New Infrared Technologies의High Speed 열화상 스캔 시스템 소개

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1 New Infrared Technologies의High Speed 열화상 스캔 시스템 소개
한국 독점계약 총수입원 : 엘모트레이딩 TEL (070)

2 Contents New Infrared Technologies(NIT)의 소개
Mid Wavelength Infrared Range(MWIR) ; 중적외선 영역대 기존의 모니터링 시스템 vs NIT의 제품 기술의 핵심 ‘PbSe detector’ NIT의 제품군 Welding공정에 적용되는 TACHYON1024 series 전용 Software의 핵심기능들 Infrared Intensity를 표현하는 Digital arbitrary unit(d.a.u.)

3 New Infrared Technologies, SPAIN, Madrid.
한국 독점계약 총수입원 : 엘모트레이딩 TEL (070)

4 MWIR(Medium Length Infrared) ‘중적외선 영역대’
NIT의 IR detector들은 중적외선 영역대를 감지 ; 고온의 금속측정과 가스, 화염감지에 이상적인 영역 NIT는 MWIR영역대에서 초고속으로 스캔하는 PbSe detector를 사용하여 새로운 application 들을 개발해서 적용 중.

5 기존의 모니터링 시스템 vs NIT의 제품(1) ; Photodiode를 사용하는 시스템
Plasma의 변동을 감지하면 reference가 되는 plasma와 비교하여 구멍형태의 결함을 구분한다. 하지만 photodiode를 사용하는 시스템의 문제는 공간적인 정보(spatial information)를 얻을 수 없다. Laser를 적용하는 공정들에서는 plasma radiation을 공간적인 분포로 인식을 해서 공정의 quality나 결함의 발생에 관련될 수 있는 현상들에 훨씬 더 민감하게 반응을 하는 것이 가장 중요하다.

6 기존의 모니터링 시스템 vs NIT의 제품(2) ; CMOS camera
gray scale image(흑백이미지)를 수집해서 melt pool의 기하학적인 분석과 용접결함을 추적하는 방법이 있다. 또한 CMOS camera는 관찰하는 표면상에서 서로 다른 위치의 영역들을 동시에 모니터링하여 결함을 관리할 수 있는 장점이 있으나 CMOS camera가 가장 민감하게 반응하는 파장영역대는 400~900nm로 가시광선 영역대에 불과하다. 실제 용접부위의 melt pool은 온도가 상승하면서 짧은 파장대의 적외선을 방출한다. Critical point에서 적합한 파장대에서 스캔할 수 없다.

7 기존의 모니터링 시스템 vs NIT의 제품(3) ; 7-14µm를 감지하는 열화상 카메라
넓은 면적을 고해상도로 스캔하는 장점이 있지만 가격이 고가이다. 특정 방사율을 설정해서 스캔하므로 가열된 모재가 성질이 변해서 방사율이 바뀌거나 용접부위의 분포에 따라 부위별로 소재가 다른 경우에는 측정온도값이 왜곡된다. 긴파장대의 적외선영역을 감지하므로 측정대상물이 금속표면인 경우, 표면온도가 500℃이상부터 오차율이 점점 커진다. 가열온도가 상승해서 모재의 방사율이 변하는 경우 온도값이 틀어진다. 스캔속도가 NIT 제품보다 훨씬 느리다.

8 기존의 고해상도 열화상 카메라 vs NIT의 열화상 카메라
해상도는 상대적으로 낮지만 국부적인 관심영역을 표현하는 픽셀 수가 많다 해상도는 높지만 국부적인 관심영역을 표현하는 픽셀 수는 적다

9 기술의 핵심 ; VPD PbSe sensor 기술의 핵심은 Vapor phase deposition (VPD) 방법으로 최근 스페인에서 개발한 독자적인 최신 기술로서 액체상태에서 기화시키는 thermal evaporation 공정으로 제조한 초고속 열화상 이미징 PbSe detector입니다. 스캔속도 예) 1,000~10,000 frames/sec PbSe(Lead Selenide) : 납과 셀렌으로 제조한 2종 화합물 반도체로서 적외선을 감지하는 센서로 사용됩니다. MWIR sensor : 감지하는 적외선 파장대는 1~5µm로서 Mid Wavelength Infrared Sensor입니다. 온도감지영역 예) 100~1500℃

10 FPA기술 여러 개의 광검출소자를 배열하는 Focal Plane Array 기술 ;
광검출소자의 개수는 열화상 이미지의 해상도를 결정한다. Model 별 픽셀수 : 32 x 32, 80 x 80, 또는 Linear 1 x 256 pixels…etc

11 VPD PbSe detector (2종 화합물 반도체 Vapor phase deposition Lead Selenide)
NIT가 제조하는 VPD PbSe detector는 특별히 Welding 공정의 모니터링에 가장 적합한 (熱을 감지하는) 반도체입니다. 스페인에서 최근에 개발된 유일한 제조방법인 Vapor phase deposition (VPD) 기술로 제작된 Detector( 반도체)입니다. 반응속도와 기본 성능 등을 고려했을 때 산업용으로 사용되는 유사한 반도체들 중 가격 또한 저렴한 수준입니다.

12 가열된 금속 또는 높은 온도를 측정하는 경우 오차율 vs 센서의 파장영역대

13 NIT의 제품군 TACHYON1024 & 6400 Customer의 Programing을 위한 DLL library 제공

14 MATRIX1024 series MATRIX 1024 FPA included with the module
Band of detection: MWIR (1 - 5 microns) Peak wavelength of detection: 3.7 microns Uncooled operation Integration time: μs, selectable Maximum frame rate minimum integration time): 100 fps

15 LUXELL series Linear LUXELL FPA (1x64, 1x128 & 1x256 pixels)
LUXELL FPA included with the module Band of detection: MWIR (1 - 5 microns) Peak wavelength of detection: 3.7 microns Readout (A/D) channels: 2 Integration time: μs, selectable Maximum scanning rate minimum integration time): 1200 lines per sec (64 px) 600 lines per second (128 px) 300 lines per second (256 px)

16 New Infrared Technologies의 TACHYON 1024 series
NIT에서 개발한 대표적인 application은 다양한 Welding 공정들로 , Laser welding 공정, arc welding, seam welding 공정들입니다.

17 Welding 공정과 적용목적 Welding 공정은 다양한 산업분야에서 가장 많이 사용되는 제조기술로 금속, 플라스틱 등을 접합하는데 사용되고 있습니다. Welding 공정이 사용되는 대표적인 산업분야들은 자동차, 가전제품, 제철소의 강판용접공정, 식품산업 등이 있습니다. Welding은 복합적인 공정으로 아래의 여러가지 공정 파라미터들과 기본물성들에 의해서 결과가 달라질 수 있습니다 ; 용접 대상물의 품질 용접을 할 전극(Electrode)의 품질과 상태 용접 전의 표면 열처리와 코팅상태 공정 자체의 파라미터들 ; 공정에 적용한 용접전류와 용접압력…, etc 모니터링과 분석을 통하여 가장 이상적인 공정조건을 수립하는 것과 결함발견시 Loop control을 하는 것이 궁극적인 목적

18 TACHYON 1024 시스템의 핵심 Welding 공정은 Energy의 연합반응과 서로 관계되는 영향들의 Dynamic(力學)이 적용되므로 정확한 온도와 시간의 모니터링은 공정의 완벽한 분석과 이해를 위해서 필수적으로 요구됩니다. NIT의 TACHYON 시리즈에 내장된 최고 10,000 Hz의 초고속으로 스캔하는 적외선 이미징 센서들은 Welding 공정에 관련된 실시간 정보들 ; 용접부위를 포함한 HAZ 영역의 열화상 이미지를 통하여 공정의 역학정보, 공정진행 중에 발생될 수 있는 결함 등을 추적할 수 있습니다. NIT가 자부하는 가장 큰 장점은 ‘초고속 2차원 열화상 이미징 스캔 + 초고속 Data 수집능력 + 적정한 가격’ 입니다.

19 성공적으로 검증, 적용된 공정들 공정에서 발생할 수 있는 악영향을 받지 않도록 거리를 두고 설치하여 테스트
테스트를 한 이상적인 설치거리는 50~100cm 초고속 2차원 열화상으로 스캔하여 용접대상부분을 모니터링 테스트한 공정 : 가전제품과 자동차 제조공정 外 검증된 공정들 ; 가전제품생산라인과 자동차제조공정의 저항점 용접(Resistance spot welding) 공정 식품산업에 사용되는 금속용기의 TIG welding(불활성가스 텅스텐 Arc 용접) 공정 금속산업분야의 저항점 용접(Resistance spot welding) 공정 Laser welding

20 Weak welding(low current) vs Correct welding(Appropriate current)

21 Resistance Spot Welding RSW, 저항점 용접
전류가 흐르는 용접대상물에 저항이 가해져 국부적으로 열이 발생하게 하는 용접. 열이 발생했을 때 압력을 가해 용접을 한다. electrode의 접촉면은 사용횟수가 늘어나면서 점차적으로 닳는다. 이 경우 서로 다른 용접조건들에서 최적의 공정 파라미터를 결정하기가 어려워진다. 자동차 생산라인과 가전제품 생산라인에서 테스트를 하여 초고속 MWIR센서를 이용한 공정의 모니터링과 공정에 대한 자세한 분석을 가능하게 하는 결과를 얻었다.

22 RSW, 저항점 용접의 모니터링(1) ; Electrode의 교체시기 판단
Data분석 : 오랫동안 사용된 electrode(파란색 그래프), 새로운 electrode(붉은색 그래프) X축 : 시간(msec), Y축 : (감지한 적외선 에너지, 熱) Electrode tip 상태의 모니터링 테스트 & 적용결과 #1: 열화상 이미지 센서는 electrode에 의해서 HAZ 부분에서 전류가 흐른 동안에 방출된 열을 보여준다. 분석한 데이터는 electrode의 수명이 거의 다되었다는 것을 보여준다.

23 RSW, 저항점 용접의 모니터링(2) ; Spark의 방지
테스트결과 #2: electrode에 인가된 current density가 너무 높을 때 spark가 발생할 수 있다. Spark는 용접부위에 국부적으로 과열을 발생시켜 대상물을 녹여 없어지게 할 수 있고 이 현상은 빈 공간이나 결함을 초래한다. 스파크 현상은 푸른색 그래프, 정상적인 상태는 적색 그래프로 표현되었다. 인가된 전류값(current flow density)이 높은 경우, 새로 교체한 electrode에 의해서 발생하는 Spark를 방지하는 목적으로도 적용되었다.

24 RSW, 저항점 용접의 테스트 & 적용결과, 공정사이클(통전시간) vs IR 시그널 강도
테스트 #1: 공정 중 heat dynamics(열역학) 의상관관계을 모니터링한다. 공급된 power에 변화를 주면서 테스트를 진행. 공정 중 공급된 Total power는 순환되는 전류와 통전시간과 조합되었다. 두 파라미터들에 변화를 주면서 용접부위에 어떤 영향을 주는지 조사하였다. 모재에 인가한 전류의 통전시간이 늘어날 수록 용접부위의 열은 증가. Frame rate(스캔속도) : 1000 Hz / 초당 1000개 이미지 프레임 데이터분석은 Spot 중심의 각 픽셀들에서 감지된 적외선 에너지의 강도(强度)를 근거로 진행되었다. 테스트결과 #1 : 통전시간과 IR시그널 강도의 상관관계를 파악하여 공정의 적절한 파라미터를 재수립하였다 .

25 RSW, 저항점 용접의 테스트결과, ; 통전시간 vs 용접부위의 가열되는 면적
테스트 #2: HAZ 영역에서 방출된 열(熱)과 power의 분포도를 2차원 열화상 이미지로 초고속 스캔해서 보여준다. 위의 데이터들은 공정 중 일정한 전류강도로 공정사이클에 변화를 주면서 스캔되었던 최대 적외선 강도를 보여준다. 쌀 한 톨 정도의 면적도 분석이 되었다. 테스트결과 #2 : 전류가 일정한 경우, 통전시간에 비례해서 중심부의 가장 高溫 영역의 사이즈가 증가 하였다. 공정조건을 재수립하여 용접부위의 가열되는 면적을 조정하는 목적으로 적용.

26 TIG Welding 공정(1) ‘Tungsten Inert Gas(불활성 텅스텐 arc 용접)’
TIG는 비용극, 융점이 높고 arc 열에도 쉽게 소모되지 않는 텅스텐전극을 사용하여 welding arc에 전류를 제공한다. 텅스텐과 용접부위는 Argon이나 Nitrogen과 같은 불활성 가스로 냉각되어 보호된다. 용접을 위하여 외부로부터 또 다른소재의 주입이 필요없다. 이 공정에서 mild steel(軟鋼)의 융점(melting point)은 약 1493℃이었고 welding 공정의 컨트롤 포인트는 약 500℃ 정도였다 . 식품산업에 사용되는 metal barrels(금속통, beer barrels) 제조공정에서 테스트가 진행되었다. MWIR 센서는 1kHz로 스캔하여 데이터 수집을 하였다.

27 TIG Welding 공정(2) ‘Tungsten Inert Gas(불활성 텅스텐 arc 용접)’
추적된 결함들의 예 ; 1) Lack of overlap(겹쳐지지 않은 부분, 2) Voids(공백), 3) inert gas의 감소 테스트결과 : Welding의 결과와 품질을 평가하는데 성공적으로 적용되었다.

28 Resistance Seam Welding 공정(1) ‘RSW Welding’
회전하는 Copper wheel electrode를 이용한 Welding 공정으로 테스트는 Steel roll 생산공정에서 진행되었다. Copper wheel의 움직임을 이용하기 위해서 1 x 64 픽셀 해상도의 linescanning 센서로 스캔. Frame rate은 초당 1000 line이 적용. Copper wheel의 속도는 20meter/sec로 설정하여 테스트.

29 Resistance Seam Welding 공정(2) ‘RSW Welding’
Scan Data결과 : 1) 정상적인 welding, 2) 낮은 강도(intensity)로 진행된 welding, 3) Welding 공정 중 공백(void)이 발견된 데이터, 또한 불균일한 quality를 직감하게 한다. 테스트 결과 : 사용자는 스캔, 수집된 데이터를 기반으로 공정의 특징을 파악하고 공정의 파라미터들을 다시 수립하는데 도움을 받을 수 있었다. 사용자는 실시간으로 스캔된 데이터에 전적으로 의존하여 즉시 조치를 취할 수 있었다.

30 ‘Laser Beam Welding 공정 laser beam은 집중적인 열원을 제공하므로 좁은 웰딩면적, 딥용접(Deep welding), 높은 welding 속도, 빠른 냉각속도 등이 요구되는 공정에 적용된다. laser beam welding은 높은 power density가 적용된다. 예) 1 Mega Watt/cm2  작은 HAZ영역, 높은 가열 속도와 냉각속도 Laser의 Spot size : 0.2mm~13mm, 시스템은 laser welding 공정에서 미세한 면적의 모니터링에 적용되었다. Penetration depth(깊은 침투) : 공급되는 power의 양과 focal point에 의존된다. 테스트는 생산라인 대신 실험실환경에서 진행되었다 : 1) Laser 시스템의 자동 Focusing 과정의 모니터링, 2) 공정의 반복성, 3) 대상면(Substrate)의 냉각속도 등을 파악할 수 있었다. 테스트 1) Focusing 과정의 모니터링 테스트 2) 공정의 반복성 모니터링

31 스캔면적 vs 설치거리 1 meter 거리에서 Lense option들에 따른 스캔 면적과 픽셀 한 개당 사이즈의 예 :
- Lens #1: focal distance f=24 mm, F#1.2 – Area observed : 180 mm x 180 mm (pixel resolution ~6 mm x 6 mm) - Lens #2: focal distance f=48 mm, F#2.4 – Area observed : 90 mm x 90 mm (pixel resolution ~3 mm x 3 mm) - Lens #3: focal distance f=9 mm, F#0.7 – Area observed : 480 mm x 480 mm (pixel resolution ~15 mm x 15 mm) 예) Lens #2를 0.5meter거리에 설치하면 스캔하는 면적은 45x45mm, 픽셀 한 개의 사이즈는 1.5mm x 1.5mm 로 작아집니다.

32 Miniature Sensor ; TACHYON1024 microCORE 자동화된 용접로봇(arm)에 직접 부착하는 용도
FOV : 10.25ºx10.25º 1 m에서 180 mm x 180 mm 면적을 스캔, 픽셀 한 개의 크기는 5.6 mm x 5.6 mm

33 Infrared Intensity를 표현하는 Digital arbitrary unit(d.a.u.)
빛의 강도 등을 절대적인 값(standard unit)이 아닌 상대적인 값으로 나타내준다. 매번 측정을 할 때마다 달라지는 조건에서 reference measurement를 결정해서 비교한 후 상대적인 강도를 표현하는데 사용된다. 예) 걸어간 거리를 개인의 걸음 수로 측정해서 짐작하는 경우. 100걸음, 200걸음,….500걸음, 모재의 특성상 또는 부위별 재질이 다른 부분은 방사율이 다르거나 변할 때도 일정한 적외선 에너지의 강도로 신호를 감지한다. 방사율을 설정해서 측정하는 적외선 온도계나 열화상 카메라의 단점을 극복 ; 모재의 HAZ에서 방사율이 변하는 경우에도 악영향을 받지 않는다.

34 전용소프트웨어 : Acquisition Software(Acq SW)
Image Data를 초고속으로 스캔, 초고속으로 수집하는 목적의 Acq SW 스캔속도와 저장할 frame의 개수 설정 가능 스캔 중 2-point NUC와 1-point offset 기능으로 이미지보정 가능 열화상의 Auto scaling & Manual scale setting Thermal palette 설정 외부 hardware trigger로 이벤트 발생시 열화상 저장 가능

35 전용소프트웨어 : Visualization Software(Vis SW)
저장한 Image Data들을 불러와서 분석하는 Vis SW, 열화상들을 연속으로 비디오로 재생하거나 여러 통계적인 수치들로 Data를 분석한다 픽셀 당 raw data들을 txt 파일로 전송(저장)가능 분석하는 열화상에 2-point NUC와 1-point offset 기능으로 이미지보정 가능 특정위치의 픽셀에 대한 가로, 세로방향 프로파일을 시간진행에 따라서 보여준다.

36 공정의 자동화를 위한 전체 시스템의 구성 예 Data수집을 하는 NIT 카메라 (1 – 4 ea)
Real Time processing module for data analysis I/O DAQ for generating the alarms and driving the necessary signals for control of the loop 현장에서 테스트한 데이터를 NIT에 보내면 프로그래밍 제작 및 지원이 가능

37 프로그래밍 제안의 대표적인 예(1); 용융점에 도달 못한 경우 알람발생
프로그래밍 제안의 대표적인 예(1); 용융점에 도달 못한 경우 알람발생 데이터 수집 중 알고리듬을 자동 계산, 평균적인 데이터를 벗어날 경우에 순간적으로 알람을 발생하는 기능

38 프로그래밍 제안의 대표적인 예(2); 용접포인트의 면적 증가
프로그래밍 제안의 대표적인 예(2); 용접포인트의 면적 증가 용접면적(HAZ)가 5~6mm로 유지되어야 하는데 7~8mm로 면적이 늘어난 순간 알람을 발생하는 기능