Fiber Optic Sensor란? 광섬유 검출 원리

Fiber Optic Sensor란 광섬유를 통해 빛을 좁은 공간까지 전달하고 물체에 의해 차단되거나 반사되는 광량 변화를 감지하는 센서입니다. 작은 부품과 협소한 위치를 검출하는 원리를 알아봅니다.

Fiber Optic Sensor란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

Fiber Optic Sensor는 광섬유(Fiber)를 이용하여 빛을 검출위치까지 전달하고 물체에 의해 발생하는 광량의 변화를 분석하여 대상물의 존재나 위치를 확인하는 광학센서입니다. 공장자동화에서 흔히 사용하는 Fiber Sensor는 Fiber Unit과 Fiber Amplifier로 구성됩니다. Amplifier 내부에는 LED 등의 Light Source와 Photodetector, Signal Processing Circuit, Output Circuit이 들어 있고 광섬유는 빛을 실제 검출지점까지 전달하는 역할을 합니다. 일반 Photoelectric Sensor는 센서 본체를 검출위치 가까이에 설치해야 하지만 Fiber Unit은 Head 부분을 매우 작게 만들 수 있어 좁은 기계 틈이나 작은 부품 주변에도 설치하기 쉽습니다. 전자부품의 유무확인, 작은 Pin과 Wire 검출, 반도체 부품 위치확인, Label Edge 감지, 조립공정의 미세부품 검출 등에 활용됩니다. 특히 검출부에 전자회로를 배치하기 어려운 공간에서도 Fiber Head만 배치할 수 있다는 점이 산업자동화에서 중요한 장점입니다.

광섬유는 빛을 어떻게 검출위치까지 전달할까?

광섬유는 투명한 Core와 이를 둘러싼 Cladding 구조를 이용하여 빛을 전달합니다. Core와 Cladding은 서로 다른 굴절률을 가지며 적절한 조건에서 Core 내부로 입사된 빛은 경계면에서 전반사(Total Internal Reflection)를 반복하면서 Fiber를 따라 이동합니다. Fiber Amplifier에서 만들어진 빛은 광섬유를 통해 검출 Head까지 전달되고 대상물과 상호작용한 뒤 수광용 Fiber를 통해 다시 Amplifier의 Receiver로 전달될 수 있습니다. 이러한 구조 덕분에 광원과 Photodetector 같은 전자부품을 검출지점에서 떨어진 곳에 설치하면서도 작은 공간에 빛을 보내고 받을 수 있습니다. 산업용 Fiber Unit에는 Plastic Fiber가 많이 사용되며 적용환경에 따라 Glass Fiber 등이 사용되기도 합니다. 다만 Fiber는 무리하게 꺾으면 광손실이 증가하거나 손상될 수 있으므로 제조사가 지정한 Minimum Bending Radius를 지켜야 합니다. 또한 Fiber 끝면의 오염이나 손상도 송·수광량을 감소시켜 검출안정성에 영향을 줄 수 있습니다.

투과형과 반사형 Fiber Sensor는 어떻게 다를까?

Fiber Optic Sensor도 일반 Photoelectric Sensor처럼 대표적으로 Through-beam Type과 Reflective Type으로 구성할 수 있습니다. 투과형 Fiber Sensor는 송광용 Fiber와 수광용 Fiber를 서로 마주 보게 설치합니다. 정상상태에서는 빛이 Receiver에 도달하지만 물체가 두 Fiber Head 사이를 지나가면 Beam이 차단되어 출력이 변합니다. 작은 물체를 안정적으로 검출하기 쉽고 대상물의 색상이나 표면반사율에 상대적으로 덜 의존한다는 장점이 있습니다. 반사형 Fiber Sensor는 송광과 수광 Fiber를 같은 방향에 배치하고 대상물에서 반사되어 돌아오는 빛을 검출합니다. 한쪽에만 Fiber Head를 설치할 수 있어 공간활용에 유리하지만 대상물의 색상과 표면, 광택 등에 따라 수광량이 달라질 수 있습니다. Coaxial Reflective Fiber처럼 송·수광 구조를 정밀하게 구성한 제품도 있습니다. 따라서 단순히 Fiber를 사용한다는 것만으로 검출특성이 결정되는 것이 아니라 Fiber Head의 광학구조와 검출방식을 함께 확인해야 합니다.

작은 물체를 검출하는 데 유리한 이유는 무엇일까?

Fiber Sensor의 큰 장점은 검출 Head와 Light Spot을 작게 구성할 수 있다는 점입니다. 일반적인 광전센서 본체를 설치하기 어려운 좁은 공간에서도 가느다란 Fiber Head를 대상물 가까이에 배치할 수 있으며 작은 Spot을 이용해 미세한 부품의 존재나 위치를 검출할 수 있습니다. 일부 Fiber Unit에는 작은 물체를 검출하기 위한 Fine Beam이나 Slit 구조가 적용되며 Lens Unit을 결합하여 Beam 특성과 검출거리를 조절할 수도 있습니다. 이러한 특성은 Connector Pin, 소형 Screw, 전자부품, 가느다란 Wire처럼 크기가 작은 Target을 검출할 때 유용합니다. 그러나 검출 가능한 최소물체 크기는 단순히 Fiber 직경만으로 결정되지 않습니다. Beam Size, Sensing Distance, Target의 이동방향, Amplifier의 Sensitivity와 Response Time 등이 함께 영향을 줍니다. 특히 고속으로 이동하는 작은 부품은 Beam을 통과하는 시간이 매우 짧기 때문에 센서의 응답속도와 PLC Input Filter까지 고려해야 안정적인 Count와 Position Detection이 가능합니다.

Fiber Optic Sensor를 사용할 때 무엇을 확인해야 할까?

Fiber Sensor를 선정할 때는 먼저 Through-beam인지 Reflective인지 결정하고 필요한 Sensing Distance와 Minimum Detectable Object를 확인해야 합니다. Fiber Cable은 설치과정에서 지나치게 당기거나 작은 반경으로 반복해서 굽히지 않아야 하며 움직이는 기계부에 사용할 경우에는 반복굽힘에 적합한 Flexible Fiber인지 확인하는 것이 좋습니다. 고온이나 Chemical 환경에서는 일반 Plastic Fiber보다 해당 환경에 적합한 Fiber Unit이 필요할 수 있습니다. Fiber Amplifier에서는 Sensitivity Adjustment와 Teach-in, Light ON·Dark ON, Response Mode 등을 공정에 맞춰 설정합니다. 출력은 NPN·PNP 방식이 일반적으로 사용되므로 PLC Digital Input 구조와도 맞아야 합니다. 여러 Fiber Sensor를 가까이 설치하면 광학적인 상호간섭 가능성이 있으므로 Interference Prevention 기능도 확인할 필요가 있습니다. 결국 Fiber Optic Sensor는 빛을 광섬유로 원하는 위치까지 전달함으로써 일반 센서가 들어가기 어려운 좁은 공간과 작은 물체를 정밀하게 검출할 수 있는 산업자동화용 광학센서입니다.