개요
로드셀, 특히 저항 스트레인 게이지 기반 로드셀은 설계 초기부터 제조 기술과 공정에 크게 의존하며 발전해왔습니다.
- 1940년대 로드셀이 등장한 이후, 제조 기술과 공정이 그 발전의 핵심 기반이 되었습니다.
- 1990년대 이후, 선진 산업국의 로드셀 제조 기업들은 제조 기술에 연구·개발 초점을 맞추면서 국제 시장을 선도하고 있습니다.
1. 로드셀 개발과 생산에서 제조 기술의 위치와 역할
로드셀 개발 및 생산에는 구조, 소재, 기술, 시험 4가지 핵심 요소가 있습니다.
- 정밀도, 안정성, 신뢰성은 제조 기술과 공정 수준에 크게 좌우됩니다.
- 제조 기술 개선, 공정의 합리적 선택과 통합은 제품 품질 향상의 필수 요소입니다.
- 독일과 미국 기업은 제조 공정 혁신과 전문 기술 확보를 통해 국제 경쟁에서 우위를 유지하고 있습니다.
핵심 특징
- 로드셀은 지식·기술·기술력 집약형 제품으로, 다학제, 다공정, 다기술의 통합이 필요합니다.
- 대량 생산 기술 개발에는 수십 배 이상의 노력이 필요하며, 이는 선진국 기업들이 선도적 위치를 유지하는 이유입니다.
- 설계와 공정 동시 개발(Concurrent Engineering)은 개발 속도 단축과 품질 안정화에 큰 역할을 합니다.
2. 주요 제조 공정 및 메커니즘
2.1 저항 스트레인 게이지 접착
- 저항 게이지를 탄성 요소 표면에 접착하는 과정은 물리적 결합으로, 표면 연마와 샌드블라스트 처리가 필요합니다.
- 목적: 표면 산화 제거, 접착력 강화, 전단 강도 개선, 접착제 침투 향상.
- 접착 후 테플론 필름 등을 사용하여 고온 압착 시 위치 정확성 확보.
2.2 접착제 경화 및 후경화
- 접착제 경화 과정에서 온도, 유지 시간, 가열 속도 등이 정확해야 스트레인 전달 성능과 전단 강도가 확보됩니다.
2.3 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 조립
- 4개의 저항으로 구성된 브리지 회로는 저항 변화 → 전압 출력 변환에 사용됩니다.
- 특성:
- 초기 출력 전압을 0으로 설정 가능 → 증폭·표시 용이
- 풀 브리지 연결로 온도 및 기타 영향 상쇄 가능
- 저항 게이지 위치·방향·조립에 따라 편심·횡하중 영향 최소화
- 회로 보상 및 조정 용이
2.4 감도 온도 보상
- 온도 변화에 따른 탄성계수 변화로 감도가 달라지므로, 온도 보상 회로를 사용해 감도 안정화
- T형 재료, 스트레인 게이지 구조, 제조 공정에 따라 온도 오차 분산이 작음 (<10%)
2.5 보호 및 밀봉
- 수분·산소·염분·진동으로부터 보호가 중요
- 불충분한 밀봉은 접착제 흡수, 접착력·절연 저하, 영점 드리프트 및 출력 불규칙 초래
- 현재 사용되는 밀봉 방식: 표면 밀봉, 맹공 밀봉, 용접 밀봉
2.6 알루미늄 합금 탄성 요소의 노화 처리
- 소형 로드셀 설계 시 감도와 강성 모두 고려
- 2A12 알루미늄 합금: 높은 비강도, 내식성, 가공성 우수
- T4(자연 노화) 상태는 고정밀 로드셀 제작에 부적합 → 인공 노화 T6 필요
- 인공 노화: 180~195℃, 6~12시간 유지 → 잔류응력 제거, 구조 안정화, 감도·영점 안정화
3. 제조 기술과 공정 발전 추세
- 로드셀 제조 기술은 국제 시장 경쟁과 신기술, 신소재, 신규 공정에 의해 주도
- 목표: 다양성, 규격, 품질, 비용, 신속한 공급 등 시장 요구 충족
핵심 발전 방향
- 자동화·네트워크화: 단일 공정 자동화, 컴퓨터 제어, 공정 간 정보 공유
- 소형화·고저항·저전력 스트레인 게이지 개발
- 불안정 접착제 대체 기술: 무기 유리 접착 스트레인 게이지 → 장기 안정성 향상
- 통계적 공정 관리(SPC): 샘플링, 조기 경보, 공정 안정성 확보
- 첨단 소재와 장비 활용: CNC, 가공센터, 유연 생산 설비로 품질·효율 향상
결론
- 선진국에서는 제조 기술·공정 관련 정보가 엄격히 비공개
- 제조 공정 연구 부족은 국내 로드셀 품질·기술 발전 지연의 주된 원인
- 국내 기업은 전통 수작업 방식을 벗어나 첨단 제조 공정과 관리 체계 도입 필요
- 목표: 국제 시장 경쟁력 확보, 로드셀 기술 수준 향상, 산업 발전 기여