보이는 것 이상을 보다

머신 비전의 새로운 응용 분야를 제공하는
단파장 적외선(SWIR) 카메라

글 | Paul M. Zalewski/ Allied Vision Technologies GmbH

SWIR 카메라는 머신 비전 솔루션을 위한 다양한 기능을 갖고 있어 제품의 보이지 않는 결함 뿐만 아니라 원하는 특성을 검출할 수 있다. CCD나 CMOS 센서 주류의 머신 비전 카메라와는 대조적으로 대부분의 SWIR 카메라에 있는 InGaAs(인듐, 갈륨, 비소) 센서는 900nm에서 1,700nm 사이의 파장을 감지한다. 이 파장은 인간의 눈과 CCD 또는 CMOS 카메라에 보이지 않는다.
따라서, SWIR 카메라는 예를 들면 실리콘 제품 내의 결함이나 과일 내부의 수분 축적분을 탐지해 내게 된다. 이 글은 반도체 산업, 재활용, 금속 및 유리 검사 및 공수 원격 감지와 같은 몇몇 분야에서 SWIR 카메라 응용 프로그램의 예시를 제공하고 있다.

일부 SWIR 카메라는 주로 연구 시설에서 사용하도록 설계되어 있기 때문에, 이미지의 품질이 산업용 애플리케이션을 위해 중요하기도 하지만, 카메라의 특징뿐만 아니라 견고한 산업용 디자인이 일반적으로 머신 비전 애플리케이션에 사용되고 있다.

반도체 산업

반도체 산업은 세계의 가장 큰 산업 중 하나이며 지속적으로 확장하고 있다. 얇은 실리콘 디스크(웨이퍼) 상에 집적 회로(IC 또는 칩)를 제조하는 것이 반도체 산업의 핵심이다. InGaAs 센서를 갖춘 카메라는 일반적으로는 900nm에서 1,700nm 사이의 SWIR 스펙트럼 범위 에서 작동하고, 약 1,150nm 파장에서 실리콘(Si)과 같은 반도체 소재를 통해 이미지를 형성할 수 있다.
따라서 이들은 검사 공정의 중요한 부분이다. 실리콘 내부 촬상 능력은 제조 공정에 비파괴 검사 방법과 같은 큰 이점을 제공한다. 오늘날, 반도체 산업은 시험, 검사 및 품질 제어 시스템으로 InGaAs 카메라를 통합하고 있다.

실리콘 결정과 잉곳 / 브릭 검사
실리콘 결정 및 잉곳(또는 브릭)을 검사하는 것은 반도체 산업에서 InGaAs 카메라의 전형적인 애플리케이션 중 하나이다. 1,150nm 이상의 파장 범위에서 실리콘을 투시할 수 있는 기능은 InGaAs 카메라에 이러한 제조 과정에서 축적 할 수 있는 결정 또는 잉곳 내의 불순물로서 함유물을 검출하는데 매우 적합한 솔루션을 제공하고 있다.
잉곳을 특별한 다이아몬드 체인을 이용하여 절단하여 얇은 웨이퍼를 생산하는데, 이 때 불순물에 매우 민감하다. 체인이 금속의 작은 조각과 같은 불순물을 타격하게 되면 매우 고가의 체인이 끊어질 수 있게 된다. 체인 교체 비용이 추가될 뿐만 아니라 생산성 저하 및 이익 감소를 가져다 줄 것이다. SWIR 카메라는 이러한 상황을 방지하고 원활한 생산 공정을 확보 할 수 있다.

웨이퍼 검사 / 포장
카메라의 또 다른 중요한 용도는 웨이퍼 검사이다. 웨이퍼 제조 과정에서 입자가 상하부에, 심지어 내부 또는 웨이퍼 사이에 발생할 수 있다. CCD 또는 CMOS 카메라가 상단과 하단의 입자를 검출하는 반면, InGaAs 카메라는 실리콘을 투시해서 결합된 2개의 웨이퍼 사이의 입자를 검출한다.
InGaAs 카메라는 웨이퍼의 전면에 뒷면 패턴의 배열이 이루어지는 웨이퍼 포장에 사용된다. SWIR 기술은 전체 공급망에 따른 IC 메모리 셀 또는 트랜지스터와 같은 다른 하위 제품을 배열하는 것뿐만 아니라 웨이퍼 층의 배열도 돕는다.

태양 전지
SWIR 카메라는 실리콘 결정에서 잉곳/브릭, 웨이퍼, 태양 전지 및 태양 전지 모듈에 이르기까지 전체 체인의 검사 공정을 커버 할 수 있다.
InGaAs 카메라는 실리콘 내부 이미지를 촬영하기 때문에 실리콘 내에서의 물리적 결함을 검출하기 위한 가장 효과적인 해결책이다. 게다가 최근 검사 기술인 SWIR 이미징 이외에도 다른 중요한 기술 및 방법이 태양광 산업에서는 일반적이다. 광 발광 (PL) 및 전계 발광 (EL)의 검사 목적을 위해 통상적인 방법이다.
PL 촬상은 방사성 재조합에 의해 방출을 일으키고 따라서 카메라에 의해 검출 될 수 있는 전자-정공쌍(Electron-hole pairs)을 생성하기 위해 광여기(光勵起, Optical excitation) 예를 들면, 레이저 조명을 사용한다. 1,150nm 주위의 밴드 간 발광은 실리콘의 내부 결함 및 교대 클러스터에 대한 정보를 제공한다. 더욱이, 1,550nm 주변의 결함 밴드 발광 매핑은 최종 전지 효율의 한계에 관한 결과를 제공한다. 따라서 900nm에서 1,700nm까지의 InGaAs 카메라의 검출 감도는 응용프로그램을 완벽하게 충족시킨다.
반면, 전계는 실리콘의 전자와 정공의 방사상 재결합의 결과이다. 전압은 태양 전지에 적용되는데 사용 가능한 정공을 가지고 재결합을 이끌게 된다. 그 결과 흡수체(실리콘 1,150nm)의 밴드 갭에 따라 광자의 방출이 있게 된다. 결정질 실리콘 외에, 다른 형태의 태양전지나 모듈 소재(박막 태양 전지라고도 함)를 검사 할 수 있다. 구리 인듐 갈륨 셀레늄 (CIGS)은 700nm에서 1,330nm(인듐/갈륨 비율에 따라) 파장에서 검사되고 구리 인듐 갈륨(CIS)은 1,330nm 파장에서 검사된다.
CCD와 CMOS 카메라에 대한 SWIR의 주요 장점은 프라임 실리콘 발광 파장에서 뛰어난 양자 효율(QE)을 갖기 때문에 제조 과정에서 짧은 노출 시간으로 촬영이 가능하다. CCD와 CMOS 카메라는 최대 30초의 긴 노출 시간을 필요로 하고 있다. NIR 기능이 보완된 CCD 센서도 최대 3초 이상의 노출 시간이 필요하다. 이와는 대조적으로, SWIR 카메라는 몇 밀리 초를 필요로 하기 때문에 생산성을 크게 높일 수 있다.

재활용 산업

가용 자원이 부족해지고 있는 반면 선진국들이 배출하고 있는 폐기물의 양은 지속적으로 증가하고 있다. 따라서 수집된 폐기물과 양호한 재생 원료를 분리할 수 있는 효율적인 방법의 개발이 필요하다.
플라스틱 분류
모든 플라스틱 폐기물은 가시 스펙트럼에서는 같아 보이기 때문에, 종래의 방법으로 고품질의 원료를 분리해 내는 것은 불가능하다. 그러나 단파 적외선( SWIR ) 범위에서는 다른 플라스틱 원료의 흡수 스펙트럼이 서로 다른 특성을 나타낸다.
SWIR 카메라 기술은 재활용을 위해 품질과 특성이 유사한 물질을 분리해 내는 자동 분리시스템을 구현 할 수 있다. 효율적인 폐기물 분리 자동화 공정을 실현하기 위해 원료는 유사한 크기의 작은 조각으로 파쇄 된다. 컨베이어 벨트가 조명 시스템 및 InGaAs 센서가 부착된 SWIR 카메라로 구성된 검사대로 플레이크를 수송하게 된다. 모든 플라스틱 원료가 SWIR 내에서 고유 스펙트럼 특성을 나타내기 때문에, 여러 원료들은 서로 구별 될 수 있고, 스펙트럼 특성은 상응하는 플라스틱 타입에 배당 될 수 있다.
다양한 플라스틱 유형들이 공기 제트의 배열에 따라 컨베이어 벨트 위에서 분리된다. 미세 스크리닝을 해서 높은 품질 결과와 좋은 재활용률을 달성하도록 이 단계는 여러번 반복 될 수 있다.

식량산업

과일과 채소는 80~90%의 수분을 포함하고 있어서, 그들의 SWIR 스펙트럼은 약 1,450nm에서 정점에 이르는 수분 흡수 대역을 주요 특징으로 한다. 강력한 흡수로 인해 SWIR 대역에서 수분은 보다 어둡게 나타난다.

식품 분석 및 분류
각 식품은 독특한 화학 성분을 가지고 있고, 따라서 SWIR 스펙트럼에서 뿐만 아니라 눈으로 볼 때도 독특한 분광 특성을 갖게 된다. InGaAs센서가 부착된 SWIR 카메라는 컨베이어 벨트를 통한 직렬 식품검사에 사용된다.
음식을 분석하기 위한 가장 흔한 방법 중 하나는 분광기이다. 그러나 식품 산업에서의 최근의 발전 추세는 하이퍼 스펙트럼 영상을 지향한다. 이 방법은 전자기 스펙트럼의 여러 범위에 걸쳐 상세한 정보를 획득하기 위해 스펙트럼 디지털 영상과 분광학을 결합한다. 특정 파장에 대한 반사 및 흡수는 음식의 화학성분과 분자 구조에 좌우된다.
일반적으로 SWIR 카메라는 분광기와 결합하여 푸시 부룸 이미징 시스템에서 사용된다. 검사된 식품의 전체 스펙트럼 데이터는 시간이 지남에 따라 공간 라인 스캔과 동시에 수집된다. 900nm에서 1,700nm까지의 확장된 파장 범위와 함께 SWIR 카메라는 CCD나 CMOS 카메라보다 더 많은 스펙트럼 정보를 제공 할 수 있다. 한 가지 예는 멍든 사과 분류를 들 수 있다. SWIR 카메라는 높은 수분 함량 때문에 영상이 더 검은 멍을 검출 할 수 있다. 이렇게 해서 주스용과 최종 소비자에게 판매될 수 있는 완벽한 특징을 갖춘 사과를 분리해 내는 일을 용이하게 한다.

금속과 유리산업

SWIR 카메라는 250°C 와 800°C 사이의 고온 물체의 열전사에 사용될 수 있다. 금속과 유리 산업은 공정 및 품질 관리 시스템에 SWIR 카메라를 통합시키게 된다.

용융 금속 프로세스 모니터링 및 검사
CCD 및 CMOS 카메라와 대조적으로, 900nm에서 1,700nm까지의 전형적인 InGaAs 카메라 의 스펙트럼 범위는 고열의 금속과 슬래그 사이의 발광 차 검사를 가능하게 한다.
이 정보는 제조 공정 내 슬래그의 차이를 검출하는데 사용되며, 어떤 오염 물질도 없는 최대 생산량을 보장한다.

유리병 모니터링 및 검사
병의 제조 공정에서 InGaAs 카메라는 유리병의 내부 및 외부 검사를 가능하게 한다.
250°C 와 800°C 사이의 고온 물체의 열전사를 수행 할 수 있기 때문에 SWIR 카메라는 온도 균일성 및 유리의 냉각 속도를 모니터링 할 수 있다. 따라서 제조업체들은 생산량과 품질을 극대화하기 위해 지속적으로 제품을 관찰 할 수 있다.

농업

또한 초분광 이미징은 특히 무인항공기(UAV)와 결합해서 농업 용도로 사용된다. 예를 들어 농부들은 공중에서 딸기 밭에 있는 식물을 검사 할 수 있다. SWIR 이미지를 보면서 농부들은 수분이 부족하거나 적당한 정도 혹은 지나치게 많은 식물과 구역을 식별할 수 있다. 더 많은 수분이 탐지되면, 1,450nm의 파장에서 흡수력 정점은 더 높아지고, 더 검은 구역이 영상에 나타나게 된다.
공수/원격 감지

무인 항공기는 특히 농업에서 많이 사용되고 있지만 많은 다른 목적을 위해 사용될 수 있다. 수 많은 재료들이 공중에서 검사 될 수 있는 것이다. 각각의 무기 재료는 상이한 화학적 성분 및 결정 구조를 갖고 있으며, 결과적으로 특정 광 흡수 특성에 상응하는 독특한 스펙트럼 반응을 가져 온다. 

지질 및 광물 검사
독특한 스펙트럼 반응은 세계 모든 지역의 광물 매핑을 수행 할 수 있고, 또한 임업 회사는 공중에서 숲 매핑 할 수 있다. 하이퍼 분광 영상은 지질학 및 식품 분석과 유사한 방법으로 광물 검사에도 사용할 수 있다.
SWIR 카메라가 부착된 푸시 부룸(Push broom) 촬상 시스템과 분광기는 업계에서는 일반적인 해결책이다.

SWIR 카메라의 입지

다양한 성능 때문에 InGaAs 센서가 부착된 SWIR 카메라는 머신 비전 시장으로 이동하고 있다. 그러나 모든 SWIR 카메라가 지속적인 작업, 고온 환경, 또는 진동을 겪게 되는 산업적 용도로 제작되는 것은 아니다.
따라서 많은 산업용 애플리케이션은 견고한 카메라 설계뿐만 아니라 양호한 화질을 필요로 한다. SWIR 카메라는 이미 반도체 산업에서 입지가 공고하며, 다른 분야에서도 인기를 얻고 있다.

자료제공 | 디쌤(www.dissem.co.kr)

Allied Vision에 대해

설립한지 25년이 넘은 Allied Vision은 머신 비전 카메라 제조업체로서 산업용 카메라 설계에 많은 경험을 보유하고 있다. 개발 외에도 Allied Vision은 자신의 애플리케이션에 적합한 카메라를 찾는 고객에게 도움을 준다.
또한 Allied Vision은 산업 검사, 의료 및 과학 이미징, 트래픽 모니터링 등 다양한 애플리케이션을 위한 카메라 솔루션을 제공한다.