月: 2023年10月

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.

 

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.