Sigma 45mm f/2.8 렌즈 수리 및 분석

[05.12.24]

저에게는 카메라 장비 수집 문제가 있으며, 개인적인 12단계 계획의 일환으로 작동하는 렌즈의 구매를 제한하고 있습니다. 이는 비논리적으로 들리며 솔직히 그렇지만, 대폭 할인된 렌즈를 참는 것은 저에게 매우 어렵습니다. 제 자리를 지키기 위해, 저는 중고 판매 시세의 1/4 미만이면서 기계적 손상이 거의 없거나 전혀 없는 렌즈에만 입찰하는 경향이 있습니다. 이번 경우, 저는 주로 알루미늄 구조를 특징으로 하는 최근 생산된 Sigma I-series 렌즈들을 눈여겨보고 있었습니다. 고장 난 45mm f/2.8 렌즈가 지난 1월 eBay에 아주 저렴한 가격으로 올라왔고, 저는 도저히 참을 수 없었습니다.

해당 경매는 고장 난 현대식 카메라 장비 재고를 정기적으로 보유하고 있는 eBay 판매자가 등록한 것이었는데, 이는 수리 관점에서는 매우 좋습니다. 가끔 판매자가 장비를 분해하여 부품으로 판매하기도 하여, 판매 목록에 있는 품목의 내부 상태에 대해 약간 불안할 때도 있지만, 저는 운에 맡기고 구매했습니다.

도착

렌즈는 포장이 잘 되어 도착했으며, 초기 검사 결과 기계적 결함은 전혀 없었습니다. 경동(barrel)이나 렌즈 엘리먼트(lens elements)에 긁힘이 전혀 없었습니다. 외부 렌즈 엘리먼트를 제대로 검사하기 위해, 저는 오일이 없는 에어 컴프레서(oil free air compressor)를 사용하여 렌즈의 모든 이물질을 철저히 불어내고, Kimwipe와 렌즈 세정액을 사용하여 전면 및 후면 엘리먼트를 제대로 닦아냅니다. 약국에서 파는 안경 세정제는 대부분의 외부 렌즈에 적절합니다. 이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol)도 좋은 대안이지만, 플라스틱 렌즈에는 사용하지 마십시오.

이게 고장 났다고???

[IMG:1]

렌즈를 Lumix S5에 장착했는데, 너무 과한 힘을 가한 것인지 '딸깍' 소리가 나며 고정되었습니다. 카메라는 정상적으로 부팅되었고 라이브 이미지 (live image)도 표시되었지만, 전자 제어 기능이 전혀 작동하지 않았습니다. 렌즈의 다이얼이나 스위치 중 그 어떤 것도 사용자 입력에 반응하지 않았습니다. 카메라의 제어 다이얼 또한 움직임을 인식하지 못했습니다. 분명히 렌즈에 전기적인 문제가 발생한 것이었습니다. 제어 PCB (control PCB)는 보통 렌즈 후면의 후면 렌즈 접점 블록 (rear lens contact block) 근처에서 발견됩니다. 또한, 매우 뻑뻑했던 렌즈 마운트 (lens mount)를 조사해 보기에도 좋은 시점이었습니다.

도구 (Tools)

이 수리의 진입 장벽은 낮습니다. 이 도구들 대부분은 현재 상당히 표준적이고 일반적입니다. 렌즈를 제외한 가장 큰 비용은 여과된 공기 (filtered air)이지만, 압축 공기 더스터 (compressed air duster)로도 충분할 수 있습니다. 참고: 카메라 산업의 설계 인력 대부분이 일본에 집중되어 있기 때문에, JIS 나사가 표준입니다. Phillips (십자) 드라이버를 사용해도 작동은 하지만, JIS 나사의 머리를 더 빨리 마모시키는 경향이 있습니다. 제가 즐겨 사용하는 도구들은 다음과 같습니다:

• Kimwipes / 보풀이 없는 렌즈 클리닝 와이프 (lint-free lens cleaning wipes)
• 스프레이 이소프로필 알코올 (Isopropyl Alcohol, IPA)
• 안경 세정제 (Eye glass cleaner)
• 마이크로파이버 천 (Microfiber cloth)
• 니트릴 장갑 (Nitrile gloves)
• 고도로 여과된 작업용 공기 / 오일 프리 컴프레서 (Highly filtered shop air / oil free compressor)
• 테이프 (Tape)
• 샤피 (Sharpie)
• 메스 (Scalpel)
• 플라스틱 스퍼저 (Plastic Spudger)
• 확대경 / 광학 기구 (Magnifier / optic)
• JIS x 2.5mm / Philips #00 드라이버
• JIS x 3.0mm / Philips #0 드라이버

분해 (Disassembly)

분해를 위해, 조리개 표시 (aperture mark)가 나를 향하고 테이블 앞쪽 가장자리에 오도록 렌즈의 방향을 잡습니다. 후면 렌즈 요소 (rear element) 주변의 후면 플라스틱 스페이서 (beauty spacer)를 (3)개의 검은색 기계 나사와 함께 먼저 제거합니다. 이어서, 플라스틱 렌즈 블록 터미널 인터페이스 (plastic lens block terminal interface)의 측면을 금속 렌즈 마운트 (metal lens mount)에 고정하는 두 개의 니켈 도금 나사를 제거합니다. 나사들은 렌즈의 방향과 일치하도록 양면 테이프 위에 배치합니다. 이렇게 하면 향후 재조립이 훨씬 수월해집니다.

다음 작업 순서는 렌즈 마운트 바요넷 (bayonet)과 심 (shims)입니다. 이 심들의 방향과 순서가 중요하므로 별도의 테이프를 사용하여 관리해야 합니다. 이 렌즈는 카메라 바디에 장착할 때 문제가 있었기 때문에, 심, 바요넷 마운트 뒷면, 그리고 렌즈 본체에 결함이나 표면 오염이 있는지 철저히 검사했습니다. 모든 표면을 IPA (이소프로필 알코올)로 세척한 후 다음 단계로 넘어갔습니다. 주의: 렌즈 접점 블록 연성 회로 기판 (flex cable)을 다룰 때는 각별히 주의하십시오.

분해의 이 단계에서는 렌즈 접점 블록을 제어 PCB (control PCB)에서 자유롭게 분리할 수 있습니다. L-마운트 (L-mount)용 접점 블록은 유연한 폴리이미드 (polyimide) 케이블을 통해 제어 PCB와 연결되는 10개의 터미널을 갖추고 있습니다. 이 연성 회로 기판 (flex cable)은 특히 조심스럽게 다루지 않으면 쉽게 찢어지는 경향이 있습니다. 분해를 계속 진행하기 전에 멀티미터 (multimeter)를 사용하여 각 트레이스 (trace)의 도통 상태를 확인하십시오. 연성 회로 기판에 눈에 보이는 찢어짐이 있다면, 다른 문제를 진단하기 전에 그것부터 먼저 수리해야 합니다. 여기 직접 연성 회로 기판을 만드는 방법에 대한 다른 가이드가 있습니다. 연성 회로 기판을 측정한 결과 결함이 없는 것으로 나타나 분해를 계속 진행했습니다.

다음은 렌즈의 후면 CNC 가공 알루미늄 쉘 (shell)입니다. 두 개의 접지 스트랩 (grounding straps)이 니켈 도금 머신 나사를 사용하여 후면 쉘에 고정되어 있습니다. 스트랩은 시계 방향으로 2시와 7시 위치를 중심으로 배치되어 있습니다. 푸시인 스위치 연성 커넥터 (push-in switch flex connector)는 11시 방향에 위치하며 핀셋을 사용하여 흔들어서 빼낼 수 있습니다. 쉘을 중앙 플라스틱 렌즈 모듈과 결합하는 4개의 검은색 산화 처리 태핑 나사 (self tapping screws)가 있습니다. 이제 후면 쉘을 안전하게 들어 올려 조리개 표시가 테이블 가장자리를 향하도록 옆에 놓아둘 수 있습니다.

이제 제어 PCB와 나머지 연성 회로 기판들에 쉽게 접근할 수 있습니다. 세 개의 검은색 태핑 나사가 각각 2시, 7시, 10시 위치에서 PCB를 플라스틱 렌즈 모듈에 결합하고 있습니다. 연성 회로 기판을 흔들어 느슨하게 만든 후, 제어 PCB를 렌즈 본체에서 분리하여 더 면밀히 조사할 수 있습니다.

PCB 분석

C자형 PCB는 제가 분석해 온 수십 개의 다른 렌즈 제어 PCB들과 매우 유사해 보입니다. 여기에는 메인 마이크로컨트롤러 (microcontroller), DC-DC 컨트롤러 (DC-DC controller), 모터 컨트롤러 (motor controller), 수정 발진기 (crystal oscillator), 그리고 다수의 수동 소자 (passives)가 탑재되어 있습니다.

뒷면은 FPC (Flexible Printed Circuit, 연성 회로 기판) 커넥터, 테스트 포인트 (test points), 그리고 메인 마이크로컨트롤러 바로 아래에 위치한 8핀 SPI 플래시 패키지 (SPI flash package)로 채워져 있습니다.

결함을 찾기 위해 미지의 PCB를 검사하는 것은 상당히 위협적으로 느껴질 수 있지만, 저는 입력 전원 라인을 추적하는 것부터 시작하는 것이 가장 쉽다고 생각합니다. 이 보드는 어디로부터 전원을 공급받아야 합니까? PCB 상에서 V+와 Gnd 트레이스 (traces)가 처음 시작되는 곳은 어디입니까? 보드에서 전원을 처음으로 받는 첫 번째 부품은 무엇입니까? PCB는 레이어 (layers)와 점프된 트레이스 (jumped traces)가 뒤섞인 매우 복잡한 덩어리일 수 있으므로, 간단한 PCB 전원 동작 순서를 유지하기 위해 연습장에 단순화된 회로도 (schematic) 노트를 자유롭게 적어두는 것이 좋습니다.

시작하려면 렌즈 터미널 블록 (terminal block)으로부터 입력 전원을 추적하십시오. 더 두꺼운 연성 PCB 트레이스 (flex PCB traces)는 확실히 V+와 Gnd입니다. PCB 상의 해당 트레이스들을 따라가며 멀티미터 (multimeter)의 도통 테스트 (continuity mode) 모드를 사용하여 PCB의 전원 트레이스가 어디로 이어지는지 확인하십시오. 이 경우, 입력 전원을 추적하는 것이 까다로운데, 그 이유는 연성 케이블 (flex cable)과 관련된 커다란 트레이스들이 FPC 커넥터 아래에 숨겨져 있으며, 비아 (vias)를 통해 PCB를 통과하여 반대편으로 넘어가기 때문입니다. 그 후 전원 트레이스는 소형 전자 제품의 필수 요소인 작은 정사각형 모양의 검은색 칩, 즉 DC-DC 컨버터 (DC-DC converter)로 공급됩니다.

DC-DC 컨트롤러의 결정적인 징후는 전원 컨트롤러의 크기를 압도할 정도로 적당히 두툼한 황갈색, 베이지색 또는 검은색 블록이 인접하게 배치되어 있다는 점입니다. 아래 사진은 원으로 표시된 "2R2" 또는 2.2 uH (micro Henry) 인덕터 (inductor)를 나타냅니다. 이러한 근접 인덕터 배치 방식은 방사 방출 (radiated emissions) 및 노이즈 (noise)를 줄이기 위해 반도체 제조사들이 보편적으로 권장하는 방식입니다.

이 경우, "PA71 TI 18i"라고 표시된 16-VQFN 패키지의 TI TPS62140RGTR Buck converter (벅 컨버터)가 이 시그마 (sigma) 렌즈 PCB에 사용되었습니다. 레이아웃 엔지니어는 TI 데이터시트 (datasheet)의 권장 사항을 준수하여 매우 유사한 레이아웃을 구현했으나, 상황을 더 흥미롭게 만들기 위해 몇 가지 부품을 추가했습니다. 레이아웃 권장 사항을 살펴보면, "C1"은 Vin을 Gnd에 연결하며 DC-DC 컨버터의 주요 입력 필터 커패시터 (input filter capacitor) 역할을 합니다. 탐구심이 강한 사람이라면 입력 전압 레일(input voltage rail) 상의 C1 인접한 곳에 "N"이라고 표시된 미지의 패키지가 DC-DC를 손상으로부터 보호하기 위한 퓨즈 (fuse)임을 쉽게 알아낼 수 있을 것입니다. 멀티미터 (multimeter)로 빠르게 확인한 결과 퓨즈가 단선(open)되어 있었으며, 이는 퓨즈가 대신 희생하여 DC-DC의 파괴를 막았음을 의미합니다.

"N"이라고 표시된 퓨즈를 온라인에서 검색했을 때 유망한 검색 결과는 많지 않았지만, AliExpress에서 2A 정격의 SMT 퓨즈를 제안하는 결과가 나왔습니다. TI TPS62140RGTR 데이터시트에는 2A 출력 전류가 명시되어 있으며, 동작 정지 전류 (quiescent current)가 존재하긴 하지만 2A가 적절한 값일 가능성이 높습니다. Lumix 카메라 라인업 전반에 사용되는 Panasonic Semi SMT 퓨즈에 익숙했기에, 저는 2A 32V 속단형 (fast blow) 퓨즈인 부품 번호 ERB-RE2R00V를 구했습니다. Lumix GH3, GH4 및 GH5 카메라는 32V 2.5A 및 1.5A 퓨즈를 혼용하여 사용하므로, 제가 적절한 범위 내에 있다는 것을 알 수 있었습니다. 저는 카메라 전자 기기에서 임의의 단일 문자로 표기된, 저항처럼 보이는 2단자 패키지들이 SMT 퓨즈인 경향이 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 부품들은 때때로 물결 모양의 단자 (scalloped terminals)를 가지고 있습니다.

사용된 퓨즈(fuse)는 0603 크기로 구현되어, 더 저렴하고 정밀한 장비로도 수리가 가능합니다. 0402 또는 심지어 0201 크기의 퓨즈도 매우 흔하게 존재합니다. 레이아웃 엔지니어(layout engineer)는 수리 도구로 접근하기 쉽도록 퓨즈 옆에 공간을 남겨두기도 했습니다. 퓨즈가 PCB의 좁은 구석이나 밀집된 구역에 배치되어, 고장 난 부품에 접근하기 위해 주변 부품을 먼저 디솔더링(desoldering)해야 하는 경우가 많았습니다. 한 예로, SD 카드 슬롯과 돌출된 배터리 커넥터 사이에 배터리 입력 퓨즈가 끼어 있는 Lumix GH3 / GH4 메인보드가 있습니다. SMT 핀셋(tweezers)을 사용하면 이 수리는 매우 쉬워지지만, 급한 경우에는 두 개의 인하인(soldering iron)을 사용하는 것도 방법입니다. 고장 난 퓨즈를 디솔더링하고, 패드(pads)를 세척한 뒤, 새 퓨즈를 배치하고, 퓨즈를 누른 상태에서 단자를 하나씩 납땜합니다.

퓨즈 조사 (Fuse Investigation)

퓨즈가 왜 고장 났는지에 대해서는 특정 고장 지점을 발견하지 못했습니다. 다만 몇 가지 결론을 도출할 수는 있는데, 예를 들어 누군가가 렌즈를 AFC (Auto Focus Continuous, 연속 자동 초점) 모드로 두고 카메라가 몇 시간 또는 며칠 동안 계속 초점을 잡으려고 시도하게 만드는 특정 에지 케이스(edge cases) 같은 경우입니다. 렌즈가 24시간 내내 포커스 랙킹(racking focus)을 위해 사용되도록 설계되지 않았을 가능성이 있으며, 이로 인해 벅 컨버터(buck converter)가 2A 퓨즈가 견딜 수 있는 것보다 더 많은 전류를 끌어당겨 퓨즈가 끊어지게(open) 만들었을 수 있습니다.

TI 데이터시트(datasheet)에 기재된 흥미로운 동작 조건이 고장 지점에 대한 단서를 제공할 수 있습니다. 11페이지에는 다음과 같이 명시되어 있습니다: "장치의 출력 전류는 전류 제한(current limit, 섹션 7.5 참조)에 의해 제한됩니다. 내부 전파 지연(internal propagation delay)으로 인해, 해당 시간 동안 실제 전류는 정적 전류 제한(static current limit)을 초과할 수 있습니다." "ILIMF는 정적 전류 제한입니다. ILIMF = 하이사이드 MOSFET (High-side MOSFET) 순방향 전류 제한. 테스트 조건: VIN = 12 V, TA = 25°C. 최소: 2.45A, 전형: 3A, 최대: 3.5A." 따라서 과전류(over current) 상황에서는 내부 전파 지연으로 인해 실제 소비되는 전류가 아주 짧은 시간 동안 정적 전류 제한을 초과할 수 있습니다. 만약 렌즈 제어 PCB 설계자가 추정했던 대로 2A 속단형(fast-acting) SMT 퓨즈를 구현했다면, DC-DC 컨트롤러는 2A 퓨즈 사양을 벗어나 동작했을 것입니다. 이는 현재 단계에서의 추측일 뿐이지만, 고장 지점 분석(failure point analysis)은 확실히 흥미롭습니다.

수리가 성공했는가?

요약하자면(TLDR) 무엇인가요? 작동하나요? 아주 확실하게 그렇습니다! 이것은 작동 중인 렌즈의 모습입니다. AF-C (연속 자동 초점) 성능이 번개처럼 빠르지는 않지만, 그 정도를 기대하지도 않았습니다! 수동 초점 다이얼은 놀라운 성능을 보여주며, 사용하기 즐겁도록 딱 적당한 수준의 댐핑(dampening)을 갖추고 있습니다. 조리개 링의 느낌은 Lumix LX100의 가까운 친척처럼 느껴지는데, 이는 그야말로 탁월합니다.

추가 문제 해결 (Further Troubleshooting)

만약 퓨즈가 도통(continuous) 상태라면, 다음 점검 대상은 DC-DC 컨버터의 출력 전압(output voltage)이 될 것입니다. 출력 전압이 작동 사양(operational specifications) 범위 내에 있습니까? 메인 마이크로컨트롤러(main microcontroller)의 전력 요구 사항보다 낮거나 초과하고 있습니까? 이 PCB의 메인 마이크로컨트롤러는 "341Fy 551486"으로 표시되어 있지만, 실제로는 Toshiba TMPM341FYXBG입니다. 이것은 풍부한 기능, I/O 주변 장치(I/O peripheral) 지원 및 모터 제어 통신 프로토콜을 갖춘 32비트 Arm M3 마이크로컨트롤러입니다. 마이크로컨트롤러 칩은 제어 PCB(control PCB) 상에서 주요 통신 허브 역할을 합니다. 전용 마이크로컨트롤러는 회로 내의 다른 마이크로컨트롤러 및 주변 장치와 통신하기 위해 정확한 클록 신호(clock signals)를 필요로 합니다. 따라서 PCB에서 전용 수정 발진기(crystal oscillator)를 발견한다면, 그 근처에 마이크로컨트롤러가 있을 가능성이 매우 높습니다!