계장기술(PROCON)

기획특집 전위차 방법에 의한 고저항 교정 기술

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 96회 작성일 19-12-16 14:53

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1. 측정과 교정 
지난 여름 부산 오륙도가 보이는 한 카페에 들른 적이 있다. ‘카페라떼는 56도가 가장 맛있는 온도입니다’라는 문구가 나를 유혹한다. 커피콩 원산지의 고도, 조석의 기온 차, 습도 및 일조량 등 자연환경, 그리고 원두의 건조조 건, 볶는 온도 및 시간, 입자의 크기, 커피 추출 압력에 따라서 맛이 크게 차이가 난다고 한다. 고객의 취향에 맞는 커피 맛을 얻기 위하여 다양한 조건의 수많은 측정 과 실험을 통하여 최적의 조건을 찾은 브랜드만이 경쟁에서 살아남을 것이다. 음식 또한 같은 재료와 레시피를 사용하더라도 재료의 투입 순서와 조리 온도 및 시간에 따라서 음식맛이 천차만별이며, 조건의 최적화로 나만의 레시피를 만드는 것이 성공 노하우일 것이다. 
 제지 회사나 제철소 등 대전력 수용가의 경우 154 kV의 고전압을 직접 수전한다. 전력량을 측정하기 위해서 WHM (전력량계)의 전단에 CT(전류용 변성기)나 VT(전압용 변 성기)를 연결하여 전류와 전압을 WHM에 맞는 작은 값으로 변환시켜 전기 사용량을 검침한다. 전력량은 여기서 사용한 세 가지 측정기의 정확도에 따라서 수용가와 한전의 득실이 결정되므로 이들 계량기의 정확한 교정은 공정한 상거래의 핵심이 될 것이다. 80년대 초, 수력발전소의 발전량과 한전의 수전 전기량이 달라서 전기요금 분쟁이 발생하여 양측의 전력량계를 동시에 비교 측정하여 분쟁을 해결한 사례가 있었다. 
 측정(Measurement)은 양의 값을 결정하기 위한 일련의 작업1)으로, 모든 물질의 상태와 현상을 수량적으로 표시하기 위한 수단이다. 측정이 과학기술이나 산업체에 종사하는 특별한 사람들의 이야기로 들릴 수 있으나, 우리는 시나브로 측정 가까이에서 살고 있다. 오늘 미세먼지 농도는 14 µg/m3로 양호하니 마스크 챙길 일은 없겠구나. 다소 쌀쌀한 아침이니 체온 유지에 적합한 자켓을 꺼내야지. 장거리 운전을 해야 하는데 타이어 압력은 정상인가, 혹 있을 과속 단속은 피해야지. 월말이 다가오니 각종 공과금을 내야하는데, 전기량·열량·가스량 등 정확한 계량을 통한 고지서일 것이다 믿어본다.

 실증된 측정 불확도 범위에서 수행되는 체계적인 측정은 산업 품질관리의 기본 중에 하나이며, 일반적으로 말해 대부분의 현대 산업에서 측정에 드는 비용은 생산비의 10~15%2)로 매우 크지만, 그러나 측정은 제품의 가치와 품질을 크게 증대시킬 수 있는 중요한 생산 행위다. 측정의 중요성은 현대 경영의 권위자인 Peter F. Drucker의 명언에서 더욱 실감날 것이다. ‘측정하지 않으면 관리할 수 없고, 관리하지 않으면 개선할 수 없다(If you cannot measure, you cannot manage)’
측정기는 연구개발에서 제조, 검사부문에 이르기까지 폭넓게 사용되며, 언제 어디서 누가 사용하더라도 동일한 기능, 성능을 발휘할 수 있도록 유지관리하는 것이 중요하다. 일반적으로 생산라인 및 시험 검사용 측정기는 사용 횟수, 사용 환경, 내구연한 등 여러 요인으로 정밀 정확도가 변할 수 있기에 일상적으로 점검하고, 주기적 교정을 통해서 관리해야 한다.
교정의 결과(보정값, 측정 불확도)는 측정기 사용 여부 및 제품의 합격 여부를 판단하는 중요한 기준이 되며, 산업체는 교정을 통해 제조 공정에서 제품의 균질성과 성능을 보장하고, 시험 및 검사에서 산출하는 측정 결과의 신뢰성을 확보함으로서 제품의 성능 보장할 수 있다. 여기서 교정(Calibration)이란 측정기나 측정 시스템이 지시하는 양의 값, 또는 물적 척도나 표준 물질이 표시하는 값과 표준에 의해 현시된 이들에 대응하는 값 사이의 관계를 지정한 조건하에서 확립하는 일련의 작업1)으로서, 측정기의 정밀 정확도의 지속적인 유지를 위해 상위 표준과 주기적으로 비교하는 것을 말하는데, 반드시 국가 측정 표준과 연결되어 “측정의 소급성을 확보”하여야 유효 하다.
측정과학(Metrology)을 일찍이 체계화 발전시킨 나라가 선진 강국이 되었으며, 정확한 측정은 국민의 안전과 삶의 질 향상에 크게 기여한다. 스마트공장, 스마트 창고, 스마트홈과 사물인터넷(IT), 스마트시티, 원격진료 등 다양한 분야에서 측정 센서 시스템의 신뢰성이 아주 중요하게 부각되고 있으며, 측정과학으로 우주 전쟁 및 우주 영토 확장과 미래의 먹거리를 선점할 것이다.
2. 고저항 측정기
안정도가 우수하고 정확도가 뛰어난 표준저항은 측정기를 교정하기 위한 기준기로 활용되고 있으므로, 적절 한 관리와 주기적인 교정을 통해서 그 성능을 지속적으로 유지함이 매우 중요하다. 표준저항은 온도 변화에 따른 저항 변화인 온도계수가 작아야 하며, 우수한 안정도를 나타내는 경년 변화가 작아야하고, 또한 구리에 대한 열기전력과 전압계수가 작아야 한다는 등의 특징을 갖고 있는 저항으로 부품용 정밀저항과 구분된다. 표준저항은 또한 열적 및 기계적 충격이나 진동 등에 대한 영향이 작아야 한다.
절연재료의 개발 및 제조, 전기기기의 제작, 전자부품의 제조 검사 등 많은 분야에 걸쳐 절연저항을 측정한 다. 그러나 측정 조건 및 인가전압은 측정 대상에 따라 각각 다르다. 트랜지스터와 IC 부품의 절연저항 측정의 인가 전압은 5~15V의 저전압이지만, 전기용품 안전규정에 따른 전기기기 등에는 100~1000V의 전압이 사용된다. 1 MΩ - 1 GΩ의 측정범위를 갖는 절연저항계와 그 이상의 저항을 측정하는 고저항 측정기(TΩ meter)로 분류할 수 있다.
절연저항계의 측정 방법은 원리적으로 미소전류 측정 법과 동일하지만, 절연물의 성질상 측정 시간, 온도 및 습 도 등의 측정 조건에 따라 달라질 수 있다. 측정 원리는 그림 1에서와 같이 절연저항 Rx 에 고전압 Es 를 인가하면 미소전류 Ix 가 흐르고, 이 전류가 표준저항 Rs 를 흐를 때 발생하는 전압강하로부터 미터(M)을 구동시켜 측정 한다. 여기서 RI 는 미터의 입력저항이다.
우리가 실험실이나 작업 현장에서 가장 많이 사용하는 다기능 측정기(디지털 멀티미터, DMM)의 경우에도 수십 MΩ까지 측정할 수 있는 제품을 쉽게 접할 수 있으며, 최대 저항 측정범위가 500 MΩ인 DMM도 있으나 정확 도는 0.2~10% 수준이다. 한편 고정도 DMM의 경우 최 대 측정범위가 20 GΩ인 것도 있는데, 최대 시험전압은 약 200V, 측정 불확도는 20 GΩ 범위에서 약 0.1%이다.

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3. 전위차식 고저항 교정 시스템
그 동안 한국캘랩㈜의 표준저항 교정 범위는 최대 1 GΩ이었으나, 산업체에서 요구하는 교정범위가 점점 확장되어 당사의 측정능력을 향상시켜야 했다. 국내 최초, 최고의 수준으로 전위차 방법에 의한 고저항 교정 시스템 구축을 위한 본 연구는 한국표준과학연구원(KRISS)의 표준저항 개발 및 보급 분야의 권위자를 만나면서, 당사에서 이미 확보하고 있는 측정기들을 충분히 활용함으로써 추진을 용이하게 하였다.
2006년 설립한 한국캘랩㈜는 정부가 공인한 200여 개 국가교정기관 중 다섯 손가락 안에 꼽힐 정도로 역량을 인정받는 기업이다. 길이, 질량, 시간 및 속도, 전기 및 전자파, 광통신에 이르기까지 총 229개 항목에 대해 연 간 약 11만 건의 교정을 수행하는 전문 교정기관으로서, 새로운 측정기술 개발에도 지속적으로 남다른 애정을 갖고 있는 기업이다.

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(1) 전위차식 고저항 교정 원리

그림 2는 전위차 방법에 의한 고저항 교정 시스템 회로도인데, 직류전압 발생기( V ), 교정대상 고저항기( Rx ), 기준저항( RS ) 및 전압측정기(DVM 또는 Electrometer)로 구성하였다. 재현성 있는 고저항 측정 결과를 얻기 위하여 연간 안정도가 (2~4)·10-6인 가장 우수한 측정기들을 활용하였다. 특히 전압측정기의 입력저항 크기에 따른 전압 측정의 부하효과(Loading effect)를 최소화하기 위하여 저항 범위에 따라 입력저항이 약 10 TΩ인 DVM 과 약 200 TΩ인 Electrometer를 각각 활용하였다. 또한 기준 저항 및 교정 대상 저항의 온도 변화의 영향을 최소화하기 위하여 23.0 ±0.04℃로 유지되는 Air bath를 사용하였고, 또 차폐실도 활용하였다. 그림 2에서 직류전압 발생기의 시험전압을 V, 전압측 정기의 측정전압을 VRs라고 하면, 다음의 식 (1) 및 (2)를 얻는다.
V = I ( RX + RS )  ………… (1)

VRs = IRS     ……………… (2)
식 (1) 및 (2)에서 교정대상 저항의 저항값은 다음과 같다.

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 예를 들어 1 GΩ을 기준저항( Rs )으로 1 TΩ( RX )을 교 정할 경우, 100V를 공급하여 100 mV가 측정되었다면 RX 는 0.999 TΩ이다.

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(2) 측정 정확도를 높이기 위한 고려 사항

전위차식 고저항 교정의 정확도를 높이기 위해서는 전압측정기가 갖고 있는 오프셋 전압을 제거할 수 있도록 양극성 전압의 평균값을 적용하고, 최적의 시간 간격을 구하여 안정적인 전압을 측정해야 한다. 또 안정도가 우수하고 국가표준에 소급된 제너 전압표준기로 교정 직전에 전압 측정기의 해당 범위를 교정하여 사용해야 한다. 또한 앞에서 언급한 것과 같이 입력저항에 따른 전압 부 하오차가 작은 전압 측정기를 선택하여야 하며, 직류전 압발생기( V ), 교정대상 저항( RX ), 기준저항( RS ) 및 전압측 정기 사이의 연결도선을 절연이 우수한 테프론 차폐선을 사용하여 그림 2의 점선과 같이 모든 차폐선을 전압측정 기의 접지에 연결해야 하는데, 절연저항이 증가할수록 누설저항 효과가 감소함을 고려해야 한다. 차폐선의 접지가 적절하지 않으면 측정값의 흔들림이 심하여 측정하기가 매우 어려우므로 이 점에 주의해야 한다. 또 저항 단 자들과 전압 발생기, 전압측정기 사이를 연결할 때 바나나형 커넥터보다 lug형 커넥터를 사용하여 반복성이 우수한 결과를 얻을 수 있었다.  
(3) 측정 불확도 및 국가표준과의 일치도

측정 불확도는 국제 규격3)에 따라, 반복 측정에 의한 불확도(A형) 및 사용한 측정 장비의 안정도, 교정 불확도, 분해능, 전압측정기의 입력저항 및 바이어스 전류, 회로의 누설저항과 온도계수 등의 영향을 종합적으로 평가하여 결정하였다. 고저항 측정 시스템을 구축하여 신뢰성있는 교정 결과를 얻기 위해서 국가표준기관인 KRISS에서 교정한 표준 고저항을 한국캘랩 시스템으로 교정하여 일치도를 평가하여 당사의 전위차식 고저항 교정 시스템의 유효성 을 확보하였다. 그림 4는 1 TΩ을 10회 반복 측정한 결과로써, A형 불확도는 70 µΩ/Ω으로 안정된 결과를 보여준다. 그림 5는 1 TΩ(High Resistance Standard, Ω-labs, Model 112) 의 교정 결과로서, KRISS와의 편차는 1.8 GΩ(상대편차 0.018% 또는 180 µΩ/Ω)이며, 상하 막대는 측정 불확도 (U)이다.

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4. 맺는 말
전위차 방법을 이용한 고저항 교정 시스템의 구축은 KRISS의 논문4)을 바탕으로, 특허기술을 이전받아 국내 교정기관 중에서 유일하게 고저항 교정시스템을 구축한 연구 사업이었다. 이로써 당사는 표준저항의 교정 범위를 최대 1 GΩ에서 100 TΩ으로 확장하게 되었고, 향후 측정범위를 100 PΩ까지 확장할 예정이며, 정확도 및 업무 효율을 향상시키기 위하여 교정 자동화도 추진할 예정이다.
국내 교정기관의 고저항 CMC 최고 수준을 비교한 표 1에서 보는 바와 같이, 당사의 고저항 교정 능력은 가장 우수한 것으로 나타났다. 이로써 당사에서는 높은 수준의 기술력으로 1 mΩ ~ 100 TΩ 범위의 표준저항을 교정 서비스할 수 있게 되었다.

kysdg85@naver.com


* 참고문헌

1) 국제 측정학 용어집(VIM), Metrology 1993

2)  제3판 측정학-요람(Metrology-in short),  EURAMET Project 1011, 2008

3)  측정불확도 표현지침[ISO/IEC Guide 98-3:2008(GUM : 1995)], KRISS, 2010

4)  Kwang Min Yu, A method for measuring high resistances with negligible leakage effect using one voltage sourec and one voltmeter, M.S.T 25(2014 075012

5)  김용선, 표준저항 교정 시스템 구축 및 불확도 평가, 2019 하반기 전기자기/전자파 측정클럽 워크숍 발표자료(2019.09.26. 무창포)