입니다.

리니어 모터의 원리

리니어 모터는 자석의 흡반력 또는 로렌츠력을 구동 원리로 삼고 있습니다. 이 점은 기존 모터와 비슷하지만, 리니어 모터는 직진 운동을 발생시키기 위해 기존 모터를 잘라낸 것과 같은 구조입니다.

작동 원리에 따라 선형 유도 전동기, 선형 동기 전동기, 선형 직류 전동기, 선형 스테핑 전동기 등 여러 종류가 있습니다.

1. 선형 유도 전동기

유도 모터와 같은 원리, 즉 전자기 유도에 의한 로렌츠력을 구동력으로 하는 방식입니다. 자극이 NS-SN과 나란한 자석 위에 전자석을 배치하고 전류를 흘려서 구동합니다. 고정밀도가 요구되는 산업용 리니어 모터에는 이 방식이 많이 사용됩니다.

2. 선형 동기 모터

동기 모터와 같은 원리, 즉 자기극 사이의 흡입력과 반발력을 이용하는 방식입니다. 일직선으로 늘어선 고정 자석의 자극을 이동식 전자석의 운동에 따라 변화시켜 직선 운동의 구동력을 얻는 방식입니다.

리니어 동기 모터는 다른 방식에 비해 효율이 높은 것이 특징입니다. 리니어 모터카에서는 전력 소비를 줄이기 위해 대부분 동기식 모터를 사용합니다. 또한, 자기부상식 리니어 모터카에서는 차체 쪽의 전자석에 초전도 자석을 사용하여 전력 공급을 최소화합니다.

3. 기타 방식

리니어 직류 모터는 액추에이터 등에 사용됩니다. 리니어 스테퍼 모터의 용도는 카메라의 오토포커스를 비롯한 광학기기 등의 정밀 제어입니다. 또한, 피에조 소자로 구동하는 선형 압전 모터는 효율은 낮지만 고정밀 제어가 가능하여 정밀 기계 등에 사용됩니다.

리니어 모터의 기타 정보

1. 리니어 모터의 속도와 정밀도

리니어 신칸센에 적용 시에는 고속화의 장점이 커서 리니어 모터의 성능 및 제어 기술 개발이 진행되어 실용화될 가능성이 높습니다. 리니어 모터의 장점은 감속기구가 불필요하고 고정밀 이송이 가능하다는 점, 장축화 및 여러 개의 모터를 배치하여 동시에 가동할 수 있다는 점 등이 있습니다.

반면, 외란 영향의 제어가 어렵고, 높은 추력을 얻기 어렵고, 점검 및 유지보수가 어렵다는 단점이 있지만, 해마다 개선되고 있다. 이러한 상황에서 고속화와 함께 고정밀화가 주목받으면서 연삭기, 선반 등 공작기계에 활용이 확대되고 있습니다. 또한, 리니어 모터는 환경 보전 측면에서 향후 유압식 대형 기계에 채용될 가능성도 있습니다.

2. 초전도 리니어의 냉각에 대하여

자기부상식 리니어 모터카의 구동에는 초전도 자석을 사용하는 경우가 많은데, 4K(-269℃)의 저온에서 전기저항이 0이 되는 초전도 현상을 이용하여 전기 에너지의 손실 없이 강력한 자기장을 발생시킬 수 있습니다.

항상 초전도 상태를 유지하기 위해서는 냉각하는 장치가 필요하며, 기존에는 액체 헬륨으로 냉각하는 방식을 사용했습니다. 가격이나 대형 장비가 필요하다는 단점이 있습니다. 최근에는 초전도 자석을 구성하는 코일의 재질을 변경하여 액체 헬륨을 사용하지 않고 직접 냉각할 수 있게 되었습니다.

사용되는 재료는 비스무스계 산화구리로, 초전도 상태가 되는 온도가 기존보다 높아 20K(-253℃)의 냉각으로 가능합니다. 이를 고온 초전도 자석이라고 합니다. 고온 초전도 자석을 냉각하기 위한 장치는 단열팽창을 이용하여 재료를 직접 냉각하는 방식을 채택하여 경량화, 소형화를 실현하고 있습니다.

부품 공급기란?

부품 공급기(영어: parts feeder)는 공장의 생산라인에서 부품을 자동으로 공급할 수 있는 장치입니다.

자동 부품 공급 장치라고도 합니다. 조립기, 포장기, 협동로봇, 검사기 등 자동화 시스템과 함께 사용됩니다.

일반적으로 부품을 진동시켜 서로 다른 방향의 각 부품을 같은 방향으로 정렬하여 공급할 수 있도록 합니다. 이를 통해 조립, 포장, 포장 등 다양한 공정을 효율적으로 진행할 수 있습니다.

영상처리장치나 인공지능과 결합하여 부품 검사를 동시에 진행하거나 다음 공정의 장비와 결합하여 작업의 정확도를 높이고 인건비 및 설치비용을 절감하는 데 기여할 수 있습니다.

부품 피더의 사용 용도

부품 피더는 공장 생산의 효율성을 높이기 위해 도입합니다. 기계 부품, 전자 부품뿐만 아니라 의약품 및 식품 제조에도 활용되고 있습니다. 부품 피더의 활용은 부품 공급을 자동화하여 작업 효율을 높이는 것뿐만 아니라, 영상 처리 장치나 인공지능 등과 결합되기도 합니다다.

부품의 자동 공급과 동시에 부품의 검사가 이루어지며, 작업의 정확도와 제품의 품질을 향상시키는 것을 목적으로 합니다. 와셔와 볼트를 함께 공급하는 등 여러 부품을 조립하여 공급하거나, 조립된 부품을 분해하여 공급하는 부품 공급장치도 있습니다.

부품 공급기의 원리

부품 피더는 부품을 진동시켜 정렬하는 방식입니다. 부품을 진동시키는 부분을 진동체 또는 발진체라고 하며, 부품 공급기의 핵심입니다. 진동의 방식은 주로 전자석을 이용한 전자기식으로 이루어지며, 발생된 진동은 판스프링을 통해 증폭되어 더 큰 진동을 일으킵니다.

이외에도 피에조 소자를 이용한 피에조식 등의 방식도 있습니다. 공급되는 부품은 먼저 부품을 담는 용기인 보울에 담겨지고, 진동체가 보울을 진동시켜 부품의 정렬을 진행합니다. 정렬된 부품은 슈트로 보내져 다음 공정의 기계에 공급됩니다.

보울 안의 부품은 호퍼라는 장치로 모니터링됩니다. 호퍼는 보울의 부품 수를 감지하여 공급을 제어합니다. 호퍼는 전자기식, 컨베이어식, 실린더식 등 다양한 종류가 있다. 호퍼는 보울에 부품이 너무 많이 들어가거나 모자라는 것을 방지하여 부품 공급기의 부품 공급 능력을 안정화시키는 역할을 합니다.

부품 피더는 다양한 센서와 옵션 부품을 내장할 수 있도록 설계되어 있어 목적에 따라 커스터마이징이 가능합니다.

부품 공급기 선정

부품 피더의 보울 부분에는 다양한 구동 패턴이 사용되며, 부품에 따라 적합한 부품 피더를 채택해야 합니다.

일반적인 부품 공급기는 전자기식 부품 공급기이지만, 그 외에도 모터식, 압전소자식, 복합회전원판식 등 다양한 타입이 있습니다. 각각의 장단점이 있기 때문에 사용 조건과 비용 등을 파악한 후 최적의 피더를 선정하는 것이 매우 중요합니다.

부품 피더의 종류

부품 피더의 종류는 전자기식, 모터식, 압전소자(피에조)식, 복합회전원판식 등이 있으며, 각각의 특징이 있습니다.

1. 전자기식 부품 공급기

전자기식 부품 피더에는 반파식, 전파식, 고주파 부품 피더, 듀얼 모션 등의 종류가 있습니다.

반파식: 1분에 3,000회~3,600회 진동수이기 때문에 진폭이 크고 이송능력이 높으며 장비의 취급이 용이하여 선별이 간단한 부품에 많이 사용되며, 전파식보다 장비가격이 유리합니다.

전파 방식: 분당 6,000회~7,200회의 진동수를 가지며, 진동이 미세하여 미세한 부품이나 선별이 어려운 부품에 적합합니다.

고주파 부품 피더: 인버터 컨트롤러를 사용하여 250Hz~350Hz의 주파수로 미세한 진동수를 발생시킨다. 미세한 공작물에 적합합니다.

듀얼 모션: 듀얼 모션은 수평 방향과 수직 방향의 두 가지 진동계를 설치하여 타원형 운동을 발생시킵니다. 그리고 종진동과 횡진동을 별도로 제어하여 빠른 이송과 부드러운 반송을 가능하게 합니다. 또한, 진동 방향을 종횡 중 하나를 선택할 수 있습니다.

2. 모터식 부품 공급기

모터에 의해 수평 운동만으로 구동하는 부품 공급기로 소음이 적은 것이 특징입니다.

3. 압전소자식 부품 피더

압전 소자를 사용하여 구동합니다. 진동 조정이 불필요하여 에너지 절약을 기대할 수 있는 부품 공급기입니다.

4. 복합 회전 원반식 부품 공급기

진동을 사용하지 않고, 회전 원반을 사용하여 부품을 부드럽게 회전시켜 정렬 공급할 수 있도록 한 부품 공급기입니다. 저진동, 저소음 및 고속 공급이 가능합니다.

인버터란?

인버터(영어: inverter)는 입력된 전류를 교류로 변환하는 장치입니다.

입력되는 전류는 직류와 교류 두 가지 경우가 있습니다. 후자의 경우, 입력된 교류는 직류로 변환된 후 전압과 주파수가 변조된 또 다른 교류로 다시 변환됩니다.

인버터는 그 구조를 구성하는 회로 중 하나인 인버터 회로와 구별하기 위해 인버터 장치라고 부르기도 합니다.

인버터 사용 용도

인버터는 모터를 이용한 전기제품에 많이 사용되고 있습니다. 왜냐하면 인버터는 주로 모터의 회전을 제어하는 데 사용되기 때문입니다.

인버터를 이용한 가장 친숙한 제품은 에어컨이다. 인버터는 컴프레서 부분에 탑재되어 모터의 회전 강약을 조절하는 역할을 합니다. 인버터가 없다면 에어컨의 온도 조절은 운전의 켜고 끄는 것만으로 이루어져야 합니다.

인버터를 사용하면 운전의 켜짐과 꺼짐이 아닌 운전의 강약에 따라 온도를 조절할 수 있습니다. 전원을 켜고 끄는 것은 많은 양의 전력을 소비하기 때문에 인버터는 절전에 기여하고 있다고 할 수 있습니다. 따라서 현재 판매되는 에어컨에는 대부분 인버터가 탑재되어 있는 경우가 많습니다.

인버터의 원리

인버터는 크게 컨버터 회로, 콘덴서, 인버터 회로 등 세 가지로 구성됩니다. 인버터에서 교류 전류를 다른 전압이나 주파수가 변조된 교류로 변환하기 위해서는 입력 전류를 한 번 변환기 회로를 통과시켜 직류 전류로 변환합니다.

이 변환은 다이오드를 사용하여 정류함으로써 이루어집니다. 정류된 전류는 커패시터에 저장되고, 충전과 방전을 반복하여 더욱 정형화됩니다.

이렇게 해서 유사 직류 전류를 만들어 인버터 회로에 입력합니다. 인버터 회로에서는 펄스폭 변조(PWM)라는 전력 트랜지스터의 스위칭을 통해 다양한 폭의 펄스파를 발생시킵니다.

이를 합성하여 유사 정현파를 만들어 낼 수 있습니다. 펄스 전압을 생성하는 경우 전압형 인버터, 펄스 전류를 생성하는 경우 전류형 인버터라고 부릅니다. 생성하는 펄스 폭의 조합을 제어함으로써 전압과 주파수를 자유롭게 바꿀 수 있습니다.

인버터에 대한 기타 정보

1. 인버터 제어의 장점과 단점

장점
인버터를 채택하는 이유의 대부분은 에너지 절약을 목적으로 합니다. 회전기구가 있는 기계에 인버터를 장착하면 모터의 회전수를 필요한 만큼만 조절할 수 있기 때문에 기계를 과도하게 가동하지 않아도 되므로 에너지 절약에 도움이 됩니다.

또한, 에어컨이나 오일콘 등 유체의 온도 조절을 하는 기계에 탑재하면 온도 제어의 정확도가 높아지는 것도 장점 중 하나입니다. 기존 제품은 전원 ON/OFF 전환만으로 온도를 관리하기 때문에 전력 소모가 많고, 설정 온도와의 오차가 커지는 경향이 있었습니다. 인버터는 이러한 문제를 해소하는 장치로서 매우 효과적인 장치라고 할 수 있습니다.

단점
단점으로는 비용이 비싸다는 점과 인버터 내 커패시터는 소모품이기 때문에 주기적으로 교체해야 한다는 점 등을 꼽을 수 있습니다. 사용을 검토할 때는 단점도 잘 고려해서 종합적으로 판단하는 것이 중요합니다.

2. 인버터 고장 원인

인버터를 오래 사용하면 과전류 트립이나 과전압 트립이 발생하기 쉽습니다. 이런 경우 인버터에 내장된 커패시터의 ‘수명’이 문제일 수 있습니다.

인버터 내 커패시터의 대부분은 ‘전해 커패시터’가 사용됩니다. 전해 커패시터는 주변 온도의 영향을 많이 받는데, 온도가 10℃ 상승하면 수명이 1/2로 줄어든다고 합니다.

따라서 여름철 더운 날씨에 연속으로 가동되는 에어컨 등은 전해 커패시터의 소모가 빠르게 진행되어 결국 고장이 나는 경우가 많습니다. 과전류, 과전압 트립 외에도 모터가 회전할 때 진동이 발생하거나 비정상적인 진동음이 발생하면 조기 인버터 교체를 권장합니다. 더 심해지면 전해 커패시터가 부풀어 오르거나 액체가 누출되는 경우도 있습니다.

패시브 프로브란?

패시브 프로브는 측정 포인트의 신호와 오실로스코프의 입력 단자 사이를 전기적으로 연결하기 위한 것입니다.

오실로스코프에 의한 파형 관측의 경우, 측정 대상의 신호를 측정 포인트에서 오실로스코프까지 신호를 전송하기 위한 기기라고 할 수 있습니다.

오실로스코프의 프로브에는 신호 증폭 회로가 내장된 액티브 프로브와 수동 부품으로만 구성된 패시브 프로브가 있는데, 본고에서는 패시브 프로브에 대해서만 설명합니다.

패시브 프로브의 사용 용도

패시브 프로브는 오실로스코프로 신호 파형을 관찰할 때, 측정 포인트의 신호를 검출하기 위해 사용합니다.

측정한 포인트의 전압을 오실로스코프에 전달합니다. 전류 파형을 직접 관찰하려면 전류 프로브를 사용해야 합니다.

패시브 프로브의 원리

프로브를 사용한다고 해서 오실로스코프에서 정확한 파형을 관찰할 수 있는 것은 아니다. 정확한 측정을 위해서는 프로브의 취급에 충분한 주의가 필요합니다.

1. 프로브가 피측정 회로에 미치는 영향

오실로스코프와 패시브 프로브를 조합하여 파형을 관찰하는 경우, “피측정 회로에는 오실로스코프의 입력 임피던스와 프로브의 임피던스의 합성 임피던스가 연결되었다”고 볼 수 있습니다. 즉, 프로브는 내장 저항 Rp와 병렬로 조정용 커패시터 Cp를 가지고 있으며, 프로브의 케이블 부분에는 부동 커패시턴스 Cs가 있습니다.

오실로스코프의 입력 단자는 입력 저항 Ri (1MΩ)과 입력 커패시턴스 Ci의 병렬 회로로 구성되어 있기 때문에 이 합성 임피던스를 고려하는 것이 중요합니다.

2. Cp 조정 방법

주파수에 의존하지 않고 프로브에서 일정한 감쇠율을 얻으려면 아래 식을 만족하도록 Cp를 조정해야 합니다.

　　　Cp = (Cs + Ci) × Ri / Rp

조정용 커패시터 Cp는 반고정형이므로 오실로스코프 본체와 조합하여 최적의 값으로 설정합니다. 오실로스코프에는 조정용 커패시터의 최적값을 설정하기 위해 구형파 출력 단자가 마련되어 있습니다.

여기에 프로브의 끝을 연결하여 오실로스코프의 표시부에 구형파가 표시되도록 Cp의 값을 변화시킵니다.

패시브 프로브의 기타 정보

1. 패시브 프로브 사용법

패시브 프로브는 오실로스코프를 이용한 측정에 이용되는 것으로, 내장 저항기 Rp에 의한 감쇠율 1:1, 1:10, 1:100의 세 가지 종류 중에서 측정 대상 회로의 특성을 고려하여 선택합니다.

1:1 프로브
내장 저항 Rp와 조정용 커패시터 Cp가 없는 프로브입니다. 신호가 오실로스코프의 입력 단자에 직접 인가되므로 오실로스코프의 입력 임피던스인 1MΩ과 입력 커패시턴스 Ci가 피측정 회로에 연결됩니다.

측정 대상 회로의 임피던스가 높으면 측정 회로에 영향을 미치므로 주의해야 합니다. 반면, 작은 신호를 다룰 때는 오실로스코프의 입력 감도를 그대로 활용할 수 있기 때문에 Rp를 통과하는 다른 타입보다 신호 레벨 측면에서 유리합니다.

10:1 프로브
일반적으로 많이 사용되는 일반적인 프로브이며, 내장 저항 Rp는 9MΩ입니다. 입력 임피던스는 오실로스코프와 결합하여 10MΩ으로, 측정 대상 회로에 미치는 영향이 적고 사용하기 쉬운 제품입니다.

100:1 프로브
내장 저항 Rp99MΩ과 조정용 커패시터 Cp를 가지고 있으며, 감쇠율이 1/100이 되기 때문에 주로 신호 전압이 100V를 초과하는 경우에 이용됩니다. 또한, 입력 임피던스가 100MΩ으로 매우 높기 때문에 측정 대상 회로에 미치는 영향이 특히 적은 것이 특징입니다.

접지 리드선 연결 포인트
패시브 프로브를 사용할 때 특히 주의해야 할 점은 접지 리드의 연결과 그 처리 방법입니다. 다채널 오실로스코프에서 여러 포인트를 동시에 관찰하는 경우, 각 채널의 프로브의 접지 리드는 공통의 한 곳(한 점 접지가 바람직)에 연결하는 것이 기본입니다.

서로 다른 접지 라인에 연결하면 접지 루프가 발생하여 미세한 신호를 측정할 때 악영향을 끼칠 수 있습니다.

접지 리드선 길이
접지 리드가 길면 길수록 측정 지점에 연결되는 면에서는 유리하지만, 고주파 신호를 관찰할 때 링잉이나 신호 진폭의 큰 변동과 같은 결함 현상이 발생합니다. 이는 접지 리드의 유도성 인덕턴스 성분과 프로브의 입력 단자 커패시턴스가 공진하여 그 공진 주파수 부근에서 진폭이 극도로 커지기 때문입니다.

따라서 주파수가 10MHz 이상의 고주파 신호를 관찰하는 경우, 접지 리드 대신 접지 스프링 등을 사용하는 것도 고려해야 합니다.

2. 프로브의 주파수 특성

파형 관측용 측정기는 오실로스코프 본체와 프로브로 구성되며, 양자를 조합한 측정계의 주파수 대역 및 상승 시간에 따라 주요 측정 성능이 결정됩니다. 따라서 오실로스코프 본체와 조합되는 프로브마다 주파수 대역과 상승 시간이 스펙으로 공개되어 있습니다.

3. 케이블의 부양 용량

프로브의 주파수 특성에 큰 영향을 미치는 요인은 케이블의 부양 용량입니다. 주파수가 높아질수록 부유 용량에 의한 용량성 리액턴스는 작아지고, 그만큼 피측정 회로의 부하가 커집니다.

그 결과, 프로브 자체의 주파수 대역폭이 좁아지고, 상승 시간이 느려지는 등 부정적인 영향을 미칩니다. 프로브의 부유 커패시턴스는 케이블의 길이에 따라 달라지는데, 길수록 부유 커패시턴스가 커지는 경향이 있으므로 프로브의 길이는 가급적 짧은 것이 주파수 특성 상 유리합니다.

버랙터 다이오드란?

가변저항 다이오드란 역전압을 인가하여 정전 용량을 변화시킬 수 있는 다이오드를 말합니다.

가변 커패시턴스 다이오드 또는 바리캡이라고도 합니다. 일반적으로 다이오드의 PN 접합부에 역방향 전압을 인가하면 전자나 정공과 같은 캐리어가 없는 부분인 공핍층이 커패시터처럼 동작합니다.

버랙터 다이오드는 그 커패시터처럼 행동하는 정전 용량이 인가하는 전압의 크기에 따라 변화하는 성질을 적극적으로 이용하는 것입니다.

버랙터 다이오드의 사용 용도

버랙터 다이오드의 사용 용도는 전자동조회로, 전압제어발진기(VCO) 등의 전자부품입니다. 전자동조회로와 전압제어발진기(VCO)는 라디오, TV, 통신기기, 스마트폰과 같은 모바일 통신기기 등 전파를 수신하는 기기에 사용되고 있습니다.

이들 기기는 특정 주파수의 신호를 수신하기 위해 수신부의 커패시터 용량과 코일의 임피던스 값을 조정해야 합니다. 이를 위해 커패시턴스를 전압으로 제어할 수 있는 발락 다이오드가 사용됩니다.

버랙터 다이오드의 원리

버랙터 다이오드의 원리는 다이오드의 PN 접합부에 역방향 전압을 인가했을 때 발생하는 캐리어가 없는 공핍층을 정전용량으로 활용하고, 그 정전용량의 값이 역방향 전압 값에 따라 달라지는 특성을 적극적으로 이용하는 데 있습니다. 일반 다이오드는 순방향으로 바이어스 전압을 인가하면 순방향 전류가 흐르고, 역방향으로 바이어스 전압을 인가하면 전류가 흐르지 않습니다.

이 역방향으로 전압을 인가한 상태에서는 PN 접합부에서 P형 반도체 부분에서는 정공이 전극 쪽으로 이동하고, N형 반도체 부분에서는 전자가 전극 쪽으로 이동하기 때문에 PN 접합부에는 캐리어가 없는 공핍층이라는 층을 형성하게 됩니다. 그 공핍층에는 전하가 없고, 공핍층 양쪽에 전하가 발생하기 때문에 다이오드가 커패시터처럼 동작하게 됩니다.

역방향 인가 전압의 절대값이 크면 그만큼 공핍층의 두께가 커져 등가 커패시턴스가 작아진다. 이 역방향 전압을 인가하여 그 값을 가변시킴으로써 커패시턴스가 변화하는 다이오드가 바로 버랙터 다이오드입니다. 이 커패시턴스 변화 특성을 효과적으로 활용하고 있습니다.

버랙터 다이오드의 기타 정보

1. 발룬버랙터타 다이오드를 이용한 LC 공진 회로

버랙터 다이오드는 바이어스 인가 전압으로 용량 값을 가변할 수 있기 때문에 인덕터와 LC 공진 회로를 형성하여 그 공진 주파수를 조정할 수 있습니다.

이 전압 값으로 가변 가능한 LC 공진회로를 이용하여, 예를 들어 콜피츠 발진기 등에 공진회로를 내장한 것이 전압 제어 발진기(VCO)입니다.

전압 제어 발진기(VCO)는 이동 통신용 주파수 조정 회로인 PLL(Phased Lock Loop)의 일부입니다. 기지국과 이동체 단말기 사이에서 이뤄지는 셀룰러 통신 애플리케이션에 없어서는 안 될 매우 중요한 회로입니다. 또한, 동조회로로서 라디오 등의 FM 변조 용도에도 이 LC 공진회로가 사용되고 있습니다.

2. 버랙터와 바리캡의 어원과 항복 전압

버랙터 다이오드의 버랙터(영어: Varactor)는 ‘Variable Reactor’의 약자로 가변 리액턴스를 의미하며, 버랙터 다이오드의 경우 특히 용량성 가변 리액턴스를 나타냅니다. 반면 바리캡은 ‘Variable Capacitor’의 약자로 말 그대로 가변용량을 의미합니다.

버랙터 바리캡은 모두 용량을 가변할 수 있다는 의미의 약칭이지만, 용량을 가변할 수 있는 역방향 다이오드 바이어스에도 브레이크다운 전압(항복 전압)이 있다는 점에 주의해야 합니다. 사용하고자 하는 버랙터 다이오드의 전기적 사양을 잘 확인하여 역방향 측의 사용 가능 범위 내의 전압으로 사용해야 합니다.

참고로 브레이크다운 전압(항복 전압)은 제너 전압이라고도 하며, 이 영역을 적극적으로 사용하는 다이오드를 제너 다이오드라고도 합니다. 제너 다이오드는 과전압이 본체 회로에 인가되는 것을 방지하는 보호 회로용 용도나 정전압 발생을 위한 회로 용도 등에 사용되는 경우가 많습니다.

알루미늄 전해 콘덴서란?

알루미늄 전해 커패시터는 유전체에 산화알루미늄을 사용한 작고 정전 용량이 큰 커패시터입니다.

음극에 전해액을 사용하는 습식 타입이 주를 이루지만, 성능을 향상시킨 전도성 고분자 등의 고체를 사용한 건식 타입도 있습니다. 가격이 저렴하고 범용성이 높아 가전제품이나 컴퓨터 등 전자기판을 가진 대부분의 제품에 사용되고 있습니다.

알루미늄 전해 커패시터의 사용 용도

알루미늄 전해 커패시터는 다른 커패시터에 비해 크기가 작고 용량이 크며 가격도 저렴하기 때문에 자동차 분야, 가전 분야, 산업기기 분야 등 폭넓은 분야에서 전자기판을 가진 다양한 제품에 사용되고 있습니다. 구체적인 사용 용도는 다음과 같습니다.

• 자동차 분야
  엔진 제어 장치, 첨단 운전 보조 시스템, 에어백 제어, 카 스테레오,카 내비게이션 시스템
• 가전 분야
  TV, 레코더, 디지털 카메라, 오디오, 냉장고, 세탁기, 에어컨, 전자레인지, 조명기구, 컴퓨터, 게임기
• 산업기기 분야
  각종 제조장치, 재생에너지의 파워 컨디셔너

재생에너지의 파워컨디셔너로 사용하는 경우 많게는 10~100개의 알루미늄 전해 커패시터를 사용합니다. 범용성이 높은 만큼 알루미늄 전해 커패시터에 요구되는 성능은 해마다 높아지고 있는 상황입니다.

알루미늄 전해 커패시터의 원리

알루미늄 전해 커패시터의 양극, 음극에는 얇은 알루미늄 호일, 유전체에는 산화알루미늄이 사용됩니다. 산화알루미늄은 알루미늄 호일에 전기화학적 산화 처리(화성)를 통해 알루미늄 호일 표면에 형성됩니다.

알루미늄 호일 표면은 에칭 처리로 요철을 만들어 표면적을 크게 합니다. 커패시터의 커패시턴스는 아래 공식으로 표현되며, 유전체의 표면적에 비례하고 두께에 반비례하기 때문에 에칭, 화성 처리를 통해 만들어진 산화알루미늄은 매우 높은 커패시턴스를 가진 유전체입니다.

커패시턴스 C = ε × S/d　
ε: 유전체의 유전율 S: 유전체 표면적 d: 유전체 두께

산화알루미늄 피막은 전압을 가하면 미세한 전류가 흐르기 때문에 다른 커패시터보다 누설전류가 많이 발생한다는 단점이 있습니다. 습식 알루미늄 전해 커패시터 내부 음극에는 전해액이 사용되기 때문에 고장 시 전해액이 누출될 수 있습니다.

또한, 전해액 누출 및 증발로 인해 전해액이 감소할 수 있어 내구성이 떨어지는 것도 단점 중 하나입니다. 반면 건식 알루미늄 전해 커패시터는 내부 음극에 전도성 고분자가 사용되어 증발하지 않기 때문에 습식보다 내구성이 뛰어납니다.

알루미늄 전해 커패시터의 기타 정보

1. 알루미늄 전해 커패시터의 수명

전자부품 중에서도 습식 알루미늄 전해 커패시터는 특히 수명이 짧은 것으로 알려져 있는데, LSI에는 수만 시간의 동작 시간이 요구되는 반면, 일반적인 알루미늄 전해 커패시터는 85℃에서 2,000시간, 고신뢰성을 자랑하는 제품도 105℃에서 5,000시간의 수명을 가지고 있다고 합니다.

수명이 짧은 이유는 절연지에 함침된 전해액이 시간이 지남에 따라 봉지 고무 부분에서 서서히 누출되는 알루미늄 전해 커패시터의 구조를 들 수 있습니다. 전해액이 빠져나가면 커패시턴스가 감소하고 ESR(등가직렬저항)은 증가합니다.

알루미늄 전해 커패시터의 수명은 최대 사용 온도 이하에서는 아레니우스의 법칙(열에너지에 의한 화학반응식)을 따르며, 온도가 10℃ 낮아지면 수명이 약 2배로 늘어난다. 따라서 85℃/2,000시간의 알루미늄 전해 커패시터는 75℃에서 사용하면 4,000시간, 65℃에서 사용하면 8,000시간 정도가 수명입니다.

또한, 알루미늄 전해 커패시터는 다른 커패시터에 비해 ESR이 커서 동작 시 큰 전류가 흐르면 커패시터 내부에서 열이 발생합니다. 이 발열은 커패시터의 온도 상승을 가져와 전해액 누출을 더욱 촉진하여 수명을 단축시키는 요인이 됩니다.

2. 알루미늄 전해 커패시터의 극성 표시

유극성 커패시터에는 극성을 쉽게 확인할 수 있도록 어떤 표시가 반드시 부착되어 있습니다.

수직형 전해 콘덴서
일반적으로 본체 하단의 음극 쪽에 라인이 있습니다. 또한, 음극의 리드선이 짧습니다.

표면 실장형 전해 커패시터
전해 커패시터의 윗면에 커패시턴스나 내전압이 표시되어 있는데, 그 한쪽에 색이 칠해진 마크가 있습니다. 이 마크의 아래쪽 전극이 음극입니다.

축 리드형 커패시터
화살표가 있는 선이 음극의 리드를 나타냅니다. 또한 전해 커패시터 본체에 오목한 부분이 있는데, 이 오목한 부분이 양극입니다.
극성을 잘못 설치하면 커패시터 고장뿐만 아니라 발화 등의 위험도 있기 때문에 극성 표시 확인은 매우 중요합니다.

스트레인 게이지란?

스트레인 게이지는 물체의 변형을 측정하는 장치입니다. 변형률을 측정하여 압력, 하중 등을 계산할 수 있기 때문에 압력계나 포스 게이지에도 사용됩니다.

스트레인 게이지의 사용 용도

스트레인 게이지의 사용 용도는 변형이 직접적으로 강도에 영향을 미치는 제품의 변형 측정, 생산 공장에서의 하중 측정, 금형 등의 변형 정도 측정 등을 들 수 있습니다. 단, 스트레인 케이지를 올바른 방향으로 설치하지 않으면 측정 오차가 발생할 수 있으므로 주의해야 합니다.

구체적인 사용 예로는 다음과 같은 것들이 있습니다.

• 프린트 기판의 강도 및 변형 측정
• 프레스 장비의 하중 모니터링 측정
• 스트레인 게이지의 원리와 종류

아래에서는 스트레인 게이지의 원리와 종류에 대해 설명합니다.

1. 스트레인 게이지의 원리

스트레인 게이지는 측정 대상에 장착되어 사용되며, 측정 대상과 함께 변형되어 내부의 전기 저항이 변화합니다. 그리고 이 전류가 변화하는 변화량을 측정하여 변형량을 산출하는 구조입니다.

2. 스트레인 게이지의 종류

스트레인 게이지의 종류는 매우 다양합니다. 가장 널리 활용되고 있는 호일 스트레인 게이지, 와이어 스트레인 게이지, 반도체 스트레인 게이지 등이 있습니다.

이 외에도 저온 및 고온 환경에 적합한 것, 보다 미세한 변형률을 측정할 수 있는 것, 각종 피측정 재료에 따른 재질의 것 등 용도에 따라 구분하여 사용할 수 있는 것도 스트레인 게이지의 특징입니다.

스트레인 게이지의 구조

아래에서는 ‘호일 스트레인 게이지’와 ‘반도체 스트레인 게이지’의 구조를 각각 설명합니다.

1. 호일 스트레인 게이지

스트레인 게이지 중 가장 대중적인 호일 스트레인 게이지의 구조는 절연체 베이스 위에 지그재그로 금속 호일을 붙이고, 그 금속 호일에서 두 개의 배선이 나오는 구조입니다. 이 두 개의 배선은 호잉스턴 브리지 회로라는 회로로 연결되어 있습니다.

호잉스턴 브리지 회로는 3개의 알려진 저항값을 가진 저항과 4개의 스트레인 게이지를 브리지 형태로 배치하고 그 중앙의 전위차를 측정함으로써 스트레인 게이지의 저항값을 측정할 수 있는 회로입니다.

그리고 스트레인 게이지가 부착된 측정 대상이 변형되면 부착된 스트레인 게이지의 호일이 신축하여 전기저항 값이 변화하기 때문에 그 저항값의 변화량을 호잉스턴 브리지 회로의 전위차로부터 구합니다. 여기서 스트레인 게이지에는 변형에 대한 저항값의 변화량인 게이지율이라는 고유값이 있기 때문에 게이지율과 저항값의 변화량으로 측정 대상 물체의 변형을 계산할 수 있습니다.

2. 반도체 스트레인 게이지

반도체 스트레인 게이지는 호일 스트레인 게이지의 호일 부분에 반도체를 이용한 스트레인 게이지로, 응력이 반도체에 작용하면 반도체의 전기 저항률이 변화하는 성질을 이용합니다.

스트레인 게이지의 기타 정보

1. 스트레인 게이지 부착 방법

스트레인 게이지를 통한 스트레인 측정의 정확도는 게이지의 설치 방법(대부분 접착)에 따라 크게 좌우됩니다. 따라서 측정 대상에 스트레인 게이지를 부착할 때는 매우 신중하게 작업해야 합니다. 절차는 먼저 게이지를 부착할 측정 대상의 표면을 깨끗하게 세척합니다.

세정에는 유성세제 등을 사용하여 유분을 철저히 제거하는 것이 좋습니다. 그렇지 않으면 부착 시 표면 연삭 또는 연마 시 유분이 더 깊은 재료 내부까지 침투할 수 있습니다. 세척이 끝나면 게이지를 핀셋으로 들어 올려 측정 대상 표면에 조심스럽게 접착합니다.

이때 표면과 게이지 사이의 빈 거품은 모두 밀어내도록 붙여야 합니다. 그 상태에서 접착제가 굳을 때까지 몇 분 정도 기다립니다. 몇 분이 지나면 마지막으로 전체에 절연 테이프를 감아 파손되지 않도록 보호하면 부착이 완료됩니다.

2. 스트레인 게이지의 단점과 해결 방법

스트레인 게이지는 측정 대상에 붙이기만 하면 쉽게 스트레인을 측정할 수 있다는 장점이 있지만, 실제로는 복잡한 요소들이 얽혀 있어 측정이 더 어려워집니다. 예를 들어, 응력 문제도 그 중 하나입니다.

변형은 외부에서 가해지는 힘과 재료 내부에서 발생하는 내부 응력의 상호작용에 의해 변화합니다. 따라서 2방향 또는 3방향의 변형률을 분석하기 위해서는 여러 개의 게이지를 조합한 ‘로제트 스트레인 게이지’를 사용해야 합니다.

또한, 측정 대상을 구성하는 재료의 열팽창 계수에 따라 실제 변형이 없는데도 변형이 발생한 것으로 판단되는 경우도 있습니다. 이를 방지하기 위해서는 게이지의 재질을 측정 대상의 재료와 일치시켜야 합니다.

스트레인 게이지를 이용한 스트레인 측정에서는 이러한 물리적 또는 기계적 특성을 잘 이해하고, 여러 종류 중에서 최적의 것을 선택해야 합니다.

3. 스트레인 게이지와 온도 보상

측정 대상에 접착된 스트레인 게이지에 영향을 미치는 큰 요인은 외력에 의한 변형과 온도 변화의 영향입니다. 온도 변화가 발생하면 측정 대상과 스트레인 게이지의 선팽창 계수 차이와 스트레인 게이지의 온도에 따른 저항값 변화의 영향을 받습니다.

온도 변화로 인해 마치 변형이 발생한 것처럼 측정되는 것을 겉보기 변형이라고 합니다. 자기 온도 보상형 스트레인 게이지를 사용하는 것이 겉보기 변형에 대한 가장 효과적인 대책입니다. 자기 온도 보상형 스트레인 게이지는 측정 대상에 맞게 스트레인 게이지의 저항 온도 계수를 조정하여 온도에 의한 겉보기 변형량을 최소화한 스트레인 게이지입니다.

측정 대상에 적합한 스트레인 게이지를 선택하는 것이 가장 좋은 선택이지만, 오차가 남을 수 있습니다. 경우에 따라 비선형 특성을 가진 것도 있습니다. 대부분의 경우 이 오차는 스트레인 케이지의 데이터 시트에 기재되어 있으며, 보다 정밀한 측정이 필요한 경우 데이터 시트에서 계산된 오차를 고려하여 보정 연산을 할 수 있습니다.

4. 스트레인 게이지와 크리프 보정

일정한 온도 조건에서 일정한 하중이 작용할 때 시간이 지남에 따라 변형이 증가하는 현상을 크리프 현상이라고 합니다. 스트레인 게이지에서 크리프 현상은 천적이라 할 수 있으며, 크리프 현상이 발생하면 측정 오차와 직결될 수 있습니다.

스트레인 게이지의 크리프 현상은 대부분 기본 재료, 그리드 형상, 접착제에 기인하는 경우가 많습니다. 따라서 이러한 요인으로 인한 크리프와 역위상의 기수 변형체를 재료 크리프로 사용하고, 여기에 스트레인 게이지를 부착하여 서로의 크리프 현상의 영향을 상쇄하는 방법이 일반적입니다.

중요한 것은 재료의 조합인데, 크리프 현상이 역위상임에도 불구하고 그 절대값이 크게 다르면 상쇄되지 못하고 한쪽 방향으로 영향을 미치게 됩니다. 또한 재질에 따라 다르지만, 온도가 높을수록 크리프 현상이 두드러지게 나타나는 경우가 대부분입니다. 크리프 현상에 의한 변형률 증가를 고려하면 스트레인 게이지에 가해지는 응력이 클수록 파단에 이르는 시간(수명)이 짧아진다는 점에 유의해야 합니다.