광주과학기술원 - 레이저를 이용한 광섬유 소자 제조 시스템 개발

Author(s):
신우진 선임연구원 - 광주과학기술원 고등광기술연구소

Industry:
Textiles/ Fibers/ Plastics

Products:
Vision Development Module, Motion Control, LabVIEW

The Challenge:
다양한 광섬유 소자 제작을 위한 시스템에서는 다소 복잡한 제조 공정을 통합적으로 제어 수행할 수 있는 제어 시스템을 필요로 하며 연구용 장비의 특성상 새롭게 연구되는 광소자의 제작방법에 따라 변화되는 여러 가지 공정 작업을 쉽게 조합 가능한 소프트웨어 환경이 요구된다.

The Solution:
NI 데이터 수집 (DAQ) 시스템을 이용하여 고가의 레이저의 출력 제어기와 레이저 빔의 위치제어를 위한 스캐너 위치 제어기를 구현 하였고 NI 소음 진동 소프트웨어와 하드웨어를 연동하여 광섬유의 정밀한 형상 가공이 가능한 다목적 광섬유 가공시스템을 개발하였다.

요약
본 시스템은 광섬유 기반의 다양한 광소자를 제작하기 위한 종합적인 광섬유 가공 시스템이라고 할 수 있다. 광섬유 소자 가공을 위해 사용되는 레이저의 출력을 제어하고 가공 대상인 광섬유의 형태 변화를 비전 시스템을 이용하여 측정하며 정확하고 다양한 모션 제어 기능을 이용하여 원하는 형태로 광섬유 가공을 하게 된다. NI 데이터 수집 (DAQ) 시스템을 이용하여 고가의 레이저의 출력 제어기와 레이저 빔의 위치제어를 위한 스캐너 위치 제어기를 구현 하였고 NI 소음 진동 소프트웨어와 하드웨어를 연동하여 광섬유의 정밀한 형상 가공이 가능한 다목적 광섬유 가공시스템을 개발하였다.

개발 배경 1
광섬유는 광통신의 발달과정에 있어서 가장 오랜 개발 역사와 다양한 활용분야를 가지고 있다. 광섬유는 단순히 광 신호를 전달하는 전송매체일 뿐만 아니라 광섬유 자체만으로 특수한 기능을 가지는 광소자로서 다양한 역할을 하고 있다. 광섬유 격자, 렌즈형 광섬유, 광섬유 테이퍼 등은 대표적인 광섬유 소자이다. 이러한 광섬유 소자들은 광통신 및 광센서 시스템에 다양하게 사용되기 때문에 이에 대한 제조방법 또한 다양하게 연구되어 왔다.
광섬유 격자의 경우 주로 자외선 레이저와 마스크를 이용하여 광섬유의 굴절률 변화를 유도하는 방법 주로 사용되어 왔다. 하지만 고가의 자외선 영역의 레이저 장비의 가격으로 인한 어려움이 있고 또한 사용파장이 다른 주기의 격자를 제작할 때, 새로운 마스크가 필요하다는 단점을 가지고 있다. 최근 들어 CO2 레이저를 이용하여 장주기 광섬유 격자를 제작할 수 있는 방법이 제안되고 이에 대한 활발한 연구가 수행되었다.
CO2 레이저를 이용한 방법은 기존의 방법에 비해 저가의 레이저 광원을 가지고 마스크 없이 광섬유 격자를 제작할 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 정확한 광섬유 위치 제어와 안정적인 레이저 출력 제어 그리고 공정의 모니터링 등 다양한 제어요소가 추가로 요구된다. 렌즈형 광섬유의 경우, 레이저 다이오드나 포토다이오드의 입력 또는 출력단에 사용되어 광원의 신호 출력이나 수신단에 주로 사용된다. 또한 자유공간에서 광신호의 상호연결에 사용되는 주요한 소자이다. 이러한 렌즈형 광섬유를 제작하기 위해서 기존에는 광섬유 끝단을 연마하여 사용하였으나 레이저를 이용하여 광섬유 종단을 용융시켜 볼모양의 렌즈를 성형하여 렌즈형 광섬유의 구현이 가능하다. 광섬유 테이퍼 또한 일정한 두께로 광섬유를 용융 인장시켜 광학적 필터의 특성과 다양한 광학적 소자로 응용이 가능한 소자로 제작이 가능하다. 우수한 광학적 특성을 가지는 광섬유 테이퍼를 제작하기 위해서는 외형적 변형에 따라 인장하는 속도 및 레이저에 의한 광섬유 가열 온도 등이 정확하게 제어되어야 한다. 따라서 이러한 다양한 광섬유 소자 제작을 위한 시스템에서는 유연한 모션제어와 기본적인 DAQ 기능 그리고 정확한 형상 측정을 위한 비전 시스템 등 다소 복잡한 제조 공정을 통합적으로 제어 수행할 수 있는 제어 시스템을 필요로 하며 연구용 장비의 특성상 새롭게 연구되는 광소자의 제작방법에 따라 변화되는 여러 가지 공정 작업을 쉽게 조합 가능한 소프트웨어 환경이 요구된다.

개발 배경 2
기존의 광섬유 소자를 제작하는 시스템은 대부분 수작업에 주로 의존하며 자동화되거나 집적화된 시스템을 구현하기는 상당히 어렵다. 광학장비의 특성상 국외의 몇몇 회사가 전통적으로 신뢰 받는 고유한 제품 영역을 가지고 있으며 가격 또한 매우 고가이다. 대부분의 광학소자 제조 장비들은 이러한 제품을 이용하여 주로 구성되기 때문에 시스템을 이루는 각각의 구성요소들이 독특한 프로그램 사용환경 및 제한적인 개발 소스 제공으로 인해 통합적인 집적화가 어렵기 때문에 새로운 장비를 개발하려고 하는 경우 많은 비용과 시간이 요구된다. 또한 광학 관련 분야의 전문적인 하드웨어들은 대부분 특정 분야에 대하여 특성화되어 개발되어 상용화된 제품이기 때문에 사용자가 요구하는 새롭고 다양하고 분야에 대하여 유연한 개발 환경을 제공하는데 어려움을 가지고 있다.
따라서 본 시스템에서는 일반적인 광학 부품 제조 장비가 요구하는 기능이면서 광섬유 소자 제작에 필요한 기능인 계측기 또는 광원 장비에 대한 원격제어, 자유로운 형태의 모션 제어와 정밀 위치 제어 시스템 및 비전 시스템 등의 기능을 NI 모션, 비전 하드웨어 제품군으로 구현하여 기존의 전문적인 하드웨어를 이용하여 가능하던 광소자 제조장비를 NI 하드웨어 제품으로 구성하여 사용자가 요구하는 다양한 기능이 집적된 시스템을 효율적으로 제작이 가능하였다. 또한 다양한 형태의 기능을 수행하는 제어 프로그램을 LabVIEW를 사용하여 빠른 시간 내에 개발 가능하다는 장점을 가지고 있다.

본론
[시스템 개요]
모션 제어부 : PXI-7358과 PXI-7344를 이용하여 11축 제어기 구축
- 광섬유 가공에 필요한 2축 회전 스테이지, 좌우 각각 2축의 이동스테이지, 전체 시스템 이동을 위한 베이스 스테이지, 광축 정렬을 위한 높이 조절 스테이지, 광감쇄기 조정을 위한 감쇄기 모터 제어. 비전 카메라의 위치 제어를 위한 2축 스테이지 제어를 수행

비전 시스템 : NI 1409와 3대의 CCD 카메라를 이용하여 구축
- 전체 기구물의 움직임을 모니터링 하기 위한 CCD 카메라와 광섬유 가공형상을 측정하기 위해 고배율 대물 렌즈에 연결된 2개의 CCD 카메라를 연결하여 시스템의 모든 공정과 광섬유 가공과정을 확인할 수 있는 3대의 CCD 비전 시스템 구축

DAQ : NI 6259를 이용 레이저 제어와 스캐너 제어
- 레이저의 발진 활성화를 위한 트리거 신호와 출력값 조정을 위한 아날로그 출력 및 레이저 빔의 위치지정을 위한 스캐너 제어를 위한 아날로그 출력 등의 신호를 NI 6259 DAQ카드를 이용하여 제어함.

그림 1. 가속도계 온라인 방사선영향평가 하드웨어시스템 구성

그림 2. 제작된 광섬유 가공 시스템 외관과 내부

렌즈형 광섬유나 광섬유 격자를 제작할 때 광섬유의 굵기 변화, 변화의 개수 및 볼 형태의 렌즈면 크기 등 원하는 가공 형태에 대한 목표 값을 사전 입력하고 가공 정도에 따라 재가공 여부, 인장 속도 거리, 레이저 파워 등을 종합적으로 제어하여 원하는 최종 결과물을 획득하게 된다. 비전 시스템 또한 정확한 대상물의 형태 파악을 위해 자동 초점 기능과 영상처리과정을 통하여 정확한 측정값을 획득하도록 하였으며 NI IMAQ에서 제공되는 다양한 함수들이 많은 도움이 되었다. 레이저를 이용한 광섬유 소자 제조 장비의 구성은 그림 1과 같으며, 그림 2는 제작된 광섬유 가공 시스템의 외부와 내부를 보여주고 있다. 그림 3에 가공 시스템 운영을 위한 메인 프로그램의 화면을 나타내었다. 메인 프로그램은 광섬유를 가공하기 위해 기본적으로 필요한 레이저 제어 및 11축의 모션 제어에 필요한 파라미터들로 구성되어 있으며 광섬유 단면처리, 격자제작, 나선형 광섬유 등의 제작에 필요한 다양한 제어 루틴은 텝 형태로 구성하여 연속적으로 추가될 수 있도록 하였다.

 

그림 3. 광섬유 가공시스템 제어 프로그램

 

그림.4 개발된 가공시스템을 이용하여 제작된 광섬유 소자들

그림 4 에 나타낸 바와 같이 구축된 가공시스템을 이용하여 우수한 성능을 가지는 다양한 광섬유 소자가 제작 가능하였으며 가공 결과물에 대한 외형적 정보를 실시간으로 매우 정확하게 측정 가능하였다. 이러한 통합적인 솔루션은 그동안 각각 수행되어야 했던 광섬유 소자의 제작과 기본적인 외형적 특성 분석을 일괄 처리 할 수 있어 연구 효율 증대시킬 뿐만 아니라 전자동화 시스템을 통하여 동일한 조건의 가공환경이 가능함에 따라 가공 수율의 향상도 이루게 된다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
NI의 제품을 이용한 광학소자 개발 또는 계측에 대한 개발 사례가 드물기 때문에 개발 초기에는 많은 어려움을 겪었다. 또한 광학소자 제조라는 특수한 영역에 대하여 전문적인 시스템들에 대한 기존 인식 때문에 다른 제어기를 적용한 시스템에 대한 개발은 모험적인 요소가 강하였다. 하지만 본 시스템 개발을 통하여 다양한 산업분야에 활발하게 사용되고 있는 NI의 솔루션이 광학소자 제조 분야의 기존의 시스템들의 주요한 제어부분을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 성능의 향상도 가능하다고 생각된다. 앞부분에서도 언급하였지만 본 장비는 산업용 생산장비 보다는 연구용 다목적 장비의 특성이 강하기 때문에 소자 제조 공정에 따른 자유로운 시스템 확장 및 기능 변형과 그에 따른 다양한 사용자 제어 프로그램이 요구된다. 이러한 요구에 대해 다양한 기능의 풍부한 라이브러리를 가지고 있어 능동적 대처가 가능한 개발환경을 제공하는 LabVIEW를 이용하여 원하는 제어 시스템을 단시간에 구현할 수 있었다. 또한 NI의 모션 및 비젼 솔루션이 광소자 및 소재관련 산업분야 및 연구분야에서 요구되는 새로운 연구 및 생산 기술을 개발하고 향상하는데 강력한 도구가 될 수 있다는 점을 확인할 수 있었다.

NI 솔루션이 채택된 이유
본 장비는 산업용 생산장비의 특징보다는 연구용 다목적 장비의 특징이 강하기 때문에 자유로운 시스템 확장 및 변형과 그에 따른 다양한 사용자 프로그램이 요구된다. 따라서 이에 대한 유연한 대응 및 장기적인 시스템의 호환성 위하여 NI사의 하드웨어와 이를 통합 제어 하기 쉬운 소프트웨어 플랫폼인 LabVIEW를 본 시스템 제어솔루션으로 채택하였다. 사용된 각각의 NI 솔루션과 본 시스템에서 요구되는 사항은 아래에 상세히 서술하였다.
(1) 모션 시스템
- NI 모션 제품군은 다축 동기화 기능과 다양한 모터와 호환이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 따라서 제어 용도에 따라 스텝모터, 서보모터, 액츄에이터 등 다양한 모터의 혼합 사용이 가능하고 이에 대한 제어도 간편하다. 또한 FlexMotion에서 제공하는 다양한 모션 제어 함수들은 제어 프로그램 개발 기간을 상당히 단축시켜주며 사용자가 직접 함수를 작성할 때에 비해 신뢰도가 높다. 속도제어, 가감속 제어, 다축 동기화 등의 기능은 동시에 여러 가지 모션이 요구되는 본 작업환경에 유리하다.
(2) 비전 시스템
- 본 시스템 개발에 있어서 비전시스템은 매우 중요한 공정 조건을 확인하는 수단이다. 공정상에서 가공 대상물의 물리적인 구성요소(크기, 원주율, 각도)를 측정하여 측정된 값의 분석을 통하여 다음 단계의 공정을 조정하는 역할을 한다. 이러한 기능을 구현하기 위해서는 복잡한 하드웨어 구성과 전문적인 지식과 고급의 프로그램 능력이 요구된다. 하지만 NI 비전 제품군을 이용하며 비교적 쉽게 원하는 기능의 구현이 가능하다. NI IMAQ 라이브러리와 Vision Development Module을 이용하여 본 시스템에서 요구되는 광섬유의 두께, 곡면의 크기, 절단면의 각도 등을 측정하는 기능을 비교적 쉽게 구현할 수 있다.
(3) DAQ
- 레이저 장비 및 기타 광관련 계측기의 연동을 위해서 GPIB를 비롯하여 디지털 입출력, 아날로그 입출력 등 다양한 형태의 제어요소가 요구된다. 이러한 부분들은 전통적으로 가장 사용하기 쉽고 다양한 기능의 함수가 제공되는 NI DAQ 제품군이 사용하기에 적합하다.

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신우진 선임연구원
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