생산 공정 최적화 및 제어에 적합한 압전 측정 기술

압전 센서 이론

압전 센서 활용의 물리적 기반인 압전 효과는 1880년 Pierre Curie(피에르 퀴리)와 Jacques Curie(자크 퀴리)에 의해 발견되었다.이 같은 압전 효과는 압전 재료에 기계적인 부하가 가해질 경우 전기 전하가 생성되는 원리로 이뤄져 있다. 압전 효과는 석영 크리스털 활용 시 석영에 부하가 가해지고, 작용되는 힘에 비례해 전하 신호가 생성되는 특성을 보유하고 있다.

이로 인해 압전 효과를 활용하는 측정 기술은 변형 및 변위값에 의한 구속을 받지 않는다. 석영의 크기는 측정량의 최대 허용 진폭을 결정하는데, 이 때문에 크기가 큰 센서가 생성한 신호와 동일한 구조의 작은 센서에서 나온 신호가 유사하다.

이와 관련해 동적 압력/힘/토크 및 가속 측정 솔루션 전문 업체인 키슬러는 압전 힘 센서를 제공하고 있는데, 이 센서는 높은 결정체의 강성을 지니고 있어 낮은 측정 편차와 높은 자연 주파수를 구현할 수 있다. 이는 동적인 프로세스에서 중요한 요소인데, 또 다른 특징인 석영과 크리스털은 제로 포인트 오프셋이나 직선성 변화와 같은 피로 및 노화 현상을 겪지 않는다.

그런데 예외적으로 물리적인 현상에 의해 발생하는 전하 드리프트에 의해 압전 센서의 사용이 제한되는 경우가 발생하곤 하는데, 이 때 측정량의 진폭과 측정 기술의 설계에 따라 일정 시간 동안 준정적 측정이 이뤄질 수 있다. 이 같은 석영 센서 기술은 키슬러가 1950년대 이후에 개발한 것으로, 동적인 힘을 직간접적으로 측정한다.

직접 측정 수행 시 센서는 힘 방향(1)에 정확히 위치하며, 공정에서 발생하는 전체 하중을 측정한다. 이 방법은 실질적으로 힘 적용 지점과 무관하게 높은 측정 정확도를 구현하는데, 센서가 힘 방향에 직접 위치하지 않을 시에는 힘의 일부만 측정하며, 나머지는 탑재된 구조를 통과하게 된다(3, 션트 측정). 스트레인 센서는 간접 장력 측정을 통한 구조적 변형(2)에 기반을 두고 공정 하중을 간접적으로 측정한다.

연구 및 산업 분야에서 이뤄지는 응용

일반적으로 크기는 힘 센서 선택 시 중요한 요소로 거론되는데, 석영 센서는 안정적이고 견고한데다가 크기까지 소형이어서 다른 기술을 활용할 수 없는 측정 지점에 설치될 수 있다.

이 같은 속성으로 인해 석영 센서는 연구개발 분야를 비롯해 생산 라인 및 시험 테스트 분야에서도 광범위하게 활용되고 있다. 일례로 잠금장치/문/엔진 후드/트렁크 데크/시트 및 스프링 등에 대한 압력/인장/충돌 및 내구성과 같은 자동차 부품의 장기적인 안정성을 구현할 수 있는 동적 힘 측정 방식이 필요해 노후화 및 부하 테스트에 의한 노후화를 겪지 않는데다가 다른 센서 방식보다 높은 성능을 구현할 수 있는 석영이 적용되는 것을 들 수 있다.

교정은 DINENISO 9001:2015-1과 같은 품질 보증 시스템에서 지정된 주기로 제한되는데, 이와 같은 장점은 시간 및 비용 절감에 긍정적으로 작용한다. 한편, 압전 센서는 동적인 힘 측정(판금 부품의 펀칭 공정 등)과 엔진 블록에 베어링을 압입하는 준정적 프로세스에 적용되는데, 이 때 공정에서 다뤄지는 힘이 안전하게 측정된다.

압전 센서를 활용하는 측정 시스템은 기존 측정 시스템을 영구적으로 파괴시킬 수 있는 순간적인 힘이 발생하더라도 손상을 입지 않는다. 키슬러는 사출 성형 공정 분석 및 문서화를 위한 최적의 품질 보증 솔루션을 제공하고 있는데, 여기서 캐비티 압력은 성형 부품이 실제로 생성되는 동안에 나타나는 상태를 보여주는 중요한 프로세스 변수다. 이 때문에 사용자는 캐비티 압력을 활용해 센서 및 시스템의 불량 여부 등을 조기에 감지할 수 있다.

공정을 위한 시스템 솔루션-통합 품질 보증

민감한 압전 센서를 통해 수집한 데이터를 실제로 활용하기 위해서는 적절한 모니터링 시스템에서 시각화, 평가 및 문서화를 진행하는 작업이 필요한데, 만약 사용자가 이 같은 측정 시스템을 제조 공정에 적용한다면, 제품 결함을 조기에 감지해 경제적 손실을 줄일 수 있게 된다.

조립 공정에서 활용되는 키슬러의 maXYmos 시스템은 생산 공정을 안정적으로 모니터링해 최대 비용 효율을 통한 불량률 제로를 달성하려는 목표에 맞게 생산을 최적화시킨다. 또한, 이 시스템은 자동 접합 및 프레스 공정을 포함해 핸들을 활용하는 프레스와 같은 수동 공정에서도 활용될 수 있으며, 생산 및 조립 공정 외에도 제품 최종 성능 테스트에 적용될 수 있다. 키슬러 XY 모니터링 시스템의 경우, 높은 유연성을 바탕으로 품질 보증을 중요시하는 산업 분야의 요구사항을 충족시킬 수 있다

향상된 비용 효율성

현재 키슬러의 압전 센서 및 관련 모니터링 시스템은 유럽, 미국 및 아시아를 포함해 전 세계에서 활용되고 있다. 압전 효과 이론에 기반을 두고 있는 키슬러의 센서 기술은 기업의 생산 라인 내에서 공정 신뢰성을 향상시키고, 생산성의 지속적인 향상과 함께 생산 불량을 해소해 공정 효율을 극대화시킨다. 이를 비즈니스 관점에서 보게 되면, 키슬러의 정밀 기술이 치열한 경쟁이 벌어지고 있는 글로벌 시장에서 업체의 경쟁력 강화에 일정 부분 기여할 수 있음을 추측할 수 있다.

자료 제공 : 키슬러