압전 기술(Piezo Technologies)이 점차 활용사례를 넓혀가고 있다. 속도와 정밀도 모두를 잡을 수 있는 열쇠로 통하는 압전 기술은 다양한 난제를 해결하는 슈퍼 영웅으로써 활약하고 있다. 압전 기술은 이제 광학 및 레이저 분야에도 출동준비를 마쳤다.
레이저 기술은 항공우주 산업에서 의학 분야의 건강진단에 이르기까지 첨단기술이 있는 곳이라면 반드시 필요한 기술이다.
레이저를 정확히 원하는 곳에 작용하게끔 만들기 위해서는 광학 부품의 정밀한 움직임이 필요하다. 이는 섬세한 움직임을 보장하는 압전모터가 활약해야 하는 순간이기도 하다.
압전 물질(Piezoelectrics)은 모션컨트롤의 속도와 정밀도 면에서 황금 표준으로 통한다. 오늘날 레이저 시스템 기술자들은 일종의 도구상자를 가지고 있다. 그 안에는 고정적인 미세 조정을 위한 안정도 높은 액추에이터에서 빠른 압전 자동초점 장비와 압전 굴곡 매커니즘(Piezo Flexure Mechanism)에 기반을 둔 고속 통합형 다축 빔 조정 시스템에 이르기까지 다양한 도구가 있다.
개성만점 압전 기술
압전 액추에이터 및 압전모터는 동일한 물리적 원칙, 즉 무제한 해상도 및 분자 수준의 움직임을 달성할 수 있다는 원칙을 기반으로 하고 있다.
상업용으로 쓰이는 압전 제품 및 기술은 몇 가지 종류로 나뉘어있다. 기본형 설계부터 각기 다른 응용사례에 특화되어있는 것까지 다양하다.
압전 스택 액추에이터는 피코미터 해상도를 제공하며 짧은 거리(<0.2㎜)를 이동하는 장치부터 10000g에 해당하는 높은 가속도와 마이크로초 응답성을 제공하는 장치까지 범위가 다양하다.
압전 스택 액추에이터는 레이저 공진 조율 및 전환에 주로 쓰인다. 물론 더욱 복잡한 위치 메커니즘과 함께 쓰이기도 한다. 유연힌지 가이드 팁 틸트 조정 거울이나 압전 스캐닝 스테이지(레이저 스캔 현미경에 사용되는 장비) 등이 대표적이다.
이송거리가 긴 경우에도 다양한 압전모터를 사용할 수 있다. 고출력 고해상도 ‘피에조 워크’ 형태 설계부터 고속 초음파 및 진행파 모터와 소형 및 저가형의 스틱 슬립(관성) 드라이브에 이르기까지 범위가 다양하다.
유지 보수, 이젠는 안녕
압전 기술을 이용한 장비들은 여러 장점을 자랑한다. 유지보수가 필요 없고 진공환경에서도 사용할 수 있으며 윤활유가 불필요하고 기존 위치결정장치에서 사용하던 기어 및 이동식 구성요소가 없다. 이로 인해 높은 수명과 안정성을 보장함은 물론이고 레이저 제어 응용사례에 이상적인 속도와 정밀도 등의 작업환경을 만든다.
현대의 디지털 서보 알고리듬은 압전 기술을 기반으로 한 위치결정장치의 성능을 한 단계 높였다. 빠르게 변화하는 요구사항에 발맞춰 기술 적용 및 조정 작업이 더 신속해졌기 때문이다.
형광 현미경과의 동침
레이저 스캐닝 현미경을 사용할 때에는 레이저 빔을 이용해 샘플의 형광 성분을 활성화시키는 것이 중요하다. 지금까지 이 조정 작업에 갈보 스캐너를 사용하는 것이 일반적이었다.
하지만 이제는 판도가 바뀌고 있다. 압전 스캐너가 한층 높은 정확도와 빠른 응답속도 그리고 한 장치 안에 다축 모션을 통합하는 등 여러 장점을 앞세워 갈보 스캐너의 자리를 대체하고 있는 것.
압전 스캐너는 더 작은 크기를 자랑함은 물론 분극화 회전 효과(Polarization Rotation Effect)를 방지하는 효과도 있다. 현재 대부분의 회절 한계점 밑까지 볼 수 있는 고해상도 현미경에 쓰이고 있다.
압전 구동식 팁 틸트 거울 및 플랫폼 역시 존재감을 과시한다. 팁 틸트 스캐너인 S-334를 예로 들자면, 이 스캐너는 중심점을 기준으로 이루어진 두 개의 직교축에서 통합 거울을 통해 역동적이고 정밀도가 높은 조향 움직임을 보장한다. 마찰이 없는 압전 드라이브 및 굴곡 가이드가 기존 드라이브보다 한층 높은 가속을 실현한다. 작은 컨트롤러는 이러한 메커니즘을 위해 특별히 개발된 장치다. 이 컨트롤러는 다채널 서보 및 드라이버 기능을 하나로 통합했다.
전기통신·포토닉스 조정
오늘날 전기통신은 대부분 레이저를 이용한 광섬유 자료전송 방식을 사용하고 있다. 이에 대역폭 요구사항은 계속해서 높아지고 있다. 따라서 광섬유 제품의 속도 역시 증가할 필요가 있다. 단일 모드의 광섬유 부품을 조정하기 위해서는 나노미터 단위의 해상도가 필요하다. 압전 기술이 필요한 이유다.
NanoCube 포지셔너와 같은 소형 다축 압전 제품은 높은 성능의 컨트롤러와 현대의 조정·추적 알고리듬을 통해 단 몇 초 안에 광섬유 구성요소들을 조정할 수 있다. 과거에는 몇 분이나 걸리던 작업을 획기적으로 줄인 셈.
압전 스캐너는 100㎛의 이동거리를 자랑하며, 비교적 부드럽지 못한 위치결정에 쓰이는 전동 위치결정 스테이지와도 결합할 수 있다. 광무선통신 분야에서도 레이저 송신기 및 수신기를 조정 및 유지하는 등 다방면으로 활약한다.
재료처리도 거뜬
레이저 재료처리를 활용하는 일반적인 응용사례는 전자제품 제조분야에서 찾아볼 수 있다. 전자제품 제조분야는 정밀도와 속도에 대한 요구사항이 높은 것으로 유명하다. 재료들을 매우 정밀하게 제거해야 하기 때문이다. 이 분야에서 시간은 금이며, 따라서 높은 처리량 및 빠른 처리속도가 필수적이다.
이런 작업에는 갈보 스캐너와 같은 기존 레이저 빔 편향 기술이 적합하다. 하지만 2축 움직임 및 2개의 단축 시스템으로 작업을 계속하면 작업물이 문자 그대로 ‘쌓이게’ 된다. 또한 예상과 다른 결과, 중심점의 변화, 빔의 분극화 회전 그리고 더 많은 공간이 필요해지는 등의 문제점이 발생한다.
압전 구동식 팁 틸트 거울 시스템은 크기가 작으며 가속 및 대역폭이 높다. 제품의 병렬 역학 설계를 통해 중심점은 고정한 채 광학 제품만 이동하게 되며, 우수한 정확도는 물론이고 작은 크기와 관성 감소 그리고 높은 동적 역학을 제공한다.
안과 시설에 도움 주다
최근 의료기술 분야에서는 레이저를 이용한 정밀한 조정 및 초점 작업이 각광받고 있다.
이 중에서 안과 분야를 예로 들어보면, 높은 굴절도의 굴절 수술 기술과 결합해 난시·원시·근시 등을 교정할 수 있다. 레이저 광선으로 각막에 있는 미립자를 제거하면서 각막의 형태를 광학축에 본뜬다. 각막의 미립자를 제거함으로 인해 각막(상피)의 굴절력(이를 흔히 ‘도수’라고 표현한다)을 안구의 전체 길이에 맞추는 작업을 반복한다. 이 과정에도 압전 팁 틸트 거울 시스템이 쓰인다.
초음파 세라믹 압전모터 또한 레이저 관련 응용사례에 새로운 가능성을 제시한다. 초음파 세라믹 압전모터는 높은 속도 및 가속도가 특징이다. 특허를 획득한 구동방식으로 휴식 시간에는 장치를 멈춤으로써 전력 낭비를 방지한다.
OEM 장비뿐 아니라 포장 및 가이드 시스템을 위해 제작된 리니어모터 또한 사용할 수 있다. M-663 소형 리니어 스테이지가 대표적이다. 이 압전 포지셔너는 작은 크기로 고성능 모션컨트롤을 실현한다. 최대 초당 250㎜의 폐루프 속도와 0.1㎛ 해상도의 ¾인치 이동범위 그리고 매우 빠른 설정 등이 장점이다.
비접촉 광학 리니어 인코더는 높은 선형 능력과 반복성을 보장한다. 15×30×35㎜라는 작은 크기가 장점으로, 여러 응용사례에 쉽게 통합할 수 있다.
‘Set and Forget’ 레이저 조정 구성요소
위에서 이야기한 동적 응용사례 외에도 다양한 광학 및 거울형 레이저 시스템이 있다. 이들 시스템들은 가끔 조정 과정을 거쳐야 한다. 이를 ‘Set and Forget‘ 응용사례라고 한다.
이들 응용사례에서 눈여겨보아야 할 점은 높은 안정성 및 부드러운 움직임이다. PiezoMike 형태의 관성 전동식 액추에이터는 30나노미터 해상도와 100N의 유지력 그리고 오랜 중단시간 뒤에도 빠른 구동시간을 보장한다.
결론
최근 몇 년 동안 레이저 응용사례를 위한 압전 모션 장비들이 크게 증가했다. 이에 따라 압전 모션 응용사례 또한 넓어지고 있다.
오늘날 광학 기술자들은 다양한 압전 기술을 보유하고 있다. 팁 틸트 플랫폼을 공진조율하기 위한 작은 압전 장비들부터 고해상도와 고정밀도를 가진 긴 이송거리의 모터에 이르기까지 압전 기술을 응용할 수 있는 제품 또한 다양하다.
압전 액추에이터 기술은 화성에서도 찾아볼 수 있다. 레이저 분광 기술을 바탕으로 화성에 생명체가 있는지를 조사하고 있는 것.
