스캐너 기반 레이저 용접에서의 ICI 시스템
고속, 고정밀의 레이저 용접 공정에서는 공정 중 실시간으로 용접 품질을 확보하는 것이 매우 중요합니다. 특히 스캐너를 이용한 레이저 용접 시스템에서는 레이저 빔이 빠르게 이동하므로, 공정 상태를 동축(Coaxial) 방향에서 지속적으로 관찰할 수 있는 인라인 공정 모니터링 시스템(Inline Coherent Imaging, ICI)이 핵심 기술로 부상하고 있습니다.
ICI(Inline Coherent Imaging)는 고속 레이저 공정 중 레이저 빔과 동일한 광축(Coaxial) 상에서 실시간으로 깊이 정보를 얻기 위한 광 간섭 기반의 인라인 계측 기술입니다. 일반적으로 OCT(Optical Coherence Tomography)를 기반으로 하지만, 넓은 의미에서는 레이저 가공 경로 상에서 깊이 감지를 수행할 수 있는 모든 동축 간섭형 계측 방식을 포함합니다.
ICI 구성 방식 비교
OCT는 ICI의 대표 기술로, 특히 Spectral-Domain 방식이 고해상도와 고속성을 모두 확보할 수 있어 스캐너 기반 레이저 공정에 적합합니다. OCT 기반 ICI는 레이저가 조사하는 바로 그 지점의 단층 구조를 실시간으로 획득하며, 용입 깊이와 층간 구조 정보를 정밀하게 제공합니다.
LWM(Laser Weld Monitor)은 정확히 말하면 ICI의 하위 기술이라기보다는 별개의 모니터링 플랫폼으로, 다양한 방식(광 방출, 온도, 플라즈마 등)을 복합적으로 활용해 용접 안정성이나 품질 이상을 추정하는 시스템입니다. 일부 LWM 시스템은 OCT를 탑재하여 ICI 기능을 부분적으로 포함하기도 하지만, 동축 간섭 계측 기반의 깊이 측정 기능이 필수 요건은 아닙니다.
Fabry-Perot(F-P) 간섭계는 단순하고 소형화가 가능하지만, 레이저 초점이 이동하는 고속 스캐닝 환경에서는 반사면 간 거리 변화 감지의 민감도가 떨어지는 문제가 있습니다.
TDI(Time-Domain)는 광 경로를 물리적으로 변화시키며 측정하기 때문에, 고속 공정에는 부적합하며 주로 생체 조직 계측이나 저속 용접 계측용으로 연구되었습니다.
방식 | 정의 및 원리 | 주요 계측 항목 | 동축 구성 가능성 | 해상도 | 주파수 응답성 | 상용화 여부 |
OCT (Spectral-Domain) | 간섭 기반으로 심도별 반사 신호 스펙트럼 분석 | 용입 깊이, 레이어 구조 | 높음 | 수 μm | 수 kHz | 매우 활발 |
LWM (Laser Weld Monitor) | 리플렉션 신호 및 플라즈마, 광 방출 분석 | 용입 깊이 추정, 용접 안정도 | 중간~높음 | 수십~수백 μm | 수십 kHz 이상 | 보편적 |
F-P 간섭계 (Fabry-Perot) | 반사면 간 거리 변화에 따른 간섭패턴 분석 | 간섭 거리 변화 | 중간 | 수십 μm | 수 kHz 이상 | 제한적 적용 |
SDI (Spectral Domain Interferometry) | OCT 유사 방식으로 저비용 구현 가능 | 용접 깊이 | 중간~높음 | 수 μm | 수 kHz | 연구 및 시제품 중심 |
TDI (Time Domain Interferometry) | 광 경로 차이 계산을 시간 도메인에서 분석 | 용입 깊이 | 높음 | 수~수십 μm | 수백 Hz 수준 | 드물게 사용 |
ICI vs 기존 머신 비전 & 센서 방식
머신 비전 시스템은 대부분 고속 카메라와 조명을 이용하여 용접 표면의 외관을 실시간으로 모니터링합니다. 하지만 스캐너 기반 용접에서는 레이저의 이동 속도가 워낙 빠르기 때문에, 카메라의 시야각(FOV)이 제한되고, 초점 유지가 어렵습니다. 또한 표면 중심의 정보만 제공하므로, 용입 불량, 내부 기공, 관통 과잉과 같은 문제를 탐지하기 어렵습니다.
센서 기반의 방식(광센서, 열전대, 음향 센서 등)은 설치가 비교적 간단하고 고속 반응이 가능하지만, 외란(노이즈)에 매우 민감하며, 정량적 품질 평가보다는 변화 감지 중심입니다. 또한 대부분 레이저 궤적과 무관한 방향성으로 설치되기 때문에, 스캐너 동기화에 한계가 있습니다.
반면, ICI는 레이저 빔과 완전히 동축으로 구성되어, 실시간으로 레이저가 조사하는 정확한 위치의 깊이 정보를 측정할 수 있습니다. 특히 OCT 기반 ICI는 수 마이크론의 깊이 해상도, 고속 라인 스캔, 깊이별 단층 영상 제공이라는 측면에서 기존 방식들과 비교할 수 없는 정밀성과 공정 제어 가능성을 제공합니다.
항목 | 머신 비전 | 센서 기반 (PD/광센서 등) | ICI (OCT 기반) |
측정 위치 | 용접부 상단(표면) 이미지 | 열원 근처의 광 신호, 음향, 전류 등 감지 | 용접부 내부(용입 깊이)까지 동축 실시간 측정 |
해상도 및 정밀도 | 수십~수백 μm (카메라 해상도 의존) | 상대적 변화 감지 중심, 정량화 어려움 | 수 μm 단위 깊이 해상도 |
반응 속도 | 수 fps 수준, 영상 처리 지연 존재 | 고속 가능 (수십~수백 kHz) | 고속 스캔 가능 (수 kHz 이상) |
주요 한계 | 표면 영상 기반, 내부 불량 감지 불가 | 노이즈 취약, 외란 영향 큼 | 고가, 구성 복잡하지만 깊이 데이터 제공 가능 |
스캐너 동기화 가능성 | 낮음 (레이저 궤적과 비동기적 처리) | 중간 (동기화 가능하나 방향성 없음) | 높음 (광학계 내 완전 동축 구성) |
공정 제어 활용도 | 외관 검사 위주, 사후 분석에 활용 | 실시간 이상 감지, 보정 한계 | 실시간 공정 제어 및 피드백 기반 자율 보정 가능 |
ICI vs Chromatic Confocal
Chromatic Confocal은 다양한 파장의 광을 이용하여 초점 위치에 따른 색 분산 효과를 이용해 거리를 측정하는 방식입니다. 일반적으로 표면 높이 측정에 매우 정밀하며 수 μm의 수직 해상도를 갖습니다. 하지만 동축 경로로 구성하기가 매우 어렵습니다. 그 이유는 광학계에 사용되는 분산 렌즈와 크로매틱 광원 특성상, 갈보 스캐너의 미러 반사 후 경로 왜곡 및 색수차가 심해지기 때문입니다. 결과적으로 레이저와 광학 측정 시스템이 정확히 동일한 축을 공유하기 어렵고, 동기화된 공정 모니터링에는 제약이 많습니다.
반면 OCT는 파장 간섭 기반이기 때문에, 하나의 광축 안에 레이저 가공과 측정을 모두 수렴시킬 수 있습니다. 따라서 스캐너를 사용하는 용접, 절단, 드릴링 등의 고속 공정에서도 완전한 동축 모니터링이 가능합니다.
항목 | Chromatic Confocal | ICI (OCT 기반) |
측정 원리 | 색 분산 기반 초점 거리 차이 분석 | 광 간섭 기반 단층 이미지 생성 |
해상도 | 수 μm (수직 해상도 우수) | 수 μm (깊이 정보 정밀) |
광학 경로 조건 | 비동축 조건에서 성능 저하 | 동축 경로 구성 가능 |
스캐너와의 통합성 | 낮음 (회절·분산 조건 영향 큼) | 높음 (파장 선택성, 스캐너 거울 반사 양호) |
방향성 | 비동축 구성 필수 | 완전한 동축 측정 가능 |
측정 대상 제한 | 반사율 높은 정반사 표면 선호 | 확산 반사 또는 투과 가능한 다양한 표면 측정 |
OCT와 LWM의 비교
두 방식은 원리와 용도에서 차이가 있지만, 스캐너 기반 레이저 용접 시스템에 동축 결합이 가능하다는 공통점이 있어 실무에서는 보완적 혹은 대체적으로 검토됩니다
항목 | ICI (OCT 기반) | LWM (Laser Weld Monitor) |
측정 원리 | 광 간섭(Interferometry) 기반 단층 이미지화 | 방출광(Emitted light), 반사, 플라즈마, 온도 신호 분석 |
계측 대상 | 실시간 용입 깊이, 레이어 구조 | 용접 품질 추정(용입 추정, 이상 검출 등) |
동축 구성 여부 | 완전한 동축 (레이저 경로와 동일 광축) | 가능하나 비동축 혼합 설계도 있음 |
해상도 (Z 방향) | 1~10 μm 수준 (Spectral-Domain OCT 기준) | 100~500 μm 수준 (간접 측정) |
시간 응답성 | 수 kHz (최대 수십 kHz) | 수십~수백 kHz (센서 반응 속도 중심) |
공정 적용성 | 미세 용접, 다층소재, 비정형 용접 경로 | 고속 용접, 구조용 용접, 대면적 가공 |
데이터 해석 | 정량화 가능 (실제 깊이 수치화) | 정성 분석 중심 (시그니처 패턴 기반 진단) |
환경 민감도 | 상대적으로 높음 (노이즈, 반사율, 연기 영향 있음) | 중간 수준 (플라즈마 영향 있음) |
장비 가격대 (비교적) | 고가 (수천~수억 원 단위 가능) | 중~고가 (수천만 원 수준 중심) |
유지보수/운용 편의성 | 고난이도 (광축 정렬 필수, 레퍼런스 미러 필요) | 비교적 용이 (광학부가 단순, 신호 해석 자동화) |
스캐너 시스템 통합성 | 높음 (갈보 스캐너와 직접 동축 구성 가능) | 높음 (광학 설계에 따라 동축 또는 편광 분리 방식 가능) |
OCT 기반 ICI는 매우 높은 정밀도와 깊이 해상도를 제공하며, 특히 다층소재 용접이나 배터리 탭 용접처럼 미세 용입이 중요한 어플리케이션에 이상적입니다. 스캐너 시스템과는 beam splitter나 dichroic mirror를 활용하여 완전한 동축 구성이 가능하며, 레이저와 동일한 지점을 실시간으로 계측합니다.
반면, LWM은 OCT보다 해상도는 낮지만, 공정 중 생성되는 2차 광 신호(플라즈마, 방출광, 반사 등)를 종합적으로 분석하여 공정 안정성, 품질 이상, 깊이 추정 등을 간접적으로 평가합니다. 반응 속도가 매우 빠르고, OCT보다 환경 노이즈에 강한 편이며, 대면적 및 고속 용접에서도 안정적으로 사용됩니다.
실제 적용에서는 두 솔루션이 서로 보완적으로 운용되기도 하며, 품질 요구사항, 예산, 적용 공정에 따라 선택이 달라집니다.
OCT 원리
산업용 스캐너 기반 동축 OCT(Optical Coherence Tomography)는 용접, 절단, 어닐링 등 고속 레이저 가공 공정에서 실시간 품질 모니터링을 구현하는 핵심 광학 기술입니다. 특히 스캐너 통합형 구조에서는 Galvano 미러의 동선과 완전히 동기화된 측정이 가능하다는 점에서 기존의 오프축 OCT와 차별화됩니다.
주로 제조용 공정 모니터링(OCT 용접 깊이 측정, 반도체 계측 등)에 사용되는 상용 장비의 사양(Thorlabs, Wasatch Photonics, Santec, Optores, Mahr 등)을 기반으로 정리하였습니다.
항목 | SD-OCT (Spectral Domain) | SS-OCT (Swept Source) |
광원 유형 | Broadband SLD (Superluminescent Diode) | Swept Laser (MEMS, FDML 기반 tunable laser) |
중심 파장 (λ₀) | 830 nm / 930 nm / 1050 nm | 1060 nm / 1310 nm / 1550 nm |
대역폭 (Δλ) | 50–100 nm | 50–100 nm (swept range) |
Axial 해상도 | 3–7 µm (in air) | 5–15 µm (in air, 광원에 따라) |
A-scan 속도 | 20–100 kHz | 100 kHz–2 MHz (상용 장비: 100 kHz–1.2 MHz) |
측정 깊이 범위 | ~2–3 mm (air 기준) | ~3–6 mm (air 기준), 일부는 12 mm 이상 (고속 타입 기준) |
검출 방식 | 광 스펙트럼 → 라인스캔 CCD/CMOS | 단일 포토다이오드 + ADC (No spectrometer) |
샘플링 비율 (Depth points) | 512 ~ 4096 points | 1024 ~ 8192 points |
시스템 복잡도 | 중간 (정밀 광학 정렬 및 분광기 필요) | 높음 (고속 스캔 레이저, 고대역 디지털화 회로 필요) |
동축 결합 용이성 | 중간 (고정식 셋업 적합) | 우수 (갈보 스캐너에 결합하기 용이, 광섬유 기반 구성 유리) |
비용 (상대적) | 상대적으로 저렴 | 고가 (약 1.5~3배 이상, 광원 및 컨트롤러 가격 차이 반영) |
주요 적용 산업 | 정밀 부품 검사, 반도체, 생체 조직 이미지 | 레이저 용접/절단 공정 모니터링, 배터리 전극 품질, 메탈 검사 |
대표 시스템 예시 | Thorlabs Ganymede, Wasatch WP-OCT | Santec IVS-2000, Optores MHz-OCT, Mahr MarSurf CM expert |
- 광원 특성: SD-OCT는 광대역 SLD 기반으로 깊이에 따른 간섭 신호를 분광기로 읽는 방식입니다. SS-OCT는 단일 주파수의 레이저를 빠르게 스윕하여 시간에 따른 간섭 패턴을 분석합니다.
- 속도 및 깊이: SS-OCT는 높은 A-scan 속도와 깊이 도달 범위를 제공하여 스캐너 기반의 실시간 공정 모니터링에 유리합니다. SD-OCT는 빠른 공정에는 한계가 있지만 정밀 분석에는 강점을 가집니다.
- 스캐너 결합성: SS-OCT는 광섬유 기반의 인터페이스로 동축 갈보 스캐너 시스템과 쉽게 결합할 수 있습니다. SD-OCT는 정렬 민감도와 부피 때문에 스캐너 통합이 까다롭습니다.
- 가격: 고속 스캔 레이저와 고속 ADC 등 부품 단가로 인해 SS-OCT 시스템은 통상 동급 SD-OCT 대비 1.5~3배 높은 가격대를 형성합니다.
이러한 구조를 통해 OCT는 마치 초음파처럼 내부 깊이를 '빛'으로 스캔하여 레이저 가공 중에 발생하는 미세한 깊이 변화, 기공, 불연속 등을 실시간으로 감지할 수 있습니다.
항목 | 스캐너 기반 동축 OCT | 일반 OCT (고정형, 오프축) |
경로 동기화 | ✅ Galvo와 완전 동기화 가능 | ❌ 공정 경로와 비동기, 위치 보정 필요 |
가공 중 실시간 품질 측정 | ✅ 스캔 중에도 실시간 깊이 데이터 취득 | ⚠️ 스캔 시작/종료 지점만 제한적 측정 가능 |
공간 해상도 | Axial: 5 | 유사 (측정 조건에 따라 다름) |
스캔 속도 | 수백 mm/s~수 m/s 이상 대응 | 수십 mm/s 이하로 제한적 |
장착 유연성 | ✅ 동축, 스캐너 내장 구조로 콤팩트화 가능 | ❌ 별도 오프축 모듈 필요, 공간 제약 큼 |
주요 적용 분야 | EV 배터리 탭 용접, 프레임 고속 용접, 실시간 클로즈 루프 | 의료 영상, 정밀 검사용 비가공 공정 |
대표 기술/제품 예 | Blackbird ScanControl, Precitec IDM OCT | Thorlabs Telesto, Michelson-type OCT |
스캐너 기반 OCT는 Galvano 미러의 경로에 OCT 센서를 동축 배치함으로써, 레이저가 이동하는 모든 위치에서 실시간으로 용접 깊이를 측정할 수 있습니다. 이를 통해 고속 가공에서도 피드백 루프를 걸어 실시간 공정 제어가 가능합니다. 반면, 고정형 OCT는 측정 위치가 제한되고, 공정 중 반복 위치 보정이 필요합니다.
특히 EV 배터리 탭 용접과 같이 초당 수십~수백 개의 용접점을 생성하는 공정에서는, 동축 OCT를 통한 깊이 편차 모니터링 및 결함 예지가 품질 확보에 결정적입니다.
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