포토인터럽터란? 빛의 차단으로 위치 검출 원

포토인터럽터란 발광부와 수광부 사이의 빛이 물체에 의해 차단되는 변화를 이용해 위치와 움직임을 검출하는 광센서입니다. 구조와 동작 원리, Encoder·Home Sensor 활용방법을 알아봅니다.

포토인터럽터란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

포토인터럽터(Photo Interrupter)는 발광부인 Emitter와 수광부인 Receiver를 서로 마주 보도록 배치하고 그 사이의 빛이 물체에 의해 차단되는지를 이용해 위치와 움직임을 검출하는 광학센서입니다. Photoelectric Sensor의 투과형 검출원리를 작은 부품 형태로 구현한 것으로 이해할 수 있으며 Photointerrupter, Slot Sensor, Photo Micro Sensor 등으로 불리기도 합니다. 대표적인 구조는 U자 형태의 Housing 양쪽에 LED와 Phototransistor 또는 Photodiode가 배치되고 가운데 Slot으로 검출물체가 통과하도록 구성됩니다. Slot이 비어 있으면 Emitter의 빛이 Receiver에 도달하지만 차광판이나 기계부품이 들어오면 빛이 차단되어 출력상태가 변합니다. 비접촉 방식이므로 기계적인 접점마모가 없고 반복적인 위치검출에 적합합니다. Printer의 용지검출, Motor와 Gear의 회전감지, 자동화기기의 원점확인, Encoder의 회전 Pulse 생성 등 다양한 전자·자동화 장치에 활용됩니다.

빛이 차단되면 전기신호는 어떻게 변할까?

포토인터럽터의 Emitter에는 일반적으로 적외선 LED가 사용되며 Receiver에는 Phototransistor나 Photodiode 등의 광검출소자가 사용됩니다. Slot에 물체가 없는 상태에서는 LED에서 방출된 빛이 Receiver에 도달하고 광에너지가 전기적인 신호로 변환됩니다. 차광판이 Slot 안으로 들어오면 Optical Path가 차단되면서 Receiver에 도달하는 광량이 크게 감소합니다. 이후 센서의 출력회로나 외부 Signal Processing Circuit은 이러한 수광량 변화를 논리적인 ON·OFF 신호로 변환합니다. 출력형태는 제품에 따라 Phototransistor의 Collector·Emitter가 직접 제공되거나 Comparator와 Schmitt Trigger가 포함된 Digital Output으로 구성될 수 있습니다. 따라서 빛이 차단되면 반드시 출력이 ON된다고 단정할 수는 없습니다. 회로구성과 Light ON·Dark ON 논리에 따라 출력상태가 달라질 수 있기 때문입니다. 실제 적용에서는 센서의 Datasheet와 회로도를 확인하여 차광상태와 비차광상태에서 출력전압이 어떻게 변하는지 파악해야 합니다.

포토인터럽터로 위치와 회전속도를 어떻게 검출할까?

포토인터럽터는 단순한 물체 유무뿐 아니라 기계의 Position과 Rotation을 검출하는 데 활용할 수 있습니다. 이동축에 작은 Flag나 Slit Plate를 설치하고 특정 위치에서 센서의 Beam을 차단하도록 구성하면 해당 지점을 Home Position이나 Limit Position으로 사용할 수 있습니다. 회전축에는 일정한 간격으로 Slot이 만들어진 Encoder Disk를 장착할 수 있습니다. Disk가 회전하면 Slot과 차광부분이 Emitter와 Receiver 사이를 반복해서 지나가면서 빛이 통과하고 차단되며 연속적인 Pulse Signal이 생성됩니다. 제어기는 일정시간 동안 발생한 Pulse 수를 이용해 회전속도를 계산하거나 누적 Pulse를 이용해 상대적인 이동량을 판단할 수 있습니다. 다만 정밀한 방향과 위치정보가 필요하다면 A·B상 신호와 Z상 기준신호 등을 사용하는 전용 Incremental Encoder가 더 적합합니다. 즉 포토인터럽터는 광학적인 ON·OFF 검출소자이지만 기계구조와 Signal Processing을 결합하면 다양한 Position Sensing 기능을 구현할 수 있습니다.

포토인터럽터와 일반 광전센서는 무엇이 다를까?

포토인터럽터와 Through-beam Photoelectric Sensor는 모두 Emitter와 Receiver 사이의 빛이 차단되는 현상을 이용한다는 점에서는 비슷합니다. 그러나 구조와 사용범위에는 차이가 있습니다. 일반적인 산업용 투과형 광전센서는 송신기와 수신기가 독립된 Housing으로 구성되어 비교적 긴 거리에서 Conveyor 제품이나 Box 등을 검출하는 데 사용됩니다. 반면 포토인터럽터는 발광부와 수광부가 하나의 작은 Housing에 고정되어 있고 두 부분 사이의 Slot을 물체가 통과하도록 설계된 제품이 많습니다. 이 때문에 검출거리는 구조적으로 제한되지만 Emitter와 Receiver의 광축을 사용자가 별도로 맞출 필요가 적고 작은 기계부품의 정밀한 위치검출에 유리합니다. 또한 PCB Mount Type과 Connector Type 등 전자기기에 직접 조립하기 쉬운 제품도 많습니다. 따라서 넓은 설비에서 제품을 검출하는 경우에는 산업용 Photoelectric Sensor가 적합하고 좁은 기구 내부에서 Flag나 Disk의 위치를 검출할 때는 포토인터럽터가 효과적입니다.

포토인터럽터를 사용할 때 무엇을 확인해야 할까?

포토인터럽터를 선정할 때는 Slot Width와 Slot Depth, 검출물체의 크기 및 기계적인 이동공차를 먼저 확인해야 합니다. 차광판이 Beam을 충분히 가리지 못하면 출력이 불안정해질 수 있으며 Flag가 Housing과 충돌하지 않도록 기계적인 여유도 확보해야 합니다. 고속 회전체나 Encoder Disk를 검출한다면 Response Time과 Switching Frequency가 충분한지 확인해야 합니다. Open Collector 형태의 Phototransistor Output을 사용하는 경우에는 외부 Pull-up Resistor가 필요한지 회로조건을 검토해야 합니다. 먼지나 Oil이 Slot 내부의 광학부에 쌓이면 수광량이 감소할 수 있으므로 사용환경도 중요합니다. 강한 외부광이 Receiver에 직접 들어가는 조건에서는 오동작 가능성을 검토해야 하며 산업용 모듈은 변조광이나 신호처리를 통해 주변광 영향을 줄이는 경우도 있습니다. 결국 포토인터럽터는 발광부와 수광부 사이의 빛을 차단하는 간단한 원리를 이용해 기계의 위치와 회전, 이동상태를 빠르고 반복적으로 검출하는 비접촉 광학센서입니다.