헬로티 함수미 기자 |

 

 

한국에서 초창기에는 주로 디스플레이 패널의 검사 용도로 사용되던 머신비전 기술은 점점 더 다양한 분야로 그 적용 범위가 확장되어 왔다. 최근 들어 머신비전 시스템은 반도체, 이차전지, PCB, 모바일 기기 등의 제조 공정을 포함한 대부분의 첨단 제조업에서 스마트 팩토리 구축을 비롯한 생산성 혁신 활동을 위해 사용되고 있다. 또한 기존에 단순히 더 작은 크기의 불량을 검사해야 하는 필요에서 벗어나서 근래에는 훨씬 더 다양하고 복잡한 종류와 형태의 불량을 검사하려는 수요가 증가하고 있다.

 

 

이렇게 기술적 수요가 변화 발전함에 따라 머신비전 시스템에서 사용하는 검사 방법도 고객의 다양한 니즈에 맞춰서 발전하게 된다. 이번 원고에서는 비전 검사에 사용할 수 있는 다양한 빛의 특성들을 확인하고 이를 활용하는 사례를 소개하려고 한다. 이와 같은 접근을 통해 단순히 2D, 3D로 구분되어 있는 현재의 머신비전 기술을 좀더 광학 중심적으로 들여다보고 다양한 니즈에 적합한 검사 방법을 찾을 수 있기를 기대해 본다.

 

빛의 특성

 

지금까지 머신 비전에서 주로 사용돼 왔던 검사는 렌즈를 통해 우리가 보고자 하는 불량을 검출하는 형태가 대부분이었다. 이와 같은 검사는 빛의 밝기 차이를 이용한 것으로 빛이 가지고 있는 여러가지 특성 중 일부분만을 이용한 것이다. 실제로 빛은 밝기라는 특성 외에도 아래와 같은 다양한 특성들을 가지고 있다.

 

 

 

이와 같이 다양한 빛의 특성들은 그 하나하나가 모두 특정 목적의 검사에 사용될 수 있다. 이제부터는 이러한 각각의 빛의 특성들이 어떻게 검사에 사용되고 이를 활용한 검사 솔루션들이 어떤 것들이 있는지 확인해 보도록 하겠다.

 

빛의 밝기(Intensity)

 

위의 이미지는 1826년 프랑스의 화학자 Joseph Nicéphore Niepce에 의해 촬영된 최초의 사진이다. 지금의 기준으로 보면 사물도 뚜렷하게 구분되지 않고 음영의 균일도도 좋지 않다. 다만 최초의 사진은 위에서 확인할 수 있다시피 순수하게 밝기 차이만을 이용해서 영상을 얻었다. 이처럼 빛의 밝기는 물체를 표현하는 데에 가장 기본적이고 가장 오래 사용된 특성이다.

 

빛의 밝기를 검사에 이용하기 위해서는 검사하고자 하는 불량에서 반사되는 밝기 차이를 얻어야 한다. 이러한 밝기 차이를 콘트라스트(contrast)라고 한다. 기존의 검사 기술은 대부분 동일한 불량에서 얼마나 더 큰 밝기 차이, 즉 contrast를 얻을 수 있는가에 집중하였다. 이를 위해 빛의 검사 한계인 레일리 조건(Rayleigh Criterion)을 고민하고 이 검사 한계에 근접할 수 있는 광학계를 만들기 위해 노력했다.

 

 

이러한 검사 성능에 만족할 수 있는 렌즈는 높은 NA를 가진 동시에 낮은 수차를 가지고 있어야 하기 때문에 고성능의 high contrast 렌즈들의 개발이 주를 이루게 된다.

 

 

다만 이러한 성능의 렌즈들은 이론값에 근접하는 성능을 구현하기 위해 매우 정밀하게 제작되었기 때문에 매우 높은 수준의 광학 설계와 제조 공차를 갖고 있다. 이런 특성으로 인해 고성능 렌즈들은 가격이 매우 높고 전 세계적으로도 고성능 기준에 부합하는 성능을 갖는 렌즈를 제작할 수 있는 렌즈 가공 업체는 손에 꼽을 수 있을 정도로 제한적이게 된다.

 

빛의 파장 (Wavelength)

 

 

위의 이미지는 푸른색 가죽 표면에 붉은색 펜으로 표시된 선을 흑백과 컬러로 촬영한 이미지다. 물론 흑백 이미지에서도 붉은색 선이 흐릿하게 보이기는 하지만 컬러 이미지에서 붉은색 선이 푸른색 배경과 대비되어 더 잘 보인다.

 

이처럼 빛이 가지고 있는 파장 특징은 기존의 밝기 만을 이용하는 이미지와 비교하여 더 많은 정보를 가지고 있고 특정 샘플에서는 파장의 변화가 밝기 변화보다 더 뚜렷하게 보이는 경우가 있다. 이처럼 빛의 파장을 이용할 경우 더 많은 샘플의 정보를 얻을 수 있으며 검출할 수 있는 빛의 파장이 많으면 많을수록 기존의 밝기 변화만으로는 알 수 없는 다양한 정보들을 확인할 수 있게 된다.

 

 

이 때문에 근래에 들어 물체에 반사 또는 투과된 빛의 파장 변화를 검사에 이용하려는 시도들이 점차 늘어나고 있다. 이와 같이 검출하고자 하는 파장의 개수를 증가시키며 검사하는 방법을 multispectral 또는 hyperspectral imaging이라고 한다. 일반적으로 multi spectral imaging은 검출하는 다수의 파장이 서로 끊어져 discrete한 검사 방법을 말하고 hyperspectral Imaging은 파장이 끊어짐 없이 continuous한 검사 방법을 의미한다.

 

이와 함께 가시광선 영역을 벗어난 파장도 검사에 사용된다. 가시광선보다 짧은 파장을 가진 자외선 UV(Ultra Violet)와 반대로 가시광선보다 파장이 긴 적외선 IR(Intra Red)이 그 예입니다. UV와 IR은 가시광선과 비교하여 다른 특징이 있다.

 

일반적으로 UV는 가시광선으로 볼 수 없는 더 작은 물체를 보거나 UV의 특정 파장에 반응하는 물체를 검사하기 위해 사용된다. 이 때문에 아주 작은 물질을 검사해야 하는 반도체 분야나 UV의 형광 특성을 활용할 수 있는 의학 분야 등에 많이 사용된다.

 

 

이와 반대로 IR은 가시광선보다 긴 파장을 가지고 있어서 높은 투과율을 지니고 있다. 이로 인해 가시광선이 투과하지 못하는 특정한 물질을 투과하여 검사할 때 많이 사용한다. 대표적으로 Wafer와 같은 silicon 물질을 투과하기 위해 IR 파장을 주로 사용한다.