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Nikkei X-TECH_2022.4.27

검사 3.0
3D 형상을 고속으로 측정하는 '광빗(Optical comb)'
XTIA, 정밀도 향상과 및 저가격화 추진

최근 레이저광을 이용한 새로운 측정 방법으로 ‘광빗’이 주목 받고 있다. 비접촉 및 고속일 뿐만 아니라, μm 오더의 정밀도로 금속 부품의 크기를 측정할 수 있다. 이에 대한 상세한 내용은 나중에 설명하겠지만, 주파수가 약간 다른 여러 종류의 레이저광을 같은 축 상에서 측정 대상에 조사(照射)하는 구조이다. 세계 최초로 XTIA(쿠티아, 도쿄)가 산업 응용에 성공한 기술이다.

-- 삼각측량보다 50~100배 빠른 속도로 측정--
광빗을 이용한 측거(測距) 기술의 대략적인 구조는 다음과 같다. 우선 레이저의 광원부에서 신호광과 참조광을 출력한다. 두 개 모두 광빗으로 불리는 레이저광으로, 스펙트럼 폭이 좁은 레이저광이 일정한 주파수 간격으로 다수 나열되어 있다. 광빗이라는 명칭은 빗살 형태의 주파수 스펙트럼 모양을 나타낸 것이다.

신호광과 참조광을 비교하면 각각의 광빗을 구성하는 레이저광의 주파수 간격은 약간 다르다. 또한, 이 신호광과 참조광은 일정 주기의 펄스로 출력되며, 그 펄스 주기도 약간의 차이가 있다. 이러한 신호광과 참조광을 간섭계로 같은 축 상에 합류시켜 ‘신호 처리부’에서 광비트를 얻을 수 있다.

신호광과 참조광은 간섭계 내부의 '기준간섭계'와 '측정간섭계'에 따라 두 개의 계통으로 나뉜다. 기준간섭계의 역할은 명칭 그대로 측정의 기준이 되는 광비트를 만들어 내는 것이다. 한편, 측정간섭계는 측정 대상을 향해 조사한 후 돌아온 신호광을 참조광과 합류시켜 비교 대상이 되는 광비트를 생성한다.

측정간섭계의 신호광은 측정 대상까지 갔다가 되돌아오기 때문에 기준간섭계의 신호광보다 더 긴 거리를 거쳐 신호처리부에 도달한다. 그 결과, 두 광비트는 서로 다른 타이밍에 발생해 양자 간에 위상차(Phase difference)가 생긴다. 이 위상차를 바탕으로 레이저광의 비행 시간을 구하고 거리를 산출한다.

1점을 측정하는데 필요한 시간은 2μ초 정도. 최대 속도로 초당 50만 점의 테이터를 측정할 수 있다. 갈바노미터로 레이저광을 주사하면서 그 주사 방향과 직교 방향으로 측정 대상물을 이동시킴으로써 검사면(Control surface)의 3D 형상을 측정할 수 있다. “레이저를 사용한 삼각측량의 50~100배 빠른 속도로 계측할 수 있다”(XTIA)라고 한다.

-- 삼각측량과 TOF의 약점을 극복 --
레이저를 이용한 측거 방법에는 지금까지 다양한 방법들이 있었다. 예를 들어 삼각측량 원리를 이용한 레이저 거리계와 입사광이 반사되어 되돌아오는 시간을 통해 거리를 계산하는 TOF(비행시간, Time of Flight)법이 널리 알려져 있다. 이러한 기존 방법들의 대부분은 단일 파장의 레이저광을 이용하고 있다.

하지만, 기존의 방법들에는 다음과 같은 약점이 있다. 우선 삼각측량은 일반적으로 깊은 구멍과 같은 형상의 측정에 적합하지 않다고 알려졌다. 입사광과 반사광이 같은 축 상에 존재하지 않아 양자 사이에 각도가 생기기 때문에 깊은 구멍 내부를 측정하려면 레이저광이 구조물에 간섭할 위험이 있다.

TOF법의 경우에는 미세한 거리 차이를 측정하는데 적합하지 않다고 여겨지고 있다. 입사광이 반사되어 돌아올 때까지의 시간차가 너무 작으면 그 시간차를 인식하기 위해 고성능 광검출기나 높은 처리능력의 컴퓨터가 필요하기 때문이다.

하지만 광빗의 경우, 레이저광의 입사광과 반사광이 같은 축 상에 존재하기 때문에 삼각측량과 같이 구조물에 대한 간섭이 잘 발생하지 않는다. 또한, 보다 시간 간격이 긴 현상인 광비트의 위상차를 측정하는 구조이기 때문에 짧은 시간 간격의 펄스를 직접 측정하지 않아도 된다. 즉, 컴퓨터로 다루기 쉬운 신호를 사용해 보다 정밀도 높은 측정이 가능한 것이다. 예를 들어 “40피코초(ps) 간격 오더의 펄스를 5만 배인 2μ초로 확대해 측정할 수 있다”(XTIA).

광빗은 지금까지 접촉방식에 의존해온 검사를 비접촉방식으로 대체할 가능성도 있다. “기존의 접촉방식으로는 30분 이상 걸린 실린더 블록 같은 복잡한 형상의 부품 형상 검사도 광빗 기술이라면 1분만에 가능하다. 광빗 기술을 통해 양산 라인에서의 전수 검사가 가능해질 것이다”(XTIA)라고 한다.

-- 3년 후에 연간 100대를 목표로 --
도입에 적극적인 곳은 국내 주요 자동차 업체이다. 예를 들어, 닛산자동차는 엄격한 정밀도가 요구되는 부품 생산라인에서의 인라인 검사에서 채택하고 있다. “XTIA의 고객 가운데 자동차 관련이 차지하는 비율은 대략 절반”(XTIA)이라고 한다. XTIA는 향후, 파워 반도체나 전기 자동차(EV), 항공기 관련의 검사 등에도 광빗의 활용을 확대할 계획이다.

이를 위해 XTIA는 새로운 측정 정밀도 향상과 장치의 저가격화를 목표로 하고 있다. 측정 정밀도 향상의 열쇠가 되는 것은 레이저광의 단파장화이다. 단파장화를 통해 빔을 가늘게 압축함으로써 분해능을 높일 수 있다. 현재 XTIA의 광빗기술이 취급하는 파장은 약 1500nm. 단파장화로 측정 대상 표면의 보다 미세한 형상을 측정할 수 있게 될 것이라고 한다.

저가격화를 위해서는 광원부의 설계를 재검토할 방침이다. 현재 광빗 장치 한 세트의 가격은 1,000만엔 정도이지만, 이를 수백만 엔까지 낮추는 것을 목표로 하고 있다. 연간 판매 대수는 현재의 수 십대에서 2025년에 100대로 늘리는 것을 목표로 한다.

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