광센서란?
광센서는 수광소자라고도 하며, 반도체 소자이기도 합니다. 다양한 빛의 성질을 전기신호로 변환하여 감지하는 보조기기의 하나로 기계를 구성하는 부속기기이다. 빛을 감지하는 방법으로 광센싱이라는 기술이 사용되고 있습니다. 그리고 모든 상황에 대응하기 위해 다양한 종류의 광센서가 존재합니다. 빛의 대상이 규정치 안에 들어왔는지를 감지하여 ON이면 합격, OFF이면 불합격으로 판정하여 알려주는 종류부터 단일 광자를 감지할 수 있는 고감도 센서까지 다양하게 개발되고 있습니다.
자동문의 인감 센서에도 광센서가 사용되고 있습니다. 센서의 응답이 빠르기 때문에 불필요한 시간 지연이 발생하지 않는다. 또한, 빛을 감지하여 작동하기 때문에 사람이나 사물이 접촉할 필요가 없고, 감지하는 대상물의 오염을 유발하지 않습니다. 따라서 안심하고 사용할 수 있습니다. 이러한 이유로 산업용이나 민수용으로도 광센서가 사용되고 있습니다.
빛에는 눈에 보이는 ‘가시광선’과 눈에 보이지 않는 ‘자외선’, ‘적외선’ 등이 있습니다. 따라서 광센서를 선택할 때는 파장에 맞는 센서를 선택해야 합니다.
광센서에는 포토다이오드 등 반도체를 사용하는 타입과 광전자배증관을 사용하는 타입이 있습니다.
광센서의 사용 용도
최근 일상 생활에서 기기의 자동화가 진행되면서 광센서의 용도가 확대되고 있습니다. 대표적인 것으로는 TV나 오디오의 리모컨이 있는데, 이 리모컨은 적외선에 반응하여 움직이기 때문에 적외선용 광센서가 사용되고 있다. 또한, 카메라의 자동 초점이나 이미지 센서에도 사용됩니다. 그 외에도 세면대 수도꼭지에도 광센서가 사용되어 사람의 손을 감지하여 자동으로 스위치가 켜지고 꺼지도록 되어 있습니다.
집 밖으로 한 발자국만 나가면 우리 생활 곳곳에 광센서가 사용되고 있습니다.
현금자동입출금기(ATM)에서는 ‘카드 감지’, ‘지폐 감지’, ‘내부 기구 감지’에 광센서가 사용됩니다. 매표기에서는 ‘동전 감지’, ‘티켓 감지’, ‘지폐 감지’에 사용됩니다. 화장실에 들어가면 인감 센서에 의해 조명이 켜지거나, 사람이 없을 때는 조명을 꺼서 에너지 절약에 기여하고 있습니다.
과일류의 당도 검사에도 광센서가 사용되고 있는데, 과일을 손상시키지 않고 당도를 측정할 수 있어 수요가 늘고 있습니다. 과즙에 녹아있는 당분이나 산 성분이 많을수록 빛의 굴절률이 커진다는 원리를 응용해 당도를 측정할 수도 있습니다.
또한 천문학에도 응용되고 있는데, 예전에는 사진건판에 천체 이미지를 기록했지만 1990년대 들어 전하결합소자(CCD)가 채택되기 시작하면서 천체 관측에 활용되고 있습니다.
광센서 기술
최근 들어 광센서 기술은 눈부신 발전을 거듭하고 있다. 산업용 분야에서는 사물을 파괴하지 않고 대상물의 상태를 검사할 수 있는 검사법으로 비파괴 검사가 있습니다. 이 검사 방법에서는 대상물에 방사선이나 초음파를 조사하여 흠집이나 손상 정도를 대상물을 깨뜨리지 않고도 검사할 수 있습니다. 광센서에도 이러한 검사 방법과 유사한 원리로 근적외선 분광법이라는 방법이 채택되고 있습니다. 근적외선 분광법은 근적외선 분광 센서에 사용되며, 관찰하는 대상물에 영향을 주지 않는 구조로 되어 있습니다. 적외선은 ‘근적외선’, ‘중적외선’, ‘원적외선’으로 분류되는데, 이 중 근적외선 분광 센서에서는 근적외선을 다루고 있습니다.
근적외선 분광 센서는 무기물부터 유기물까지 폭넓게 관찰할 수 있습니다. 예를 들어, 기계학습 분야와 연계하여 무기물에서는 콘크리트의 열화 여부를 확인하는 데 사용되고, 유기물에서는 사람이나 물고기의 체내 지방량을 관찰하는 데 사용되고 있습니다.
이렇듯 한 분야뿐만 아니라 더 많은 기술을 접목하여 광센서 기술은 지금도 계속 진화하고 있습니다.
광센서의 원리
광센서의 감지 방식은 여러 가지가 있습니다. 그 중 대표적인 것은 투과형과 회귀반사형입니다. 투과형은 빛을 발산하는 투광기와 수광기가 필요하며, 그 사이에 방해물이 있으면 반응합니다. 회귀반사형은 투광기와 수광기가 일체형으로 투광부에서 나온 빛이 반사판에서 튕겨져 나오는 빛의 차단을 감지합니다.
또한, 원리적으로는 내부 광전효과를 이용한 센서와 외부 광전효과를 이용한 센서가 있습니다.
내부 광전 효과
포토다이오드로 대표되는 반도체를 이용하고 있으며, 광기전력 효과 또는 광전도 효과를 이용하고 있습니다. 실리콘 셀은 가시광선 영역, 게르마늄 셀은 자외선~적외선 파장에 대응합니다. 카메라에 많이 사용되는 CCD는 가시광선 영역입니다.
외부 광전 효과
빛이 조사되면 음극에서 전자가 튀어나와 양극에 모여 증폭하여 검출합니다. 광전자증배관을 이용하는 센서는 진공 자외선 영역부터 1700㎛까지 넓은 영역을 감지할 수 있습니다. 광전관을 이용한 센서도 자외선부터 가시광선까지 감지할 수 있습니다.
광센서 제품 특징
광센서 제품은 감지 대상에 맞게 설계하여 광로에 특징을 가진 다음과 같은 유형이 있습니다.
1. 투과형 광센서
발광소자가 발산하는 빛이 일정한 간격을 두고 수광소자에 닿도록 양측 소자가 마주보는 ㄱ자형 구조로 되어 있습니다. 발광소자의 빛이 차폐물에 의해 변화하는 수광소자의 출력으로 측정합니다.
2. 분리형 포토센서
발광 소자와 수광 소자가 분리된 패키지로, 긴 센서 간 거리를 확보하여 임의의 설정이 가능합니다.
3. 반사형 포토센서
발광소자와 수광소자를 같은 방향으로 배열하거나 일정한 각도로 설치합니다. 발광소자에서 나오는 빛을 특정 감지물에 비추고, 거기서 반사된 빛을 수광소자로 측정합니다.
4. 프리즘 포토센서
발광 소자와 수광 소자를 같은 방향으로 나란히 설치한 광센서로, 발광 소자와 수광 소자 사이에 프리즘을 통해 측정합니다.
5. 액추에이터 광센서
투과형 포토센서에 회전 동작을 하는 액추에이터(레버)를 결합하여 레버로 차단하여 기계적으로 판별합니다.