2020년 9월 21일 월요일

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교정(calibration) - 필요한가? 필요하지 않은가?

교정(calibration) 일정은 꼭 프로젝트의 가장 중요한 시점에 잡혀 있는 것처럼 보인다. 그렇다면 교정은 정말로 그렇게 중요한가? 이 글에서는 진정한 교정은 무엇이며 왜 필요하며 얼마나 자주 실시해야 하는지 살펴보려고 한다. 이 글에서는 또한 계량 표준실을 이용할 때 정확한 교정을 달성하기 위해서는 어떻게 해야 할지 설명한다.


글/Bill Laumeister Strategic Applications Engineer Maxim Integrated

서론

교정은 꼭 프로젝트의 가장 중요한 시점에 일정이 잡혀 있다. 예를 들면 작업 팀이 연례적인 산업 전시회에서 선보일 클록을 한창 개발하고 있을 때 처럼. 교정이 프로젝트에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 그 한 예로서 어떤 테스트 장비가 6개월 교정 주기라고 하자. 5개월 되는 시점에 설계 엔지니어가 2개월 걸리는 테스트 시퀀스를 시작한다고 하자. 만약에 이 장비를 이 테스트 중간에 교정하게 된다면 그 동안 누적된 편차 또는 오차가 상당해서 테스트를 다시 실시해야 할 수도 있다. 그렇다면 어떤 장비를 필요로 하는 대형 프로젝트를 시작할 때는 그에 앞서 이 장비를 교정하는 것이 더 좋지 않겠는가? 그리고 교정 일정을 게시해서 작업자들이 당황하는 일이 없도록 하는 것이 더 좋지 않겠는가? 다른 많은 사항들과 마찬가지로 프로젝트 일정 소프트웨어에 교정 일정도 같이 기입해야 할 것이다. 교정 일정이 중요한 시점에 있을 수 있기 때문이다. 만약 이렇게 하지 않는다면 교정 때문에 프로젝트 일정이 지연될 수도 있다.

교정이란 무엇인가?

어떤 사람들은  2대의 장비(예를 들어서 스코프와 미터)를 확인해 보고 이들 장비가 동일한 리딩을 제공하면 이들 장비가 “교정”되어 있다고 생각한다. 하지만 이 방법에는 몇 가지 문제가 있다. 적어도 이 방법은 그렇게 과학적인 방법은 못 된다. 이 논리에 대해 비유를 들어보자면 어느 누구도 회계장부를 작성한 본인에게 자신이 작성한 내용을 감사하도록 하지는 않을 것이기 때문이다. 이 방법으로 교정을 실시하면 세 가지 조건은 판별할 수 없다는 것이 확실하다. 첫째 한 장비는 옳고 다른 장비는 틀리다고 했을 때 어떤 것이 옳고 어떤 것이 틀린 것인가? 둘째 두 장비가 서로 반대 방향으로 틀렸을 때 엔지니어가 어느 쪽 결과도 옳지 않다는 것을 어떻게 알 수 있을 것인가? 그리고 끝으로 두 장비가 서로 같게 틀렸을 때는 엔지니어가 잘못된 결과를 얻었으면서도 그렇다는 것을 인지하지 못할 것이다. 진정한 추적검증(traceability)를 확보하고 있는 외부적 표준을 이용하지 않고서는 장비가 언제 옳은 것인지 누구도 알 수 없다.


그림 1: NASA의 화상 탐사 로버 오퍼튜니티는 2011년 7월 17일 주행을 마치고서 내비게이션 카메라를 이용해서 이 장면을 촬영했다. 이 임무를 위해서는 교정 표준기(동그라미 안)가 필수적이었다. (사진 출처: NASA/JPL-Caltec)

교정 표준은 모든 경우에 테스트하려는 대상 장비보다 훨씬 더 정확해야 한다. 이 표준 또한 허용오차가 있다는 점을 명심해야 한다. DUT(device under test)의 허용오차 범위와 표준 장비의 허용오차 범위가 중첩되면 확실한 교정이 이루어질 수 없다. 그래서 통상적으로 교정을 위해서는 DUT의 정확도보다 최소한 10배 이상 더 뛰어난 표준을 필요로 한다. 낮은 허용오차의 명확한 표준을 이용하면 DUT가 교정 사이에 정상적인 편차를 일으키면서도 기준 규격을 벗어나는 리딩을 제공하지 않도록 DUT를 조정할 수 있다. 첨단 장비를 교정할 때는 표준이 10배 이상 더 우수하기는 불가능하다. 실제적으로 4배 이상 더 정확한 표준을 이용할 수 있으나 다른 표준들을 이용한 교차 점검을 포함하는 좀더 복잡한 절차들을 함께 이용해야만 한다.

계량 표준실(metrology lab)

진지한 엔지니어들은 유명 상표의 장비를 구입하고서 이러한 전자 테스트 장비가 정확할 것으로 기대한다. 모든 것은 시간이 지나면서 변화하므로 이들 엔지니어들은 자신의 장비를 계량 표준실로 보내서 교정을 하도록 한다. 그렇다면 계량 표준실에서는 어떻게 일이 진행되는 것인가?

대부분의 표준실은 훌륭하고 효과적이다. 하지만 불행히도 여기에도 예외가 있다. 어떤 업체들은 다른 자질들은 심사숙고하지 않고서 가장 낮은 가격으로 입찰하는 표준실을  찾고자 한다. 그러므로 표준실의 충실성을 검증하는 책임은 엔지니어에게 있다. 대규모 표준실은 자신의 측정실을 둘러볼 수 있도록 기꺼이 보여줄 것이며 자신들 표준의 트레이서빌리티를 자랑스러워할 것이다. 자신 장비의 교정 매뉴얼을 들고 표준실 직원과 같이 앉아 있으라. 표준실이 정확한 교정을 수행하기 위해서 필요한 장비들을 갖추었는지 확인하라.

또한 표준실의 장비들이 트레이서빌리티를 확보하고서 적절히 교정되어 있는지 확인해야 한다. 대부분의 국가는 이를 위해서 국가적 차원의 표준 시험소를 두고 있다. 미국에서는 NIST(National Institute of Standard and Technology)가 바로 그러한 기관이다1. 훌륭한 계량 표준 시험소라면 자신들의 장비를 일련의 표준 사슬을 거쳐서 NIST나 여타 국가적 표준 기관에서 유지관리하는 최상위 표준으로 거슬러올라가면서 비교해서 보여주는 기록들을 제시할 수 있을 것이다.

테스트 장비의 내부 요소들(전압 레퍼런스 입력 분할기 증폭기 이득 오프셋 등)은 시간이 지나면서 편차를 나타낼 수 있다. 훌륭한 교정 일정은 통상적으로 사소한 편차가 측정을 손상시키지 않도록 하는 것이다. 교정으로서 찾아내고 교정하는 것이 바로 이와 같은 편차이다. 하지만 예기치 않은 사고는 일어나게 마련이다. 장비를 떨어트리거나 누군가 실수로 높은 전압을 탐침할 수 있다. 예를 들면 디지털 멀티미터(DMM)로 과부하가 걸리게 만들고 큰 오차를 일으킬 수 있다. 입력이 퓨즈나 차단기를 이용해서 보호되므로 어떤 이들은 이렇게 해도 교정 범위를 벗어나는 오차는 일어나지 않을 것이라고 잘못 생각할 수 있다. 하지만 보호 장치가 미처 대응할 새도 없이 높은 전압이 입력 보호 장치보다 높게 상승하거나 또는 과도현상이 회로를 손상시킬 수 있다.

장비를 교정하도록 보냈을 때는 계량 표준실에서 이 장비를 교정한 상태로 되돌려 보낼 것으로 기대한다. 엔지니어들은 또한 이 장비가 보내기 전에는 얼마나 교정 상태에서 벗어나 있었고 조정 후에는 어느 정도인지를 보여주는 보고서를 받아보게 될 것이다. 이 보고서에서 상당한 교정 오차가 있었던 것으로 나타난다면 이 장비를 이용해서 수행했던 프로젝트 작업들을 다시 실시하고 새로운 측정들을 취해야 할 것이다.

교정은 얼마나 자주 필요한가?

장비마다 환경마다 애플리케이션마다 다를 수 있으므로 이 질문에 대해서는 대답이 하나일 수 없다. 테스트 장비 제조업체들은 통상적인 조건들에 대해서 교정 간격을 권장하고 있다. 극단적인 조건이거나 매우 중요한 측정일 때는 이보다 좀더 자주 교정이 필요할 것이다. 교정 간격은 일반적으로 다음과 같은 범주로 구분할 수 있을 것이다:

1. 고객 계약 품질 표준 기관 군용 규격 기타 산업 요구에 따른 주기적 교정. 테스트 장비가 교정 또는 인증 기준을 충족하는지 확인하기 위한 테스트에 앞서 해당 요구사항들을 검토해야 한다.

2. 중요한 측정 프로젝트 전과 후. 예를 들어서 새로운 파일럿 제품을 개발했을 때 설계 엔지니어는 이 제품이 규격들을 충족하는지 확인하기 위해서 이 제품을 분석하고자 할 것이며 그러기 위해서 테스트 절차들을 준비할 것이다. 이 시점에서 최종적인 테스트 조정은 테스트 시간을 크게 단축할 수 있고 수익성에 영향을 미칠 수 있다. 포괄적이면서 신뢰할 수 있는 테스트를 위해서는 첨단 장비를 테스트 일정 전과 후 모두에 검증해야 한다.

3. 측정이 잘못된 것으로 의심되거나 장비로 과부하가 걸리거나 장비를 떨어트렸을 때. 이럴 때는 교정 상태를 점검하고 안전성 충실도(장비를 떨어트렸을 경우에 배선이 케이스로 단락되는 등)를 확인해야 한다.

정확한 교정은 불필요한 사치가 아니다. 정확한 교정은 테스트 장비의 신뢰성을 보장할 수 있으며 더 나아가서는 작업자의 안전까지도 달성할 수 있다. 예를 들어서 어떤 장비를 다루기 전에는 미터의 전압을 측정해서 이 장비가 안전한지 확인해야 할 것이다. 미터가 고장나있거나 부정확한 정보를 제공하면 작업자의 상해나 사망까지도 일으킬 수 있다. 뿐만 아니라 교정은 품질을 보장할 수 있다. 최종 테스트 시의 제품이 고객들에게 출하되어서도 표준 기준들을 충족할 것으로 보장하기 위해서는 정확한 테스트 결과가 필요하다.

참고문헌

1. The National Institute of Standards and Technology (NIST) is an agency of the U.S. Department of Commerce.http://www.nist.gov/index.html

저자 약력 Bill Laumeister는 Maxim Integrated의 정밀 제어 그룹 전략 애플리케이션 엔지니어입니다. DAC 디지털 포텐셔미터 전압 레퍼런스를 사용하는 고객들을 지원하는 업무를 맡고 있습니다. 이 분야에서 30년 넘게 종사하고 있으며 다수의 특허를 보유하고 있습니다.