머신비전 시스템의 다양한 활용 분야

국방·항공우주·연구·생체인식·의료 등 … FA를 넘어 일상으로
산업현장에서 머신비전은 이미 없어서는 안 될 요소가 되었다. ‘인간의 눈을 대신할 기술’이라는 취지에 걸맞게 머신비전은 인간의 능력으로는 할 수 없는 많은 기술을 가능케 한다. 최근에는 이러한 기술이 공장자동화 분야는 물론이고 비 산업적인(Non-industrial) 분야로까지 확장되는 추세이다. 반도체·전자·자동차·측정 및 계측 분야와 같은 공장자동화부터 국방·항공우주·연구·생체인식·의료·농업에 이르기까지 머신비전이 나아갈 수 있는 길은 아직도 무궁무진하다.
글 | 윤진근 기자(pen@automotivemnt.com)

머신비전은 서로 다른 분야에서 십시일반 기술력을 모아 만든 분야이다. 머신비전의 주축이 되는 카메라와 렌즈 등은 원래 풍경이나 인물 등의 피사체를 촬영하는 도구였으나 이를 산업현장에 적용하고자 하는 시도 끝에 공장 생산라인 안에 자리할 수 있게 되었다. InGaAs카메라나 열화상카메라 그리고 레이저를 이용한 검사는 원래 군사용도로 쓰이던 기술이었으나 이 또한 시간이 지나며 태양열전지나 웨이퍼 그리고 바코드 검사 등 다양한 분야에 이용되기 시작했다.

이렇듯 다양한 곳에서 각자의 역할을 다하던 기술들이 모인 기술이 머신비전이다. 이를 역으로 말하면 머신비전은 다른 분야로 진출할 수 있는 가능성이 항상 열려있다는 뜻이 된다. 머신비전이라는 기술이 만들어지기 전부터 쓰이던 분야에 모두 활용할 수 있음은 당연하다. 거기에 그치지 않고 머신비전은 지금까지 아무도 넘보지 못했던 방향으로도 진출을 시작한다. ‘인간의 눈을 대신할 수 있는’ 기술은 공장이나 생산현장 외에도 많은 곳에서 필요로 한다.

대표적 공장자동화 활용사례

반도체 및 전자
머신비전 시스템이 자동화 장비에 통합되면서 반도체 및 전자 분야에서 제조 및 생산 공정을 담당하게 되었다. 사람의 눈으로 따라가기 어려운 컨베이어벨트 위를 정확하고 신속하게 검사할 수 있는 것은 물론, 사람이 볼 수 없는 작은 물체를 검사하거나 피검사체 뒷면까지 투과하여 촬영하는 등 현대과학을 이용하여 각종 검사를 진행한다.

대표적으로 PCB기판 회로 발열공정이나 반도체 웨이퍼 공정에서는 인간의 눈으로 보지 못하는 영역을 검사해야 한다. 열이나 적외선 등은 인간이 감지할 수는 있어도 볼 수는 없기 때문. 이는 열을 시각화할 수 있는 열화상카메라와, 일정 파장영역을 제거하거나 해당 파장영역을 촬영할 수 있는 InGaAs카메라만이 해결할 수 있다.

반도체 및 전자 분야는 컴퓨터 혹은 기계와 관련된 핵심기술인만큼 현대 기술의 첨단을 달리는 분야라고도 할 수 있다. 그 명성에 걸맞게 검사를 위한 머신비전 기술이 가장 빨리 도입되는 곳이기도 하다.

태양광 및 광전지
수 년 전에 국내에 태양광을 이용한 전지 제조나 에너지 창출이 유행했다. 현재 그 시도는 시들해졌지만 이는 결과적으로 태양광 및 태양전지 사업에 머신비전 시스템을 도입하는 계기가 되었다. 적외선 혹은 전기를 이미지화하는 기술을 시스템화한 결과, 태양광 및 광전지 제조업체들이 제품을 제작하고 결함을 검사할 수 있게 된 것. 태양광 및 광전지 분야에서 머신비전 시스템은 특정 이미지 센서로 대상 포착 및 생산이 가능케 하는 역할을 했다. 태양광 및 광전지 기술을 기반으로 한 이 특수 센서 촬영 기술은 반도체 웨이퍼 검사나 각종 보안영상 등 다양한 분야로 확장되었다.

자동차
현재 머신비전 시스템은 차량을 제조하는 모든 과정을 총괄한다. 엔진·트랜스미션·타이어 검사와 같은 분야에서는 오래 전부터 머신비전 기술이 사용되어왔다. 각종 핵심 부품을 만드는 데에는 사람이 직접 작업하는 것보다 머신비전을 이용하는 편이 훨씬 정확도와 안전성이 높다.

자동차 생산과정 중 머신비전이 쓰이는 가장 중요한 부분은 차체 조립이다. 차체를 조립하는 데에는 로봇 팔이 들어가는데, 머신비전 기술은 이 로봇에 카메라를 달아 사람이 원격으로 조종할 수 있게 했다. 이는 각종 사고 위험이나 작업자의 수고를 줄이고 작업시간과 정확도를 월등히 향상시켰다.

최근에는 차량 안에 각종 컴퓨터 기술을 도입하면서 CPU나 보드 등 다양한 부품이 들어가고 있다. 이러한 첨단 장비를 검사하고 장착하는 작업 역시 머신비전이 담당한다.

측정 및 계측
머신비전은 생산현장 안에서도 다양한 변화를 꾀한다. 대표적 예로 양품과 불량품을 구분하는 단순한 역할에서 벗어나려는 시도를 꼽을 수 있다. 이러한 시도는 대표적으로 각종 측정 분야나 계측 분야에서 두각을 나타내게 되었다.

예를 들어 조립에 들어갈 다양한 부품들의 크기나 무게 등을 정확히 측정하여 생산할 수 있도록 돕는다. 이는 모든 제조 산업에서 반드시 필요한 기술이며 특히 다국적 기업이나 하청 생산업체를 두는 분야에서 유용하게 사용된다. 최근 이러한 측정 및 계측 기술은 항공 및 우주·자동차·반도체·전자 등 거의 모든 분야에서 품질을 보장하기 위한 수단으로 사용된다.

뿐만 아니라 식품 분야에서 용기 안에 들어간 제품의 양을 검사하거나 제약 분야에서 정확한 양을 측정할 때 등에도 반드시 필요한 기술이다.

제약 및 의료
현존하는 산업현장 중 정확한 양과 질 그리고 안전성이 가장 필요한 곳은 제약 및 의료 분야이다. 몸이 좋지 않을 때 건강 회복을 위해 사용하기 때문에 타 분야보다 더욱 안전하고 정확해야만 한다. 이러한 분야에 가장 필요한 것이 머신비전기술이다. 머신비전기술이 향상되면서 혜택을 받는 분야 역시 제약 및 의료 분야일 것이다.

제약 및 의료 분야에서 머신비전은 빠른 속도로 검사를 수행함은 물론 성분 함량까지 오차 없이 정확하게 검사할 수 있다. 거기에 제품에 직접 접촉하지 않고도 검사할 수 있어 비위생적인 경로를 원천 차단한다. 제약 및 의료 분야에서 머신비전은 약품 제조는 물론이고 수액·카테터·주사기 등 다양한 제조공정에 사용된다.

포장(패키징)
포장 분야는 주로 제품을 생산하고 난 뒤 출하하는 과정에 필요한 공정이다. 물건을 안전하고 정확하게 포장하는 것이 포장 분야의 핵심 요소이다.

최근에는 RFID기술과 2D 바코드기술이 등장함에 따라 머신비전을 이용한 포장 작업이 늘어나는 추세이다. 이는 포장은 물론 제품 보관·재포장·선적·출하·판매 등 다양한 과정에서 제품을 추적할 수 있는 기술이다. 제품의 초기 품질관리에 가장 필요해짐에 따라 포장검사의 기준이 많이 확장되고도 있다.

현재 머신비전은 포장 재료의 광학 문자(OCR)를 인식하는 것을 시작으로, 각종 1D와 2D바코드를 이용해 검사 작업을 진행한다. 용기 및 내용물을 확인하고, 음식 및 조립 라인에서 음료 세라믹 용기를 검사하며, 포장 관련 프로세스의 전반적인 과정을 검사하기도 한다.

네트워크 기반 검사
머신비전이 생산현장에서 각광받는 이유는 일정 범위가 아닌 생산라인 전체를 촬영하고 검사할 수 있기 때문이다. 라인스캔카메라라고 불리는 촬영기기가 개발되어 컨베이어벨트 위에서 생산되는 제품을 빠르고 정확하게 검사함으로써 생산력 향상에 커다란 기여를 했다. 거기에 에어리어스캔카메라의 범위가 확장되면서 더욱 넓고 커다란 영역을 검사할 수 있게 되었다.

하지만 공장이 커지고 생산영역이 늘어나면서 한 대의 카메라로는 전체적인 검사가 불가능한 경우가 늘어나고 있다. 이에 다양한 웹 기술을 기반으로 한 검사를 진행하는 추세이다. 케이블과 커넥터 그리고 리피터 등을 이용한 네트워크를 구축하면 다양한 카메라를 동시에 운용할 수 있음은 물론, 각각의 생산라인에서 이상한 점이나 불량이 발견되었을 때 신속하게 대처할 수 있다. 섬유와 세라믹 타일 및 유리 등 다양한 물체를 검사할 때 주로 네트워크 기반 검사를 이용한다.

토털 솔루션 시스템
외국에서 턴키 비전 시스템(Turnkey Vision System)이라고 불리는 이 토털 솔루션은 말 그대로 머신비전을 이용한 다양한 기술을 통합적으로 관리하는 기술이다. 기술력 있는 업체가 머신비전 구성요소들을 모아 한 시스템으로 통합하는 것.

카메라·렌즈·프레임그래버·조명·케이블·소프트웨어 등 다양한 머신비전 구성요소들을 모아 사용자가 원하는 작업방식에 적합한 시스템을 제공하는 것이다. 이는 국내 업체들이 최근 취하고 있는 전략이기도 하다.

이러한 시스템은 이미 해외에서는 널리 사용되고 있다. 해외에서는 특히 음료·방직·PCB 설계 및 제작·제약·태양 전지 패널 등 다양한 완제품 시장에 적용하고 있다.

산업분야 바깥에서 머신비전 적용사례

국방·항공·우주
머신비전 기술은 오랫동안 군사 및 항공 우주 분야에서 활용되어온 핵심요소였다. 군사 및 국방 분야에서 머신비전은 폭탄을 감지하고 처리하는 역할이나 야간에 적을 감시하는 등의 용도로 이용되었다. 그러다 새로 개발된 무기를 실험하는 분야에 머신비전이 사용되기 시작하면서 더 많은 군용시설에서 활용되었다. 이를테면 전투 작전을 짠다든가 아군과 적군 사이의 경계망 구축, 군사 감시, 무인 자동차 등 군사적으로 다양한 애플리케이션에 투입되었다.

군사적 목적으로 활용되던 머신비전 기술은 항공 및 우주 분야에까지 진출하게 되었다. 군사목적으로 쓰이던 기술들이 발전함에 따라 민간업체에서도 발전가능성을 보고 기술을 흡수한 것. 지금은 항공기나 우주선에서 감시하는 카메라, 문제점을 신속하게 발견하기 위한 센서 기술, 무인 우주 탐사 등의 분야에서 머신비전이 활용되고 있다.

감시 및 교통
감시 분야에서 머신비전 기술이 가장 잘 알려진 예는 CCTV이다. CCTV는 군사용으로 적군을 감시하기 위해 만들어진 기술을 일반 산업에 적용시킨 사례이다. 머신비전은 골목 등 공공장소는 물론이고 기업이나 국가적 시설물 등 다양한 곳에서 이상 현상을 감시한다. 소프트웨어와 결합된 감시용 머신비전은 기존 사람이나 일반 카메라가 감시하던 것보다 비용면에서 효율적이며 정확하다. 특히 사람이 24시간 감시할 수 없다는 점 때문에 고해상도 카메라와 열화상카메라 등이 감시 분야에 적용되고 있다. 열화상카메라는 체온 정도의 열을 가진 물체가 감지되면 경보음을 발생하는 식으로 감시 분야에서 활용된다.

교통 분야에서도 머신비전 기술이 전면 도입되고 있다. 교통 제어 시스템과 지능형 교통 기술이 대표적이다. 횡단보도 및 도로마다 교통체증이나 정체 현상을 관리해 신호의 길이 등을 조절한다. 또한 신호위반이나 과속, 뺑소니 등 범법 차량을 잡기 위해 고속카메라 등을 이용해 도로 위에서 일어나는 사고들을 포착할 수 있다.

연구 분야
생산현장과 가장 흡사하게 머신비전을 사용하고 있는 곳은 연구실이다. 대학이나 연구소 등에서는 3차원측정기를 필두로 다양한 측정용 및 검사용 장비를 도입하고 있다. 용도에 따라 초고속 카메라, 적외선 및 자외선 카메라, 현미경용 카메라 등 다양한 머신비전 장비들이 활약한다. 연구실에서 머신비전 기술은 설계와 측정 그리고 검사 등 생산과 관련된 전반적인 사항들을 돕는다.

연구실에서는 각종 시제품을 만들어 이상점 등을 검사하거나 개발과정에서 다양한 실험 등을 거친다. 예로 충돌 실험이나 전자파 실험 등을 들 수 있다. 이는 제품이 얼마나 안전하고 용도에 적합한지 등을 판단하는 기준점이 된다. 머신비전은 소프트웨어와 함께 이벤트 및 프로세스를 시각화할 수 있는 시스템을 마련해 검사를 돕는다.

최근 연구실 뿐 아니라 기업에서도 R&D센터 등을 운영하며 이러한 연구 및 실험 시설을 갖추는 추세이다. 이에 따라 머신비전 기술 역시 더욱 곳에서 역할을 수행하게 된다.

생체인식
눈동자나 손, 지문, 얼굴, 귀, 그리고 걸음걸이 등은 사람을 드러내는 고유한 수단이다. 머신비전은 이러한 요소들과 자동화 시스템을 통합하는 역할을 한다. 즉 카메라가 개인을 파악하면 이를 이미지프로세싱해서 기존 데이터베이스와 비교하게 된다. 이후 옳고 그름을 판단하여 다음 작업을 수행한다. 이것이 바로 생체인식 기술이다.

이는 산업자동화에서 양품/불량품 검사를 수행하던 것과 크게 다르지 않지만 매우 복잡한 기술이기도 하다. 이 기술은 다양한 분야에서 활용할 수 있는 여지가 충분하다. 예를 들어 대학과 연구소 그리고 기업 등에서 연구 및 보안 용도로 사용된다. 기계의 움직임을 제어하고 로봇을 조작하는 분야에서도 응용할 수 있다.

현미경(Microscopy)
머신비전만이 할 수 있는 일에는 여러 가지가 있지만 가장 눈에 띄는 것은 현미경 분야이다. 산업 분야는 물론이고 각종 과학적 연구나 의료분야 등에서 현미경은 없어서는 안 될 존재가 되었다.

▲의학 분야에서 삽관 수술을 할 때나 인체를 검사할 때 ▲미생물 배양 ▲과학실 등에서 학습용으로 ▲의학적 실험실에서 관찰이나 실험 그리고 연구를 할 때 등 의학적으로 다양한 분야에서 현미경을 사용한다.

이러한 현미경에서 사용하는 렌즈는 머신비전에서도 비슷한 용도로 쓰이는데 반도체 혹은 PCB검사나 식품 관련 애플리케이션에서 미세한 오류를 검출할 때 이용한다. 또한 높은 정확성을 요구하는 3차원측정기 등에서도 많이 사용되는 추세이다.

환경 및 농업
환경과 관련된 기술에도 머신비전을 이용할 수 있다. 각종 친환경 분야는 물론이고 태양광발전이나 풍력발전과 같은 신재생 에너지 분야에 활용하는 것. 눈에 보이지 않는 각종 이미지들을 촬영해야 하기에 적외선 혹은 멀티스펙트럴(다多스펙트럼 감응이 가능한 기술로 가시광선·적외선·초단파 방사 따위에 감응하고 기록하는 능력이 있다. 네이버 백과사전 제공)기술이 있는 비전시스템이 주로 사용된다.

머신비전은 각종 친환경적 응용프로그램에도 적용할 수 있다. 숲 캐노피 매핑 및 녹색 응용프로그램(Green Application)에 적용할 수 있다. 또한 머신비전은 각종 연구와 개발을 통해 식물이 성장하는 데 필요한 환경을 조성하여 작물 수확 및 식물 성장 등에 이용한다. 결과적으로 머신비전은 농산물 수확량 및 품질 향상을 돕는다.

의료 진단
머신비전이 보편화되면서 고해상도 및 고화질 영상과 이를 처리할 수 있는 기술이 일상에 도입되었다. 의료 분야는 이러한 영상처리기술을 빠르게 흡수했다. 의사의 개인 집무실이나 병원 및 진료소에서 사용하는 각종 진단기기는 머신비전 기술과 함께 성능이 더욱 향상됐다. 이러한 진단 장비는 환자에게 직접 사용하는 만큼 안정성과 정확도 그리고 품질 중 어느 하나라도 빼놓을 수 없이 중요하다.

현미경과 카메라 그리고 렌즈와 이미지 처리 프로그램 등은 사람이 직접 개복하여 안을 관찰하거나 홍채를 들여다보거나 진맥하는 것보다 훨씬 정확하고 빠르며 오진의 위험 없이 환자를 관찰하여 진단할 수 있게 만들었다. 이러한 의학적 기기들의 발전은 사람들을 더욱 건강하게 하기 위한 핵심적인 기술로 떠오르고 있다.

생물 및 의학 연구
머신비전은 생물 및 의학 연구에도 도입되었다. 그 결과 지금까지 할 수 없던 다양한 연구를 할 수 있게 되어 생물 및 의학 연구에서 커다란 성과를 일궈내고 있다. 대표적 예로 각종 질병과 치료 조건을 이해하기 위한 미생물적 검사에서의 활약을 들 수 있다.

생명 및 의학 연구 분야에서 가장 큰 발전은 DNA검사 분야이다. DNA검사 분야의 생명 과학 연구에서 머신비전 시스템을 이용한 검사는 속도와 정확성 모두를 크게 향상시켰다. 사람의 눈으로는 쉽게 판별할 수 없는 구조적 특징이나 공통점 혹은 차이점 등을 머신비전이 검사하고 실험하여 그 결과를 얻어내는 것. 이러한 연구는 인간의 수명 향상과 건강한 삶에 긍정적인 영향을 준다.