광전 센서 종류 — 투과형·반사형·회귀반사형 선정

광전 센서를 고를 때 가장 헷갈리는 건 투과형과 반사형 둘 중 어떤 것을 선택하느냐 일 것입니다.
어떤 상황에 뭘 써야 할지 감이 안 잡혀서 그냥 기존 모델을 그대로 쓰면서도 왜, 어떤 경우에 해당 모델을 써야 하는지는 잘 모르는 경우가 많습니다.
오늘은 투과형·반사형·회귀반사형·색상 감지 네 가지의 원리와 장단점, 검출 거리와 설치 조건별 선정 기준, 자주 나오는 오작동 원인과 대책을 정리해보겠습니다.
NPN/PNP 출력 차이도 함께 확인해보겠습니다.

광전 센서란? — 빛으로 물체를 감지하는 원리

광전 센서(Photoelectric Sensor)는 발광부에서 쏜 빛이 물체에 막히거나 반사되는 변화를 수광부가 읽어 물체의 유무·위치를 감지하는 센서입니다.
금속만 잡는 근접 센서와 달리 유리·플라스틱·투명 필름까지 감지할 수 있고, 검출 거리도 수 cm에서 수십 m까지 훨씬 깁니다. 컨베이어의 제품 카운트, 투명 병 감지, 라벨 마크 검출 등 자동화 라인 어디에나 들어가죠.

동작은 단순합니다. 발광부가 적색·적외선 LED로 빛을 보내고, 수광부가 그 빛의 양을 전기 신호로 바꿔 기준값과 비교합니다.
이때 빛을 어떤 경로로 주고받느냐 — 마주 보게 할지, 반사판을 쓸지, 물체에 직접 반사시킬지 — 에 따라 종류가 갈리고, 그 선택이 신뢰성과 설치 난이도를 좌우합니다.
아래에서 종류별로 비교해보겠습니다.

광전 센서 종류 4가지 비교

광전 센서(Photoelectric Sensor)는 빛을 이용해 물체의 유무, 위치, 색상을 감지하는 센서입니다.
근접 센서와 달리 금속이 아닌 유리, 플라스틱, 투명 필름도 감지할 수 있고, 검출 거리도 수 미터에서 수십 미터까지 훨씬 깁니다. 빛의 경로와 수광 방식에 따라 4가지로 나뉩니다.
각 방식의 특성을 먼저 비교한 뒤 구체적인 선정 기준을 살펴봅니다.

투과형 광전 센서 — 장거리·고신뢰성

투과형 광전 센서는 투광기(Emitter)와 수광기(Receiver)가 서로 마주보도록 설치합니다.
물체가 투광기와 수광기 사이의 광축을 가로막으면 수광기의 수광량이 줄어 감지 신호가 출력됩니다.

배선이 2곳 필요하다는 번거로움이 있지만, 광원을 직접 수광하기 때문에 반사형에 비해 신호 강도가 훨씬 강합니다. 먼지·연기가 많은 환경, 검출 거리가 긴 컨베이어 라인, 반사율이 낮은 검정색 물체 감지에 가장 신뢰성이 높습니다.

투과형 센서 설치 조건

투과형 센서를 설치할 때 광축 맞춤이 가장 중요합니다.

① 투광기를 먼저 브라켓에 고정합니다.
② 수광기를 투광기와 마주보는 위치에 임시 고정합니다.
③ 전원을 인가한 뒤 수광기의 수광량 지시계(녹색 LED)를 보면서 수광기를 좌우·상하로 조금씩 움직여 LED가 가장 밝은 위치를 찾습니다.
④ 최적 위치에서 수광기를 완전히 고정합니다.
투광기와 수광기의 광축 편차는 ±3° 이내가 목표다. 거리가 멀어질수록 약간의 각도 편차도 수광량에 큰 영향을 줍니다.
진동이 심한 설비에서는 투광기와 수광기 모두 방진 브라켓으로 견고하게 고정합니다. 진동으로 광축이 조금씩 틀어지면 간헐적 오작동이 발생합니다.

센서를 고를 때 카탈로그상 최대 검출 거리를 그대로 믿지는 않는 게 좋습니다.
먼지·오염·온도 변화로 실제 현장에서는 감도가 떨어지기 마련이라, 실사용 거리는 카탈로그 검출 거리의 70~80% 이내로 잡는 것이 안전합니다.
이를 검출 여유율(Excess Gain)이라고 부르는데, 여유율을 낮게 잡고 빠듯하게 설정하면 계절이 바뀌거나 렌즈가 살짝 오염되는 것만으로도 오작동이 시작됩니다.

반사형·회귀반사형 광전 센서

반사형과 회귀반사형은 투광기와 수광기가 한 몸체(Single Head)에 있어 설치가 간단합니다. 배선도 1곳만 하면 됩니다.

반사형 센서 (Diffuse Reflective)

반사형(확산 반사형) 센서는 물체에서 반사된 빛의 일부를 수광해 감지합니다.
검출 거리가 짧고(10~500mm) 물체 표면의 색상·재질에 따라 감도가 달라진다는 단점이 있습니다.

흰색·밝은 물체는 반사율이 높아 잘 감지하고, 검정·무광 물체는 반사율이 낮아 감도가 떨어집니다. 이런 경우에는 배경 억제형(BGS: Background Suppression) 센서를 사용합니다.
BGS는 삼각 측거 원리로 거리를 측정해 설정 거리 이내의 물체만 감지하므로 배경이 밝은 환경에서도 안정적입니다.

회귀반사형 센서 (Retroreflective)

회귀반사형은 투광기에서 나온 빛이 반사판(Reflector)에서 반사되어 수광기로 돌아옵니다.
물체가 광선을 가로막으면 감지합니다. 투과형보다 설치가 간단하고(반사판만 추가), 반사형보다 거리가 길다(최대 10~15m). 컨베이어 중간, 게이트, 통로 감지에 많이 씁니다.

유리·투명 필름·반짝이는 포장재는 광선을 투과하거나 반사해 반사판과 비슷하게 동작할 수 있어 감지가 안 될 수 있습니다. 이 경우 편광 필터가 적용된 회귀반사형(Polarized Retroreflective)을 사용합니다. 편광은 반사판의 코너큐브 구조를 통해서만 돌아오므로, 일반 표면에서 반사된 빛을 구별해낼 수 있습니다.

색상·마크 감지 센서

색상 센서(Color Sensor)는 RGB 3원색의 반사 스펙트럼을 분석해 물체의 색상이나 인쇄 마크를 판별합니다.
일반 광전 센서로는 색상을 구별하지 못하지만, 색상 센서는 최대 수십 가지 색상을 티칭(Teaching)으로 등록해 일치 여부를 판별합니다. 패키징 라인에서 라벨 색상으로 제품 종류를 구분하거나, 인쇄 마크(레지스터 마크) 감지에 사용합니다.

마크 센서(Mark Sensor)는 색상보다는 명도 차이를 이용합니다.
흰 바탕에 검정 마크, 또는 은박지 위의 마크처럼 명도 대비가 있으면 안정적으로 감지할 수 있습니다. 포장 기계의 필름 마크 동기, 윤전기의 레지스터 제어에 많이 사용합니다.

색상 센서 사용 시 주의사항

색상 센서는 측정 거리와 주변 조명 조건에 민감합니다.
티칭 방법은 간단합니다. 기준 색상의 물체를 센서 앞 설정 거리에 대고 티칭 버튼을 1~3초 누르면 그 스펙트럼이 기준값으로 등록됩니다. 색상이 여러 종류라면 각각 순서대로 티칭합니다.

측정 거리를 일정하게 유지하는 것이 가장 중요합니다.
센서와 물체 사이의 거리가 ±1~2mm만 달라져도 반사 스펙트럼이 바뀌어 오판별이 발생할 수 있습니다. 가능하면 가이드 핀이나 고정 지그를 이용해 물체와 센서 간 거리를 고정합니다.

주변 조명의 색 온도도 영향을 줍니다. 형광등과 LED의 색 온도가 다르고, 낮에는 창문에서 들어오는 자연광까지 더해집니다. 티칭은 실제 운전 조건(조명 켜진 상태, 낮/밤 조건)에서 진행해야 현장에서 안정적으로 동작합니다.

광전 센서 NPN/PNP 출력 배선 — Light-ON/Dark-ON 선택 방법

광전 센서를 처음 교체하거나 배선할 때 NPN과 PNP 중 어느 것인지 헷갈리는 경우가 많습니다. PLC 또는 제어기 입력 사양에 맞춰 반드시 선택해야 합니다.

NPN vs PNP 출력 차이

NPN(Negative, Sinking)은 출력 트랜지스터가 마이너스(-)측에 연결됩니다. 물체 감지 시 출력 단자와 0V(COM) 사이가 도통됩니다. 국내 현장에서는 일반적으로 NPN 방식이 더 많이 쓰입니다.

PNP(Positive, Sourcing)은 출력 트랜지스터가 플러스(+)측에 연결됩니다. 물체 감지 시 출력 단자와 전원(+24V) 사이가 도통됩니다. 유럽계 PLC나 최신 안전 시스템에서 PNP가 표준인 경우가 있습니다.

PLC 입력 카드가 싱킹형(NPN)인지 소싱형(PNP)인지를 먼저 확인하고, 거기에 맞는 센서를 선택합니다.

Light-ON / Dark-ON 설정

Light-ON(L-ON)은 물체가 없어 수광량이 많을 때 출력이 ON됩니다.
투과형에서 광축이 열려 있을 때 신호가 들어옵니다. Dark-ON(D-ON)은 물체가 있어 수광량이 줄었을 때 출력이 ON됩니다. 투과형에서 물체가 광축을 막았을 때 신호가 나옵니다.

대부분의 현장 응용에서는 물체가 있을 때 신호가 ON 되어야 하므로 Dark-ON을 선택합니다.
선택 스위치나 티칭 버튼으로 변경하며, 배선 후 동작 테스트 전에 반드시 확인합니다.

케이블 길이도 함께 확인해야 합니다. 일반 광전 센서는 신호 케이블이 10m를 넘으면 전압 강하나 노이즈로 신호가 불안정해질 수 있습니다. 장거리 배선이 필요하면 앰프 분리형 센서나 중계 박스를 검토합니다.

광전 센서 설치 시 주의사항

광전 센서는 설치 환경에 따라 오작동이 잦습니다. 특히 다음 상황에서 문제가 많이 발생합니다.

표에서 언급한 협각(Narrow Beam) 방식은 투광각을 좁혀 주변광이나 다른 반사체의 간섭이 들어올 수 있는 범위를 최소화한 렌즈 구조를 말합니다.
검출 거리가 충분해도 주변에 반사체가 많은 환경이라면 협각 렌즈를 쓴 모델로 교체하는 것만으로 오작동이 크게 줄어드는 경우가 많습니다.

광전 센서의 케이블은 전원 케이블과 별도 배선해야 합니다. 인버터나 서보 드라이브의 전력 케이블과 같은 덕트에 넣으면 노이즈 유입으로 오출력이 발생합니다. 필요하다면 실드 케이블을 사용하고, 실드는 제어반 측 한쪽만 접지합니다.

주요 제조사(KEYENCE·OMRON·SICK·Banner Engineering·PANASONIC)별 특징이 다르므로, 교체 시 동등 사양 확인이 필요합니다. 키엔스(KEYENCE) 광전 센서 선택 가이드에서 시뮬레이터로 검출 거리와 동작 조건을 미리 확인할 수 있습니다.

자주 묻는 질문 & 트러블슈팅

Q1. 투명한 플라스틱 병을 감지해야 하는데 어떤 센서를 써야 하나요?

투명체 감지에는 방법이 몇 가지 있습니다. 편광 필터가 적용된 회귀반사형은 투명체가 반사판의 편광을 방해하는 정도로 감지하고, BGS(배경 억제형) 반사형은 삼각 측거로 거리를 재기 때문에 투명 여부와 상관없이 설정 거리 안의 물체를 잡아냅니다. 투과형도 굴절 때문에 수광량이 줄어드는 것을 이용해 감지할 수 있습니다. 그래도 가장 안정적인 방법을 꼽자면 투과형 + 수광량 민감도 최대 설정입니다.

Q2. 센서 LED가 켜지는데 PLC 입력 신호가 안 들어옵니다.

NPN/PNP 불일치가 가장 흔한 원인입니다. 센서의 출력 방식(NPN 또는 PNP)과 PLC 입력 카드 방식(싱킹/소싱)이 맞지 않으면 LED는 정상이어도 신호가 전달되지 않습니다. 센서 스펙시트와 PLC 입력 카드 매뉴얼을 확인하고, 필요하면 반대 방식의 센서로 교체하거나 릴레이를 중간에 삽입합니다.

Q3. 동일한 센서인데 주간에는 작동하고 야간에는 안 합니다.

주간에 주변 광(앰비언트 광)이 수광기에 유입되어 수광량이 줄어드는 것이 원인입니다. 이 경우 투과형으로 교체하거나, 차광 커버를 설치하거나, 변조 주파수가 높은 센서(앰비언트 광에 강한 방식)로 변경합니다.

Q4. 반사형 센서가 검정 물체에서만 감지가 안 됩니다.

반사형 센서는 물체 표면의 반사율에 의존합니다. 검정·무광 표면은 반사율이 2~5% 수준으로 매우 낮습니다. 감도를 최대로 올려도 해결이 안 되면 투과형으로 교체하는 것이 확실합니다. BGS(배경 억제형)도 일부 개선 가능하지만, 검정 물체에 대한 근본 해결은 투과형이 가장 좋습니다.

Q5. 광전 센서 케이블이 자꾸 단선됩니다.

케이블이 반복 굴곡되는 위치에 설치된 경우 일반 케이블은 금방 단선됩니다. 가동부나 로봇 아암에 설치하는 경우 유연 케이블(Flex Cable, 고굴곡 사양)로 교체합니다. 케이블 보호를 위해 케이블 캐리어(Cable Chain)를 사용하고, 최소 굴곡 반경(케이블 외경의 6~10배 이상, 예: 외경 4mm → 최소 굴곡 반경 24~40mm) 이상을 확보합니다.

Q6. 광전 센서 오작동이 간헐적으로 발생합니다. 어디서부터 확인해야 하나요?

간헐적 오작동은 원인을 크게 세 갈래로 나눠 확인합니다. 렌즈 오염이 의심되면 에어 블로우로 닦은 뒤 개선되는지 보고, 낮 시간대에만 문제가 생긴다면 주변 광 간섭을 의심해 차광 커버를 답니다. 설비 가동 중에 센서 수광량 지시계가 흔들린다면 진동으로 광축이 어긋난 것이니 방진 브라켓을 추가합니다. 오작동이 발생한 시간대와 주변 환경 변화(날씨·온도·조명)를 함께 기록해두면 원인을 훨씬 빠르게 좁힐 수 있습니다.

Q7. 응답속도(Response Time)는 어떤 기준으로 선정하나요?

컨베이어 속도가 빠르거나 소형 부품을 감지할 때는 응답속도가 중요합니다. 일반 광전 센서는 응답속도가 1~3ms 수준이고, 고속 검출용 모델은 0.1~0.5ms까지 나옵니다. 물체 통과 시간이 센서 응답속도보다 짧으면 감지를 놓치므로, 최소 통과 시간을 계산해 응답속도가 그 절반 이하인 모델을 선택합니다. 예를 들어 초속 1m로 이동하는 5mm 폭 부품이라면 통과 시간은 5ms이므로, 응답속도 2.5ms 이하 센서를 골라야 안정적으로 감지됩니다.

본 글은 일반적인 기술 정보 제공을 목적으로 작성되었으며, 실제 설계 및 시공 시에는 반드시 자격을 갖춘 전문가와 상담하시기 바랍니다. 현장 조건과 법규에 따라 적용 방법이 달라질 수 있습니다.