[기획] 오토모티브 산업의 혁신 ‘3차원 측정기술’ ①기술 및 업계 동향
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[기획] 오토모티브 산업의 혁신 ‘3차원 측정기술’ ①기술 및 업계 동향
  • 김종율 기자
  • 승인 2019.09.11 15:10
  • 댓글 0
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수요의 80% 자동차 산업에 집중

3차원 측정기는 말 그대로 물체를 3차원적으로 측정하는 기기이다. 직선으로 구성된 1차원과 평면인 2차원, 그리고 부피와 공간을 나타내는 3차원적 요소를 모두 측정한다. 이러한 3차원 측정기는 자동차 산업 등 정밀도를 요하는 분야에서 주로 활용된다.

3차원 측정기의 전체 수요 중 자동차 산업이 60~80%를 차지하고 있다. 자동차 외관을 측정하고, 엔진 및 내부 부품을 검사하고 설계하는 분야에까지 널리 퍼져있다. 이 분야는 그만큼 3차원 측정기 업계에게 먹거리를 제공한다. 

주요 메이저급 글로벌 3차원 측정기 업체로는 ①헥사곤(Hexagon Metrology Group) ②미쓰도요(Mitutoyo) ③자이스(Zeiss) ④니콘인스트루먼트 등이 있고, 이들과 어깨를 나란히 하기 위해 노력하는 국내 업체로는 덕인 등이 있다.

3차원 측정기는 말 그대로 물체를 3차원적으로 측정하는 기기이다. 직선으로 구성된 1차원과 평면인 2차원, 그리고 부피와 공간을 나타내는 3차원적 요소를 모두 측정한다.

측정기의 기초
3차원 측정기를 알기 위해서는 원초적인 측정기구들부터 알아야 한다. 캘리퍼스(Calipers)와 마이크로미터(Micro Meter)가 그것이다. 캘리퍼스는 기계부품의 지름이나 두께를 측정하는 기구인데, 측정 대상의 바깥지름과 안지름을 측정할 수 있다. 마이크로미터는 물건의 길이를 0.01㎜단위까지 정확하게 측정한다.

이 두 가지 도구를 이용해 물건을 측정하는 데 만족하지 못하던 사람들은 기계를 도입하기 시작했다. 그 첫 번째 결과물이 프로파일 프로젝터(Profile Projector)이다. 우리말로 윤곽투영기로, 이것은 말 그대로 윤곽을 투영(投影)하기 위해 만들어진 기계이다.

윤곽투영기가 나오면서부터 측정 분야는 비약적으로 발전했다. 지금까지의 측정기가 컴퍼스처럼 점과 점을 찍는 1차원적 측정방식이었다면 윤곽투영기가 등장하면서부터 선과 면을 아우르는 2차원적 측정이 가능해졌다.

윤곽투영기가 1차원에서 2차원으로 한 순간에 뛰어넘는 역할을 했다면 2차원과 3차원을 잇는 다리를 놓은 것은 메저링 마이크로스코프(Measuring Microscope)이다. 흔히 측정현미경이라고 부른다.

니콘인스트루먼트코리아의 경우 측정현미경을 Z축으로 수평 이동해 계산할 수 있는 2.5차원 현미경이라고 정의했다.


3차원 측정기의 등장
측정현미경이 등장하면서 측정 분야는 새로운 국면을 맞이했다. 현미경으로 측정 대상을 관측할 수 있는데다 단순히 가로·세로만이 아니라 Z축이라는 완전히 새로운 방향으로도 측정이 가능하게 되었기 때문이다.

이로 인해 자나 컴퍼스와 같은 도구로 측정하던 예전 방법으로는 상상할 수 없을 정도로 정밀하고 거대한 물체들까지 측정할 수 있는 기반이 완성되었다.

하지만 측정 작업이 점점 정교해지고 보다 높은 정확도를 요구하게 되면서 측정현미경 역시 한계에 부딪히게 된다. 철 등 금속 물체를 측정하면 체온이나 진동과 같은 아주 미세한 요소에 인해서도 측정값이 크게 달라질 수 있었던 것.

그래서 등장한 것이 바로 CNC라는 시스템이다. CNC는 Computer Numerical Control의 약어로 컴퓨터 수치 제어라는 뜻으로 통한다. 이는 장치의 이동하는 속도와 양, 그리고 방향 등을 컴퓨터로 제어하는 것을 의미한다. CNC 시스템을 도입하여 컴퓨터 제어를 통해 X축과 Y축 그리고 Z축을 자유롭게 오갈 수 있는 측정기가 바로 접촉식 3차원 측정기이다.

3차원 측정기의 전체 수요 중 자동차 산업이 60~80%를 차지하고 있다. 자동차 외관을 측정하고, 엔진 및 내부 부품을 검사하고 설계하는 분야에까지 널리 퍼져있다.

하지만 사람들은 접촉식 3차원 측정기에도 만족스러워하지 않았다. 프로브를 통해 일일이 접촉해야만 결과를 얻어낼 수 있는 접촉식 3차원 측정기는 완성도는 높았지만 측정 속도가 더딘 편이었다. 또한 크기가 매우 작은 측정물이 등장하는 등 측정 산업이 변화하여 접촉식 측정기만으로는 측정 작업에 한계를 보이게 되었다.

사람들은 접촉식 3차원 측정기의 개념에 측정현미경의 원리를 도입하여 비디오 메시링 시스템(Vedio Measuring Systems)이라는 개념을 만들어내었다.

비디오 메저링 시스템은 화상 처리 기술과 컴퓨터 제어 시스템의 장점을 모두 갖춘 시스템으로, 아주 작고 미세한 측정 대상부터 한눈에 들어오지 않는 커다란 측정 대상까지 다양한 크기를 광학 시스템으로 파악해 측정한다.

사람들은 광학 기술을 이용한 3차원 측정기를 기존의 3차원 측정기와 비교하기 위해 기존의 측정기를 접촉식 3차원 측정기, 그리고 광학 기술을 활용한 측정기를 비접촉식 3차원 측정기라고 명명했다. 이것이 오늘날 3차원 측정기를 나누는 기준이 되었다.


접촉식 Vs. 비접촉식
다시 설명을 하자면 3차원 측정기는 측정 방법에 따라 접촉식과 비접촉식 방식으로 나누어지며, 이들은 서로 다른 장점을 지닌다.

접촉식 측정기는 물체를 검사하는 정밀도가 높다. 이는 레이저나 카메라로 촬영을 하는 방식이 아닌 실제로 물체를 측정하는 방식이기 때문이다. 검사하는 속도의 경우 접촉식 측정기는 비접촉식에 비해 느리다.

비접촉식 측정기는 여러 측정지점을 동시에 투과 내지 촬영하면서 검사할 수 있어 빠른 속도를 자랑한다. 프로브가 접촉하면서 검사하지 않는 특성상 검사의 정확도는 접촉식에 비해 조금 떨어진다.

카메라 및 레이저기술이 발전하면서 접촉식과 비접촉식의 격차가 좁혀지고 있다고는 하지만 현재까지는 접촉식은 정확도 면에서, 그리고 비접촉식은 속도 면에서 우세를 차지하고 있다.

또한 업계 관계자들에 따르면 평판에 가까운 물건을 검사하는 장비는 비접촉 방식이 보다 효과적이며 굴곡이 많은 검체를 검사 및 판독하기에는 접촉 장비가 더욱 적합하다는 것이 중론이다.

3차원 측정기를 활용할 수 있는 분야는 다양하다. 전자기판 회로와 같은 작은 부품 검사부터 시작해서 철이나 알루미늄 가공 분야, 기계 설비나 심지어는 지형 파악 분야에도 사용된다. 3차원 측정기가 가장 널리 사용되는 분야는 자동차 산업이다.

자동차 외관을 측정하고 만드는 분야부터 엔진 및 내부 부품을 검사하고 설계하는 분야에까지 널리 퍼져있다. 자료에 따르면 자동차 산업에 사용되는 3차원 측정기 수요는 3차원 측정기 전체의 60~80%를 차지하고 있다.

3차원 측정기를 활용할 수 있는 분야는 다양하다. 전자기판 회로와 같은 작은 부품 검사부터 시작해서 철이나 알루미늄 가공 분야, 기계 설비나 심지어는 지형 파악 분야에도 사용된다.

>> 글로벌 주요업체 현황

①미쓰도요(Mitutoyo)
일본 미쓰도요는 마이크로미터·캘리퍼스·하이트 게이지·다이얼 게이지 등과 같은 측정공구에서부터 기준기(게이지 블록·하이트 마스터·석정반 등), 광학기기(투영기·현미경·렌즈), 경도 시험기, 스케일 및 센서, 화상 측정기, 형상 측정기, 3차원 측정기에 이르기까지 측정기와 관련된 제품이라면 만들어진 시대와 쓰임을 불문하고 전부 직접 개발 및 생산하고 있다.

특히 인라인 측정 분야에서는 업계를 선도하며 트렌드로 만들었을 만큼 유명세를 타고 있다. 생산 라인 관리, 다품종 소량 생산, 해외 생산 등의 산업 현장에서 부각되고 있는 측면들을 고려해 인라인 3차원 측정기 쪽에 힘을 싣고 있다는 게 미쓰도요의 설명이었다.

②자이스(Zeiss)
3차원 측정기를 논할 때 독일에 있는 자이스(Zeiss)를 빼놓을 수 없다. 칼자이스는 독특한 렌즈 제조 기술로 인해 광학 및 렌즈 분야에서는 이미 독보적인 존재이다.

하지만 이게 전부는 아니다. 칼자이스는 현미경을 비롯한 다양한 광학 기술에서 실력을 발휘하며 카메라 렌즈와 현미경 분야, 의료기기 분야 등에서도 맹 활약하고 있다. 이 같은 명성을 3차원 측정기 분야에서도 그대로 이어가고 있는 게 칼자이스의 현재 모습이다.

③헥사곤(Hexagon Metrology Group)
3차원 측정기 시장에서는 헥사곤(Hexagon Metrology Group)도 강력하다. 그 이유는 다양한 회사들의 합병으로 헥사곤 그룹이 만들어진 만큼 다양한 회사들이 가진 우수한 기술들이 결합되어 있기 때문이다. 1819년 스위스에 세워진 Kern&Co.가 헥사곤의 전신이고, 1992년 Hexagon AB가 설립됐다.
이후에도 Wilcox, M&H그룹, Leica Geosystems AG 등 세계 여러 우수 기업들과 합병을 통해 덩치를 키웠다. 현재 Brown&Shape (미국), Leits (독일), DEA(이태리), TESA(스위스) 등은 헥사곤 그룹을 구성하는 핵심 기업으로 손꼽힌다.

④니콘인스트루먼트
니콘인스트루먼트 역시 일본에서 출발한 기업이다. 카메라와 렌즈 등으로 널리 알려진 후 일반 카메라를 만들며 터득한 노하우를 산업용 렌즈와 측정 기술에 반영했다.
이 같은 배경으로 인해 니콘은 광학기술 전문 회사로 오해하기 쉽다. 그러나 니콘은 측정용 시장에서도 상당한 경력을 가지고 있다. 20여 년 전 비접촉식 3차원 측정기를 생산하기 시작했고 2년 전 매트릭스를 인수해 접촉식 3차원 측정기를 다시 제작하기 시작했다. 비전 메저링 시스템과 CNC 측정기를 주 모델로 삼고 있다. 현재 니콘인스트루먼트는 기울기가 다른 이미지라도 자동 보정하여 측정하는 기술도 갖고 있다.

⑤마르포스
마르포스는 마리오 포사티(Mario Possati)가 1952년에 설립한 회사로, 초기부터 가공부품의 치수, 기하학적 특성 및 표면의 특성 측정, 제어 및 관리 등 산업 애플리케이션용 시스템을 생산하고 있다.

설명에 따르면 마르포스의 애플리케이션 솔루션들은 표준 또는 신규로 설계되는 제품과 함께 제공되며, 공작기계의 직접적인 제어에서 완성품의 최종 검사, 측정 데이터 수집 및 통계학적인 분석에 이르는 모든 제품을 충족시킨다.

마르포스는 자동차 산업에서 필요로 하는 측정 및 자동차 부품 제조와 조립을 돕기 위한 일련의 테스트 장비를 공급하는 것으로도 유명하다. 대표적인 전용 솔루션으로는 여러 매개 변수를 통한 반자동 또는 완전 자동 검사용 솔루션, 와전류 기술을 기반으로 한 비파괴 테스트 장비, 누설 테스트 장비 등이 그것들이다.



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