이 글의 목적은 프레스 작업에서 사용되는 광전자식 안전장치의 원리와 규격, 안전거리 계산, 설치 레이아웃, 회로 설계, 유지관리 기준을 전문가 수준으로 정리하여 현장에서 즉시 적용 가능한 실무 지침을 제공하는 것이다.
1. 광전자식 프레스 안전장치의 개요
프레스는 슬라이드 하강 중 작업자 신체가 금형 위험구역에 접근하면 심각한 협착과 절단 사고가 발생하기 쉬운 설비이다. 광전자식 안전장치는 가상 울타리를 형성하여 신체 접근을 즉시 감지하고 위험운동을 정지시키는 장치이다. 대표 유형은 라이트커튼(광전자식 방호장치, AOPD), 에어리어 스캐너(2D 안전 레이저 스캐너), 단일·다중 빔 세이프티 센서가 있다. 각 장치는 검출 원리, 해상도, 적용 가능 공정, 안전거리 산정 방식이 다르므로 설비 특성에 맞는 선정이 중요하다.
2. 용어와 규격 이해
- 라이트커튼: 다수의 발광부·수광부로 구성되어 평면상의 보호영역을 만든다. 손·손가락 검출에 적합하다.
- 에어리어 스캐너: 회전 레이저로 2D 영역을 주사하여 인체 접근을 감지한다. 넓은 구역·불규칙 레이아웃에 유리하다.
- 검출 해상도(Resolution, d): 차단 가능한 최소 물체 직경이다. 14 mm는 손가락, 30 mm는 손, 70~90 mm는 팔·상지 수준으로 본다.
- 정지시간(Time to stop, T): 센서 응답시간 + 안전릴레이/세이프티 PLC 응답 + 프레스 브레이크 정지시간 합이다.
- 안전거리(Safety Distance, S): 검출선에서 위험점까지 필요한 최소 이격거리이다.
- 제어신뢰도: ISO 13849-1의 성능수준(PL)로 표현한다. 프레스 위험운동 정지는 일반적으로 PL d 또는 PL e 달성이 요구된다.
- IEC 61496: 광전자식 방호장치의 제품 안전규격이다. Type 2, Type 4 분류가 있다. 프레스에는 통상 Type 4 적용을 권장한다.
3. 유형별 핵심 비교
| 항목 | 라이트커튼(Type 4 권장) | 에어리어 스캐너(안전 레이저) | 세이프티 다중빔(2·3·4빔) |
|---|---|---|---|
| 검출 해상도 | 14~40 mm(손가락·손) | 70~150 mm(팔·몸통 중심) | 200~500 mm(몸통·하지) |
| 보호 영역 형태 | 평면(직선). 미러로 U/L자 확장 가능 | 2D 곡선·다각형 영역 자유 설정 | 수평·수직 다중 라인 |
| 주 적용 공정 | 하단 금형 접근 방지, 핸드인 방지 | 넓은 투입구, 로봇·AGV 공존 구역 | 출입 통제, 저비용 몸통 감지 |
| 안전거리 산정 K값 | 상지 1600 mm/s 기준 적용이 일반적이다 | 전신 2000 mm/s 기준 적용이 일반적이다 | 전신 2000 mm/s 기준 적용이 일반적이다 |
| 오검출/우회 | 반사·흑광택 영향. 블랭킹·플로팅 기능으로 보완 | 분진·연무 영향. 더스트 필터링·마스킹 필요 | 하부 통과 우회 위험. 풋가드 등 보완 필요 |
| PL 달성 | Type 4 + Cat.4 구조로 PL e 달성 용이 | 제품·설계에 따라 PL d~e | PL d~e 가능. 레이아웃 영향 큼 |
| 설치 난이도 | 중간. 평행도·해상도·거울 각도 관리 | 상. 필드맵·영역 도형 설정 필요 | 하. 기둥·브래킷만으로 구성 가능 |
| 대표 리스크 | 미세 틈새 통한 손가락 침입 | 지면 반사, 챠터링에 의한 뮤팅 실패 | 하부 크리프 통과 |
4. 안전거리 계산(핵심 공식과 적용)
광전자식 안전장치는 센서가 차단된 순간부터 프레스가 완전히 정지할 때까지의 이동거리 이상으로 검출선이 위험점에서 이격되어야 한다. 기본식은 아래와 같다.
기본식: S = K × T + C
S: 안전거리(mm)
K: 접근 속도(mm/s) → 상지 1600, 전신 2000 적용이 일반적이다
T: 전체 정지시간(s) → 센서 응답 + 안전회로 응답 + 기계 브레이크 정지시간
C: 보정항(mm) → 라이트커튼 해상도(d)에 따라 0 또는 8(d − 14) 적용이 일반적이다
- K 값 선택: 손·상지 접근이 우세하면 1600 mm/s, 전신 접근 가능 레이아웃이면 2000 mm/s 적용이 일반적이다.
- C 값 적용: 라이트커튼 해상도 d가 14 mm 이하이면 C=0, 14<d≤40 mm이면 C=8(d−14) 적용이 일반적이다. 에어리어 스캐너 및 다중빔은 전신 접근 기준으로 별도 보정 없이 S=K×T를 우선 적용하고, 바닥 틈새·리치오버를 방지하기 위한 추가 방책을 병행한다.
4.1 계산 예시 1: 라이트커튼(해상도 14 mm), 상지 접근
조건: - 해상도 d = 14 mm → C = 0 - K = 1600 mm/s - 센서 응답 0.01 s, 안전릴레이 0.02 s, 프레스 브레이크 0.08 s → T = 0.11 s
계산:
S = 1600 × 0.11 + 0 = 176 mm
판정:
검출선은 위험점으로부터 최소 176 mm 이상 이격 설치한다.
4.2 계산 예시 2: 라이트커튼(해상도 30 mm), 상지 접근
조건: - d = 30 mm → C = 8(30 − 14) = 128 mm - K = 1600 mm/s - T = 0.12 s
계산:
S = 1600 × 0.12 + 128 = 320 + 128 = 448 mm
판정:
검출선은 위험점으로부터 최소 448 mm 이상 이격 설치한다.
4.3 계산 예시 3: 에어리어 스캐너, 전신 접근
조건: - K = 2000 mm/s - T = 0.20 s - C = 0(전신 기준)
계산:
S = 2000 × 0.20 = 400 mm
판정:
보호영역 경계는 위험점과 최소 400 mm 이상 거리 확보가 필요하다.
주의 : 정지시간 T는 계측으로 주기적으로 갱신해야 한다. 스프링·브레이크 마모, 윤활상태, 하중 변화에 따라 T가 증가할 수 있다. T가 증가하면 S도 즉시 재산정해야 한다.
5. 라이트커튼 선정 기준
5.1 해상도와 빔 간격
- 손가락 침입 방지가 필요하면 d=14 mm를 우선 검토한다.
- 부품 투입·배출이 잦고 손바닥 수준 검출이면 d=30 mm를 검토한다.
- 해상도 증가(d 증가)는 C 보정 증가로 S가 커진다. 생산성·공간 제약을 함께 고려한다.
5.2 보호고와 보호폭
- 보호고는 금형 높이 및 작업 자세를 고려하여 상단 리치오버가 불가능하도록 결정한다. 일반적으로 600~900 mm 범위를 사용한다.
- 보호폭은 투입구 전체를 완전히 커버해야 하며, 미러 사용 시 굴절 경로의 사각을 제거한다.
5.3 기능 옵션
- 재시동 인터록: 차단 후 자동재시동 금지. 의도적 승인 입력 후 재가동한다.
- EDM(외부장치 모니터링): 주접점 용접·오접점 감지로 채널 고착 위험을 배제한다.
- 블랭킹/플로팅: 고정 장애물 또는 흔들림 허용을 위한 지정 빔 무시 기능이다. 허용 시에도 우회 가능성 평가가 필수이다.
- 뮤팅: 팔레트 통과 등 의도적 무력화 기능이다. 시간·순서·센서 이중화 조건을 모두 충족해야 하며 프레스 수동 투입 공정에서는 사용을 피한다.
6. 에어리어 스캐너 설계 포인트
- 보호영역은 접근 경로를 모두 포함하도록 다각형으로 설정한다.
- 지면 반사·경사 바닥에서의 검출 저하를 고려하여 스캔 평면 높이를 200~300 mm와 700~800 mm 이중 레이어로 구성하면 하부 크리프 우회를 억제할 수 있다.
- 동적 뮤팅을 사용할 경우, 자재와 인체의 분리 논리를 신뢰성 높은 다중 센싱으로 구성한다.
7. 설치 레이아웃 사례
7.1 수직 가드(정면 설치)
가장 일반적 구성으로, 프레스 전면 투입구에 라이트커튼을 평행 배치한다. S를 만족하도록 금형 전면에서 이격하며, 측면은 고정 울로 막거나 미러로 꺾어 L자 보호선을 만든다.
7.2 수평 가드(바닥 레벨)
손이 아닌 하부 접근을 차단하기 위해 바닥 수평 방향으로 배치한다. 크리프 통과 방지용 풋가드(200 mm 이하 틈새 금지)를 함께 설치한다.
7.3 미러 확장(U·L자)
코너 미러를 사용하여 라이트커튼의 보호면을 굴절시켜 측면 접근을 동시에 차단한다. 미러 반사 손실에 따른 최대 거리 감소를 감안하여 제품 스펙 내에서 허용 범위를 확인한다.
주의 : 라이트커튼 면과 위험점 사이 장애물이 존재하면 유효 S 계산이 무의미해진다. 항상 직선 가시성을 확보하고, 보호면 아래·옆의 틈새는 120 mm 이하로 제한하거나 고정가드를 추가한다.
8. 안전회로 설계와 성능수준(PL)
- 이중 채널 입력 + 교차 단락 감시 + EDM을 통해 Category 3 또는 4 구조로 설계한다.
- 세이프티 릴레이 또는 세이프티 PLC를 사용하여 PL d 또는 PL e를 달성한다.
- 출력은 안전 컨택터/브레이크 밸브에 이중 차단 경로로 연결한다.
- 비상정지(E-Stop)는 광전자식과 독립 경로로 설계하되 위험운동 정지 범주는 동일한 Stop Category로 맞춘다.
9. 프레스 공정 특화 고려사항
- 인칭·조정 모드: 다이 세팅 시 속도·스트로크 제한과 3-포지션 enabling 스위치를 병행한다.
- 양수조작과의 인터록: 자동·수동 모드 전환에 따라 광전자식 활성화 상태를 로직으로 관리한다.
- 브레이크 감시(SPM): 스트로크마다 정지 성능을 모니터링하여 허용값 이탈 시 강제 정지한다.
10. 일상 점검·정기검사 체크리스트
| 항목 | 점검 방법 | 기준 | 주기 |
|---|---|---|---|
| 광축 차광 테스트 | 테스트 바(지름=해상도±2 mm)로 전구간 차단 | 즉시 정지, 오차 없음 | 매 교대 |
| 재시동 인터록 | 차단→복구 후 자동 기동 여부 확인 | 자동 재시동 금지 | 매일 |
| EDM 동작 | 주접점 강제 개방 시 오류 검출 확인 | Fault 검출·기동 금지 | 월 1회 |
| 정지시간(T) 측정 | 측정기 또는 SPM 값 기록 | 기준 초과 시 즉시 S 재산정 | 분기 1회 |
| 거울·렌즈 오염 | 시각 점검·청소 | 얼룩·분진 무 | 매주 |
| 케이블·브래킷 손상 | 풀림·변형 확인 | 손상 없음 | 매월 |
11. 흔한 실패 모드와 대책
| 실패 모드 | 원인 | 대책 |
|---|---|---|
| 하부 크리프 통과 | 바닥 틈새 과대 | 풋가드·하부 빔 추가, 틈새 120 mm 이하 |
| 리치오버 우회 | 보호고 부족 | 보호고 상향, 상단 고정가드 병행 |
| 반사로 인한 비감지 | 거울·광택물 반사 | 미러 각도 재설정, 난반사 차단판 부착 |
| 브레이크 지연 | 마모·윤활 불량 | 정지시간 재측정, 부품 교환 |
| 뮤팅 오남용 | 로직 단순화 | 시간·순서·다중센서 조건 강화, 사용 제한 |
12. 구매 사양서 핵심 항목
- 제품 유형: Type 4 라이트커튼 또는 안전 레이저 스캐너
- 해상도·보호고·최대 보호거리
- 응답시간 및 PL 달성치, 안전출력 유형(OSSds 등)
- EDM, 재시동 인터록, 블랭킹/뮤팅 옵션
- 방진·방수 등급, 주변광 내성, 작동 온도
- 미러 사용 시 감쇠 손실과 최대 허용 경로 길이
- 케이블 커넥터 방향, 브래킷·가드 치수와 간섭
13. 현장 적용 절차(체크리스트)
- 공정 위험성 평가 수행: 접근 경로, 신체부위, 빈도·중대도 분석한다.
- 정지시간 T 계측: 스트로크·하중 조건별로 측정한다.
- K, C 선택: 접근 유형과 해상도에 따라 결정한다.
- S 계산 및 레이아웃 설계: 수직·수평·미러 구성을 비교한다.
- 안전회로 설계: 이중 채널, EDM, 재시동 인터록 구현한다.
- 검증: 테스트 바, 기능시험, SPM 로그 확인한다.
- 작업자 교육: 안전 기능 우회 금지, 이상 시 보고 체계를 교육한다.
- 주기 점검: 오염·정렬·정지시간 변화를 모니터링한다.
14. 계산 자동화 예시(현장 메모용)
# 라이트커튼 안전거리 간이 계산 예시 # 입력: K(mm/s), T(s), d(mm) def safety_distance(K, T, d): if d <= 14: C = 0 elif d <= 40: C = 8 * (d - 14) else: # 40 mm 초과는 손·상지 보호 목적에 부적합. 전신 기준 재평가 권고 C = 8 * (40 - 14) return K * T + C
예시: K=1600, T=0.11, d=14 → 176 mm
print(safety_distance(1600, 0.11, 14))
15. 교육 포인트 요약
- 광전자식 차단 후 기계는 자동 재기동하지 않는다.
- 감지선 앞 물체 적치 금지, 미러 표면 접촉·오염 금지이다.
- 정지시간 변경이 의심되면 즉시 재측정하고 안전거리를 갱신한다.
- 블랭킹·뮤팅은 승인된 조건에서만 사용한다.
FAQ
라이트커튼 해상도 14 mm와 30 mm 중 무엇을 선택해야 하나?
손가락 침입 가능성이 존재하면 14 mm를 기본으로 한다. 30 mm는 부품 투입 시 간섭 감소 장점이 있으나 C 보정 증가로 안전거리가 길어진다. 공간 제약이 클수록 14 mm가 유리하다.
에어리어 스캐너를 프레스 전면에 단독 적용해도 되는가?
전신 접근 통제가 목적이면 가능하다. 다만 손·상지 접근이 문제인 수동 투입 공정에는 라이트커튼이 더 적합하다. 스캐너 단독 사용 시 하부 크리프, 반사 등 우회 리스크를 구조적으로 차단해야 한다.
정지시간을 어떻게 관리하나?
정기 계측과 SPM 로그로 관리한다. 마모·윤활 변화로 T가 증가하면 즉시 S를 재계산하고 설치 위치·속도·제어로직을 수정한다.
뮤팅과 블랭킹의 차이는 무엇인가?
뮤팅은 물체 통과를 위해 일정 조건에서 안전기능을 일시 무력화하는 기능이고, 블랭킹은 특정 빔을 상시 무효화해 고정 장애물을 허용하는 기능이다. 두 기능 모두 우회 가능성 평가와 PL 유지 검증이 필요하다.
Type 2 제품을 써도 되는가?
프레스와 같은 고위험 기계에는 Type 4 사용이 일반적이다. 위험도·법규·내부 기준에 따라 PL 달성 여부를 근거로 판단한다.