극저온 냉각 시스템의 신뢰성에 대한 이해
Teledyne FLIR는 사용자의 임무 준비의 중요성과 유지보수 없이 장기 운영이 가능한 적외선(IR) 시스템의 중요성을 잘 알고 있습니다. 냉각 방식의 중간 파장 적외선(MWIR) 냉각 카메라 모듈은 엄격한 환경 및 신뢰성 요건을 충족하도록 설계, 테스트 및 제조되어야 합니다. 이러한 요건에는 군사 작전 온도 범위와 높은 충격 및 진동 수준도 포함됩니다. 신뢰성과 작동 수명은 통상적으로 극저온냉각기의 작동과 수명에 의해 결정된다는 점을 인식한 Teledyne FLIR는 견고하고 수명이 긴 선형 극저온냉각기를 개발, 테스트 및 제조하여 크기, 무게 및 전력(SWaP)에 최적화된 MWIR 카메라 모듈과 업계 최고의 작동 수명을 제공합니다. 수명 테스트 및 와이불(Weibull) 분석에 따르면, Teledyne FLIR FL-100 극저온냉각기의 추정 평균고장시간(MTTF)이 프로토타입 도입 시 약 17,000시간에서 목표 수명이 30,000시간 이상인 현재 생산 단위에서 약 27,000시간으로 증가했습니다.
이 백서는 극저온냉각기의 유형과 역사에 대해 기술하고, 그 신뢰성에 대한 몇 가지 일반적인 오해를 설명하며, Teledyne FLIR가 극저온냉각기의 수명 개선을 위해 어떤 노력을 하고 있는지 다룹니다.
적외선 카메라 모듈 및 시스템 소개
Teledyne FLIR는 다양한 IR 영상 시스템을 설계하고 제조합니다. Neutrino® 제품 포트폴리오에는 다양한 고성능 MWIR 카메라 모듈 외에도 MWIR 카메라 모듈과 연속 줌(CZ) 렌즈 어셈블리를 통합한 여러 Neutrino IS 시리즈 모델이 포함되어 있습니다. 이러한 극저온냉각 MWIR 카메라 모듈 또는 시스템은 다양한 모델 구성으로 제공되며, 각각 유사한 구성요소로 제조되지만, 제품별로 크기, 무게, 전력 대비 성능을 최적화하기 위한 차이가 조금씩 있습니다. MWIR 카메라 모듈 및 시스템에는 다음과 같은 구성요소와 기능이 포함되어 있습니다.
- 초점면 배열(FPA): FPA는 검출기에 판독 통합 회로(ROIC)가 결합된 형태로 구성됩니다. 이 검출기는 MWIR 광자를 전류로 변환합니다. ROIC는 전류를 판독하고 검출기의 광자 수에 비례하는 아날로그 전압 또는 디지털 신호를 제공합니다. 현재 InSb 및 대부분의 HgCdTe 검출기는 극저온(예: 77K)에서 가장 잘 작동합니다. 이러한 저온에서는 상당히 높은 냉각 용량이 필요하기 때문에 냉각기 크기가 커지고, 무게가 늘어나며, 전력이 증가합니다. 고온 MWIR 적외선 장벽 검출기(예: T2SL)는 약 120K 작동에서 높은 작동 온도(HOT)로 간주되므로 냉각 용량이 더 적습니다. 이러한 높은 온도는 냉각기 크기가 작고, 무게가 가벼울 뿐만 아니라 전력이 적게 필요하고, 영상 촬영 시간이 단축되며, 냉각기 수명이 늘어난다는 것을 의미합니다.
- 듀어: 듀어는 FPA, 콜드쉴드(f 값를 정의하고 미광을 방지함) 및 콜드필터(검출기에서 광자의 파장을 결정함)를 포함하는 진공 패키지입니다. ROIC와 카메라 전자 장치 간의 전기 신호는 밀폐형 연결 도체(feedthrough)를 통해 전달됩니다. f 값이 빠르면 성능이 향상되지만 광학 장치의 크기도 커집니다.
- 극저온냉각기: 기계적 극저온냉각기는 IR FPA의 냉각 기간을 연장시킵니다. 최근 설계에서는 통합 듀어 냉각기 어셈블리(IDCA)의 일부로 듀어에 직접 통합됩니다. 또한 일반적으로 전용 냉각기 제어 전자 모듈을 통해 카메라 전자 장치와 통합되어 제어됩니다.
- 카메라 전자 장치: 카메라 전자 장치는 아래의 기능을 제공하기 위해 다수의 인쇄회로기판 조립품(PCBA)을 포함할 수 있습니다.
센서 인터페이스 전자 장치에는 FPA의 전력, 클럭 및 타이밍 로직이 포함되며, 필요에 따라 FPA 출력의 디지털화 기능도 포함됩니다.
사용자 인터페이스 전자 장치에는 노이즈 필터링, 이미지 향상, 작동 로직 및 카메라 기능을 위한 신호 처리 기능이 포함되며, 여기에는 사용자 인터페이스를 위한 포괄적인 명령 및 제어 인터페이스와 비디오 출력 표준 등이 있습니다.
냉각기 컨트롤러 전자 장치에는 냉각기의 냉각 기능을 제어하고 전력 및 영상 품질의 최적화를 위해 FPA/듀어 온도를 유지합니다.
광학 컨트롤러 전자 장치는 광기계식 렌즈 어셈블리를 제어하고, 줌의 무열상 초점을 지속적으로 유지하며, 사용자 인터페이스를 지원합니다. - 연속 줌(CZ) 광학 장치: CZ 광학 장치는 최종 영상 솔루션을 위해 통합할 수 있습니다. CZ 광기계식 렌즈 어셈블리에는 광학 어셈블리, 기계식 패키징, 포커스 및 줌 모터, 온도 센서가 포함되어 있습니다.
극저온냉각기의 과거와 현재
스털링 극저온냉각기를 전술적으로 적용하는 경우의 유형은 거의 항상 회전 또는 선형입니다. 회전 냉각기는 크랭크축을 사용하며 여기에 움직이는 피스톤과 변위기가 부착되어 있습니다. 이 배열은 이러한 구성요소의 상대 위상각을 정밀 제어할 수 있게 하지만, 수명과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있는 크랭크축 연결에 횡력을 유발합니다. 이와 대조적으로, 선형 냉각기는 횡력이 최소인 보이스 코일형 액추에이터에 의해 구동되며, 공압 구동 및 튜닝에 의존해 압축기에 비례하도록 변위기의 위상을 제어합니다.
초기 냉각 센서에서는 회전 냉각기가 가장 일반적인 냉각기 유형이었습니다. 정밀한 기계적 위상 제어 메커니즘과 주파수(RPM)에 따라 위상이 변하지 않는다는 사실로 인해 과거에는 회전 냉각기가 선형 냉각기보다 효율이 더 높고 냉각 시간이 더 빨랐습니다. 이러한 냉각기의 단점은 기계적 크랭크축 연결로 인해 발생하는 횡력으로 밀봉부 마모가 증가했기 때문에 통상적으로 수명 기간 내내 지속되었습니다. 그러나, 현대적인 설계는 15,000~30,000시간의 수명을 주장하는 일부 제조업체들과 함께 신뢰성이 크게 향상되었습니다. 회전 냉각기의 또 다른 단점은 일반적으로 균형이 맞지 않는 크랭크 메커니즘의 진동으로 인해 민감한 시스템에 지터가 발생할 수 있으며, 안정화가 필요한 경우 SWaP 요건이 증가하고 신뢰성이 낮아질 수 있다는 점입니다. 많은 회전 냉각기에는 소음 발생 문제도 있습니다.
그림 1. 회전 및 선형 극저온냉각기의 구성도
선형 극저온냉각기는 수명이 상당히 길고 방출 진동이 적기 때문에 신형 시스템에 가장 일반적인 냉각기 유형이 되었습니다. 선형 극저온냉각기 메커니즘은 보통 주어진 냉각 용량에서 조금 더 큰 크기를 구동하며 냉각 시간도 약간 더 깁니다. 선형 냉각기는 근접 공명으로 작동하도록 조정되기 때문에 단일 작동 주파수로 제한됩니다. 입력 전원은 압축기 피스톤의 진폭을 통해 조절될 수 있지만, 냉각 중에는 주파수를 증가시킬 수 없기 때문에 회전 냉각기를 사용하여 도달할 수 있는 것보다 냉각 시간이 더 오래 걸립니다. 최신 선형 냉각기의 수명은 20,000~30,000시간 정도 기대됩니다.
펄스 튜브 냉각기는 콜드핑거의 움직이는 스털링 디스플레이터를 움직이는 부품이 없는 팽창기로 교체한 특수 유형의 선형 스털링 냉각기입니다. 가스 컬럼은 물리적 스털링 변위기를 대체합니다. 이 “가스 피스톤”은 고정 재생기와 위상 이동 메커니즘이 결합되어 진동 압력에 비례하게 질량 흐름을 제어합니다. 이 위상 제어 메커니즘은 표준 선형 스털링 냉각기의 공압 튜닝보다 작동 조건에 더 민감하여 설계 지점에서 떨어진 작동 지점에서는 효율이 낮아집니다. 특히 냉각 시간이 영향을 받으며 일반적으로 유사한 용량의 다른 냉각기보다 상당히 더 깁니다. 펄스 튜브에서 재생기를 분리하면 변위기의 효율을 높일 수 있는데, 그러면 콜드핑거가 더 커집니다. 또한 펄스 튜브는 특히 높은 G 환경에서 방향 감도에 영향을 받이 받습니다. 이러한 단점으로 펄스 튜브 냉각기는 수명 기간의 장점에도 불구하고 대부분 전술적으로는 사용하지 않고 있습니다. 펄스 튜브 냉각기를 비접촉식 굴곡 베어링 압축기와 함께 사용할 경우에는 100,000시간 이상의 수명을 달성할 수 있습니다.
극저온냉각기 신뢰성에 대한 기초 및 오해
그림 2. MTBF, MTTF, 고장률 및 누적 고장 분포 간의 관계
냉각 카메라 모듈과 극저온냉각기의 신뢰성은 종종 평균고장간격(MTBF) 또는 평균고장시간(MTTF)의 측면에서 보고됩니다. 용어가 비슷해 보이지만 몇 가지 중요한 차이점이 있습니다. 일반적으로 MTBF는 수리 가능한 시스템에 적용되는 반면 MTTF는 수리할 수 없는 시스템에 사용됩니다. 더 중요한 것은 두 지표가 다르게 정의되며 서로 직접 비교되지 않는다는 것입니다. 더 혼동되는 경우도 있는데, MTTF는 때때로 평균 고장전 시간(Mean Time Before Failure)의 의미로 줄여서 MTBF라고도 불립니다. 이러한 지표는 일반적인 고장률과 누적 고장 분포 곡선과 함께 그림 2에 나와 있습니다.
MTBF(구간) 지표는 기계적 마모가 적용되지 않는 구성요소(예: 전자 장치)에 적합한 가정인 구성요소의 고장률이 일정하다고 가정합니다. 이는 구성요소의 임의 고장률의 역수와 동일하며, 종종 관심 대상 집단의 경우 (작동 시간)/(고장 횟수)로 정의됩니다. MTBF는 과거에 특히 극저온냉각기가 빠르게 마모되어 자주 교체되었을 때 극저온냉각기 및 냉각 IR 카메라에 자주 사용되었습니다. 더 최신 극저온냉각기의 경우에는 마모 전 고장률이 일반적으로 매우 낮으며 이에 따라 MTBF가 매우 높습니다. 극저온냉각기의 기계적 마모를 고려하지 않고 마모 전의 무작위 고장률에만 초점을 맞추기 때문에 극저온냉각기의 계산된 MTBF는 종종 MTTF 또는 예상 수명을 상당히 초과할 것입니다.
현재, 극저온냉각기 수명 추정치는 MTTF 측면에서 더 자주 제시되며 와이불 통계를 사용하여 계산됩니다. 가장 많이 사용되는 와이불 분포에는 시스템의 마모량을 나타내는 형상 매개변수와 모집단의 63%가 고장나는 지점을 나타내는 수명 매개변수의 두 가지 매개변수가 있습니다. 고장률 대 시간을 보여주는 2개의 매개변수 와이불 분포가 아래에 나와 있습니다.
모집단 내 단위의 50%가 고장날 시간으로 정의되는 MTTF는 통계 분석 소프트웨어를 사용하여 단위 표본으로부터 계산할 수 있습니다. 현재 대다수의 극저온냉각기 제조업체에서 이 방법을 사용하지만, 많은 제조업체가 실제 MTTF(50% 고장)가 아닌 분포 수명 매개변수(63% 고장)를 보고합니다. 이 방법은 기계식 냉각기의 마모를 해결하기 때문에 실제 유효 수명을 보다 정확하게 추정할 수 있습니다. Teledyne FLIR는 수명 테스트 데이터를 와이불 분포에 맞추고 모집단의 MTTF(50% 고장) 지점을 계산하여 당사 제품의 극저온냉각기 수명을 추정합니다.
극저온냉각기 MTTF 정보는 IR 극저온냉각 시스템의 신뢰성을 결정하는 데 도움이 되지만, Teledyne FLIR의 IR 카메라 모듈 및 시스템에는 중요한 경고 신호가 있습니다. 극저온냉각기는 시스템 내에 공장 교체 가능한 구성품으로 설계됩니다. 마모된 극저온냉각기는 공장에서 쉽게 교체할 수 있습니다. 즉, IR 시스템은 필요에 따라 여러 번 사용할 수 있는 것으로 보여야 하며 따라서 적외선 시스템 작동 수명이 연장됩니다.
Teledyne FLIR 극저온냉각기의 신뢰성 개선
운영 준비 상태와 유지보수 필요 없는 장기 운영이 IR 시스템 작동에 매우 중요합니다. Teledyne FLIR는 SWaP를 최적화한 Neutrino® 냉각 MWIR 카메라 모듈의 일환으로 견고하고 수명이 긴 선형 극저온냉각기를 개발했습니다. 그림 3에 나와 있는 FL-100 선형 극저온냉각기는 성능 측면에서 동급 최고일 뿐만 아니라 수명 테스트 및 와이불 분포를 기준으로 추정 작동 수명이 27,000시간(MTTF)을 초과합니다.
FL-100 설계는 2018년 도입된 이래 지속적인 개선 노력을 거쳤습니다
. 여러 차례에 걸쳐 마찰 감소 및 공차 개선이 이루어져 수명과 냉각 용량이 증가했습니다. 주로 마찰 밀봉부의 품질과 움직이는 부품의 정렬에 중점을 둔 공정 혁신은 수명 개선에 큰 기여를 했습니다. FL-100의 신뢰성에 대한 이러한 개선의 영향은 Teledyne FLIR의 극저온냉각기 신뢰성 테스트 프로그램을 통해 정량화되었습니다. 30,000시간 이상의 MTTF를 목표로 하는 추가적인 개선 작업이 검증 단계에 있습니다.
그림 3: Teledyne FLIR FL-100 극저온냉각기
Teledyne FLIR는 신뢰성을 검증하고 개선하는 이중 목적을 위해 지속적인 신뢰성 극저온냉각기 테스트를 수행합니다. 테스트는 미국 육군 표준 고급 듀어 어셈블리(SADA) 수명 테스트 프로필에 따른 산업 표준 테스트와 여러 가속 응력이 포함된 가속 수명 테스트(ALT) 두 가지로 구성됩니다. 수집된 데이터를 통해 가속 테스트 결과를 SADA 등가 수명으로 변환할 수 있습니다. FL-100 테스트 시설에는 SADA 프로필 전용 8개와 ALT 처리용 18개로 구성된 26개의 냉각기가 있습니다. 테스트 스테이션을 사용할 수 있게 되면 새로운 장치를 추가하여 현재 생산 성능을 검증하고 프로세스 및 설계 개선을 평가할 수 있습니다. 이 수명 테스트 프로그램과 와이불 분석에 따르면, FLFL-100 극저온냉각기의 추정 MTTF가 프로토타입 도입 시 약 17,000시간에서 현재 생산 단위에서 약 27,000시간으로 증가했습니다.
그림 4: 신뢰성 테스트 및 와이불 분석에 기반한 Teledyne FLIR FL-100 MTTF의 진화
Teledyne FLIR FL-100 요약
다양한 환경에서 극저온냉각기의 신뢰성은 적용 분야의 입력 전력 요건에 따라 종종 조정됩니다. 이러한 방식으로 표준 환경(예: SADA 프로필)의 예상 수명은 와트시로 정규화하여 고객 사용 사례로 변환할 수 있습니다. 이러한 이유로, 보통 극저온냉각기의 효율이 개선되면 특히 응력 적용 시 더 긴 수명을 갖습니다.
FL-100은 범주를 뛰어넘는 신뢰성 외에도 입력 전원에 효율적인 냉각 용량을 제공하도록 설계되었습니다. 그림 5는 FL-100과 현재 이용 가능한 여러 공급업체의 선형 냉각기 5개에 대한 냉각 성능 곡선을 데이터시트와 출판 논문을 포함한 공개 출처에서 사용된 데이터와 비교한 결과를 보여줍니다. FL-100은 유사한 선형 냉각기에 비해 최소 20% 이상 향상되고 최대 2배 향상된 냉각 용량 입력 전력을 제공합니다.
그림 5: 일반 마이크로 냉각기 대비 FL-100 냉각기의 입력 전원 냉각 용량
선형 극저온냉각기는 수명이 상당히 길고 방출 진동이 적기 때문에 신형 시스템에 가장 일반적인 냉각기 유형이 되었습니다. 최신 선형 냉각기의 경우, 수명이 20,000~30,000시간까지 기대됩니다. Teledyne FLIR FL-100 선형 극저온냉각기는 MTTF가 약 27,000시간이며, 지속적인 제품 개선으로 MTTF가 30,000시간을 넘을 것으로 예상됩니다. 또한 최근에 출시된 SWaP 최적화 640 x 512 해상도 Neutrino LC와 1280 x 1024 해상도 Neutrino SX8 냉각 MWIR 카메라 모듈뿐만 아니라 다양한 CZ 렌즈 어셈블리를 갖춘 Neutrino IS 시리즈의 VGA 및 SXGA MWIR 카메라 모듈에도 통합됩니다. FL-100은 신뢰할 수 있고 교체 가능한 부품으로 Neutrino 포트폴리오의 수명을 연장킵니다.
자세한 내용은 www.flir.com/neutrino를 참조하십시오.
