자동화 설비에서 제품의 유무를 확인하거나 컨베이어를 지나가는 부품의 개수를 세는 작업은 매우 흔하게 발생합니다. 작업자가 직접 눈으로 확인할 수도 있지만, 생산 속도가 빨라지고 24시간 자동으로 설비가 운전되기 시작하면 사람의 눈을 대신할 수 있는 장치가 필요합니다.
이때 가장 대표적으로 사용되는 센서가 바로 광센서(Photoelectric Sensor)입니다.
이번 글에서는 그중에서도 산업 자동화 현장에서 매우 자주 사용되는 광전식 센서, 즉 광센서가 빛을 이용해 물체의 유무를 어떻게 판단하는지 조금 더 자세하게 알아보겠습니다.
단순히 “빛을 쏘고 물체가 있으면 감지한다”는 설명을 넘어, 실제 산업 현장에서 사용되는 투과형, 회귀반사형, 확산반사형의 차이와 광센서에서 오측정이 발생하는 이유까지 함께 살펴보겠습니다.
1. 광센서란 무엇일까?
광센서는 빛을 이용하여 물체의 유무, 위치 또는 이동을 감지하는 센서입니다.
산업 현장에서는 광전 센서, 포토센서(Photo Sensor), 포토일렉트릭 센서(Photoelectric Sensor) 등의 이름으로도 불립니다.
광센서의 기본적인 동작 과정은 비교적 간단합니다.
센서에서 빛을 발사하고, 물체에 의해 발생하는 빛의 차단이나 반사량의 변화를 감지합니다. 그리고 이렇게 감지된 변화를 전기적인 출력 신호로 변환하여 PLC와 같은 제어장치에 전달합니다.
예를 들어 컨베이어 위를 제품이 지나간다고 생각해 보겠습니다.
제품이 없을 때에는 센서가 일정한 상태의 빛을 감지합니다. 이후 제품이 센서의 감지 영역에 들어오면 빛이 차단되거나 반사되는 양이 달라집니다.
광센서는 이 변화를 감지하여 PLC에 신호를 보냅니다.
결국 자동화 시스템에서는 다음과 같은 과정이 만들어집니다.
빛을 발사 → 빛의 변화 감지 → 전기 신호 변환 → PLC 전달 → 설비 동작
사람이 제품을 보고 “제품이 들어왔다”고 판단하는 과정을 광센서가 빛을 이용해 대신하는 셈입니다.
2. 광센서는 어떤 빛을 사용할까?
광센서라고 하면 흔히 사람이 볼 수 있는 가시광선을 떠올릴 수 있습니다. 하지만 산업용 광센서에서는 적외선이나 가시광선, 레이저 등 다양한 광원을 사용할 수 있습니다.
사용하는 광원의 종류와 파장, 광학계의 구조에 따라 감지 특성이 달라질 수 있습니다.
특히 적외선은 사람의 눈으로 직접 볼 수 없다는 장점이 있습니다. 주변 환경의 영향을 줄이면서 안정적으로 물체를 감지하기 위한 목적으로 산업용 센서에서 많이 활용됩니다.
반면 레이저를 사용하는 센서는 빛을 매우 좁은 영역으로 집중시킬 수 있기 때문에 작은 물체나 정밀한 위치 측정 등에 유리합니다.
다만 광센서라고 해서 모두 거리 측정용으로 사용하는 것은 아닙니다.
단순히 물체의 유무를 확인하는 센서와 물체까지의 거리를 정밀하게 측정하는 레이저 변위센서는 목적과 구조가 다릅니다.
앞서 살펴본 레이저 거리센서 역시 빛을 이용하지만, 핵심 목적은 물체의 유무보다는 거리와 변위의 정밀한 측정에 있습니다.
이처럼 같은 “빛”을 사용하더라도 센서의 목적과 구조에 따라 전혀 다른 장비가 될 수 있습니다.
3. 광센서의 대표적인 3가지 감지 방식
산업 현장에서 사용하는 광센서는 빛을 어떻게 보내고 받느냐에 따라 대표적으로 투과형, 회귀반사형, 확산반사형으로 구분할 수 있습니다.
1- 투과형 광센서
투과형은 광센서의 가장 기본적인 구조라고 할 수 있습니다.
송신부와 수신부를 서로 마주 보도록 설치합니다.
송신부에서 빛을 발사하면 반대편에 설치된 수신부가 그 빛을 계속 받아들입니다.
그런데 제품이 두 센서 사이를 지나가면 빛의 경로가 차단됩니다.
이때 센서는 “물체가 들어왔다”고 판단합니다.
투과형의 가장 큰 장점은 감지 신뢰성이 높다는 것입니다.
센서와 센서 사이의 빛이 직접 차단되는지를 판단하기 때문에 물체의 색상이나 표면 반사율의 영향을 상대적으로 적게 받을 수 있습니다.
따라서 다음과 같은 곳에서 활용하기 좋습니다.
- 컨베이어 제품 유무 감지
- 생산품 개수 측정
- 출입문 개폐 감지
- 물류 이송라인 제품 감지
- 고속으로 이동하는 제품 감지
다만 송신부와 수신부를 서로 마주 보게 설치해야 하기 때문에 설치 위치와 정렬 상태가 중요합니다.
두 센서의 중심이 틀어지거나 진동으로 위치가 변하면 감지 신뢰성이 떨어질 수 있습니다.
2- 회귀반사형 광센서
회귀반사형은 송신부와 수신부가 하나의 센서 안에 들어 있고, 반대편에 반사판(Reflector)을 설치하는 방식으로, 센서가 빛을 발사하면 반사판에서 빛이 반사되어 다시 센서로 돌아옵니다.
정상적인 상태에서는 센서가 반사판에서 돌아오는 빛을 계속 감지합니다.
하지만 물체가 센서와 반사판 사이를 지나가면 빛의 경로가 차단됩니다.
이 변화를 이용하여 물체의 유무를 판단합니다.
투과형과 비교하면 설치가 간편하다는 장점이 있습니다.
하지만 반사판과 센서 사이의 정렬 상태가 중요하며, 매우 반사율이 높은 물체를 감지할 때는 별도의 고려가 필요할 수 있습니다.
3- 확산반사형 광센서
확산반사형은 센서에서 빛을 발사하고 감지 대상 물체에서 반사되어 돌아오는 빛을 직접 이용하는 방식입니다.
센서 하나만 설치하면 되기 때문에 구조가 간단하고 설치가 편리합니다.
예를 들어 컨베이어 옆에 광센서를 하나 설치하고 제품이 센서 앞을 지나가도록 구성할 수 있습니다.
제품이 없을 때와 제품이 있을 때 수광량이 달라지고, 센서는 이 차이를 이용하여 물체를 감지합니다.
다만 이 방식은 감지 대상의 색상, 재질, 표면 상태, 반사율에 영향을 받을 수 있습니다.
흰색 물체와 검은색 물체의 반사 특성이 다르고, 광택이 있는 금속과 무광 플라스틱의 반사 특성도 다르기 때문입니다.
따라서 확산반사형 광센서를 선정할 때는 단순히 “감지 거리가 100mm이므로 사용 가능하다”고 판단해서는 안 됩니다.
실제 감지하려는 물체를 기준으로 센서의 성능을 확인해야 합니다.
4. 왜 검은색 물체는 광센서가 감지하기 어려울까?
광센서의 현장 트러블슈팅에서 자주 등장하는 문제가 바로 감지 대상의 색상 차이입니다.
확산반사형 센서의 경우 물체에서 반사되어 돌아오는 빛의 양을 이용하기 때문에 물체의 색상과 표면 상태가 감지 결과에 영향을 줄 수 있습니다.
일반적으로 밝은색 표면은 빛을 상대적으로 많이 반사하고, 어두운색이나 검은색 표면은 빛을 상대적으로 적게 반사합니다.
따라서 동일한 거리에서 흰색 제품은 정상적으로 감지되는데 검은색 제품은 감지 거리가 짧아지는 현상이 나타날 수 있습니다.
특히 생산라인에서 제품의 색상이 변경되는 경우 기존에 정상적으로 동작하던 광센서가 갑자기 오작동하는 것처럼 보일 수 있습니다.
이때 센서 자체가 고장 난 것이 아니라 감지 대상의 광학적 특성이 바뀐 것일 수도 있습니다.
앞서 살펴본 것처럼, 센서 이상이 발생했을 때는 센서 자체 뿐 아니라, 주변 조건의 변화도 함께 확인해야 합니다.
5. 투명한 물체를 광센서로 감지하기 어려운 이유
투명한 플라스틱이나 유리병 등을 일반적인 광센서로 감지할 때도 문제가 발생할 수 있습니다.
투명한 물체는 빛을 상당 부분 통과시키기 때문에 센서가 물체의 존재를 명확하게 판단하기 어려울 수 있습니다.
또한 유리나 광택이 있는 플라스틱은 빛을 예상하지 못한 방향으로 반사시킬 수도 있습니다.
이 때문에 투명 용기를 감지하는 생산라인에서는 일반적인 확산반사형 센서 대신 투명체 감지에 적합하도록 설계된 광센서나 회귀반사형 센서 등을 검토해야 합니다.
결국 광센서를 선정할 때는 “빛을 사용한다”는 사실보다 어떤 물체를 어떤 환경에서 감지하는가가 더 중요합니다.
6. 광센서의 오측정은 어떤 이유로 발생할까?
광센서는 비접촉 방식이라는 큰 장점이 있지만 설치 환경에 따라 오측정이 발생할 수 있습니다.
대표적인 원인은 다음과 같습니다.
① 센서 렌즈의 오염
공장에서는 분진, 먼지, 오일 미스트 등이 발생할 수 있습니다.
이물질이 센서의 렌즈에 쌓이면 빛의 송수신 상태가 변할 수 있습니다.
② 감지 대상의 색상 변화
제품의 색상이 변경되면 반사되는 빛의 양도 달라질 수 있습니다.
③ 주변의 강한 빛
강한 외부 조명이나 태양광 등이 센서의 수광부에 영향을 줄 가능성도 있습니다.
④ 센서 설치 위치 변화
설비의 진동으로 센서 방향이 조금씩 틀어지거나 반사판의 위치가 변하면 감지 상태가 달라질 수 있습니다.
⑤ 감지 거리 변화
제품의 위치가 설계된 감지 범위에서 벗어나면 안정적인 감지가 어려워질 수 있습니다.
따라서 광센서에 문제가 발생했을 때 무조건 센서를 교체하기보다는 렌즈 오염 → 설치 위치 → 감지 대상 → 감지 거리 → 주변 광원 → 배선 및 출력 신호의 순서로 점검하는 것이 효율적입니다.
7. 산업용 광센서를 선택할 때 확인해야 할 점
광센서를 처음 선정한다면 다음과 같은 항목을 확인하는 것이 좋습니다.
첫 번째는 감지 대상입니다.
금속인지, 플라스틱인지, 유리인지, 투명체인지 확인해야 합니다.
두 번째는 감지 방식입니다.
투과형이 적합한지, 회귀반사형이 적합한지, 확산반사형이 적합한지 판단해야 합니다.
세 번째는 감지 거리입니다.
실제 센서 설치 위치와 제품 사이의 거리를 기준으로 충분한 검출 여유가 있는지 확인해야 합니다.
네 번째는 제품의 이동 속도입니다.
고속 컨베이어에서는 센서의 응답 속도와 반복 정밀도도 중요한 선정 기준이 됩니다.
다섯 번째는 설치 환경입니다.
먼지, 수분, 오일, 진동, 고온 등이 존재한다면 센서의 내환경성과 보호등급을 확인해야 합니다.
마지막으로 PLC와 연결하기 위한 출력 방식과 전원 조건도 반드시 확인해야 합니다.
센서의 광학적인 성능이 아무리 좋아도 실제 제어 시스템과 전기적으로 호환되지 않는다면 현장에서는 사용할 수 없습니다.
8. 마치며
지금까지 살펴본 것처럼 광센서는 단순히 빛을 비추는 장치가 아닙니다.
센서에서 빛을 발사하고, 물체에 의해 발생하는 빛의 차단 또는 반사량의 변화를 감지하여 물체의 존재 여부를 판단합니다.
투과형은 빛의 차단을 이용하고, 회귀반사형은 반사판에서 돌아오는 빛의 차단을 이용하며, 확산반사형은 물체에서 반사되어 돌아오는 빛을 이용합니다.
따라서 세 가지 방식은 모두 “빛을 이용한다”는 공통점이 있지만 실제 설치 방법과 감지 특성은 서로 다릅니다.
특히 산업 현장에서는 제품의 색상, 투명도, 표면 상태, 설치 위치, 주변 조명과 같은 조건이 광센서의 감지 성능에 영향을 줄 수 있습니다.
이 때문에 광센서를 선정할 때는 카탈로그에 표시된 감지 거리 하나만 보고 결정하기보다는 실제 제품과 설치 환경을 함께 고려해야 합니다.
앞선 글에서 살펴본 초음파 센서와 레이저 거리센서 역시 각각 장단점이 있었던 것처럼 광센서도 모든 상황에 가장 적합한 센서는 아닙니다.
결국 중요한 것은 “어떤 센서가 가장 좋은가?”가 아니라 “내가 감지하려는 대상과 환경에 어떤 센서가 가장 적합한가?”를 판단하는 것입니다.
다음 글에서는 이러한 센서 선택의 관점에서 한 단계 더 나아가, 진동센서는 기계의 이상을 어떻게 미리 발견하는지 알아보겠습니다. 회전하는 모터나 펌프, 팬, 베어링에서 발생하는 미세한 진동을 어떻게 측정하고 고장 예측에 활용하는지 살펴보도록 하겠습니다.