테크 포커스

반도체, 디스플레이 제품이 고도화되면서 더 작은 구조와 더 정밀한 공정이 요구된다. 이에 따라 검사해야 하는 불량 역시 육안으로는 확인이 불가능할 정도로 작아지고 있다. 이런 가운데 머신비전 전문기업 ㈜앤비젼이 1㎛ 수준의 정밀도를 유지하면서 세계에서 가장 빠른 자동 광학 검사기용 자동초점 장치를 개발하는 데 성공했다. 우리나라 반도체와 디스플레이 산업의 위상 제고는 물론 국내외 검사장비 시장에 혁신적인 광학 기술을 선도할 것으로 기대된다.

word 조범진 photo 김기남

검사장비 국산화·디스플레이 등 글로벌 경쟁력 향상 도모

최근 반도체는 배선 폭과 간격이 수 나노미터^nm 이하로 줄고, 고해상도 디스플레이는 픽셀 크기가 점점 작아지고 있다. 이에 따라 작아지는 불량을 검사하기 위해서는 배율이 더 큰 검사 광학계가 필요한 상황이다.

검사 광학계는 선명한 이미지를 위해 초점을 정확히 맞추어야 한다. 초점 중심에서 멀어질수록 이미지가 점점 흐려지기 때문에 초점을 유지하는 것이 매우 중요하다. 또한, 배율이 높을수록 초점 심도는 작아지는데, 현재 요구되는 초점 심도는 10마이크로미터㎛ 이하로 매우 작다. 그 때문에 자동으로 정밀 초점을 맞추는 장치가 필요하며, 고속 검사를 위해 고속으로 초점을 맞추는 기술도 필요하다.

이런 가운데 1㎛ 수준의 정밀도를 유지하면서 세계에서 가장 빠른 자동 광학 검사기용 자동초점 장치를 ㈜앤비젼이 독자 기술로 개발에 성공한 것은 큰 의미가 있다. 우리나라는 반도체와 디스플레이 기술 강국이지만 관련 장비의 국산화는 아직 어깨를 나란히 하지 못하는 실정이다. 이런 상황에서 검사장비의 국산화 및 국내 디스플레이와 반도체산업의 글로벌 경쟁력 상승이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 계기를 마련한 것이다.

국내 최초, 세계 최고 속도의 뛰어난 기술과 제품 선보여

㈜앤비젼이 개발 및 제품화에 성공한 ‘세계 최고속 디스플레이 AOI^{Automatic Optical Inspection}(자동 광학 검사)용 시스템’은 자동 광학 검사기의 자동초점을 위한 것이다. 광학계와 검사 대상 간의 간격을 정확하게 측정하기 위한 ‘자동초점 센서’와 항상 동일한 간격을 유지하기 위한 ‘자동초점 스테이지’, 그리고 이 장치를 제어하는 ‘자동초점 제어기’로 구성되어 있다.

각각의 특징을 살펴보면, ㈜앤비젼이 국내에서 최초로 개발한 자동초점 센서는 정반사 레이저 삼각법을 적용한 레이저 변위 센서를 응용해 검사 대상 표면에 레이저를 조사하고, 표면의 높이에 따라 변하는 레이저 위치를 계산하여 거리를 측정할 수 있다. 아울러 다양한 알고리즘을 적용해 레이저 위치가 변화할 때도 잡음을 최소화하고, 동시에 고속 계산이 가능하도록 설계했다. 정밀도는 1㎛ 이하, 간격 측정 속도는 9kHz(초당 9000개 간격 데이터 측정)의 성능을 가진다.

다음으로 자동초점 스테이지는 정밀 가공된 기구와 정밀 모터를 사용하여 0.5㎛ 이내 오차에서 최대 20kg 무게의 광학계를 초당 1200mm 스캔 속도의 고속 자동 검사기에 적용할 수 있는데, 현존하는 자동초점 장치 중 세계 최고 속도를 자랑한다. 이와 함께 이상의 두 장치를 제어하는 자동초점 제어기는 FPGA^{Field-Programmable Gate Array}(프로그래밍이 가능한 비메모리반도체) 기반으로 프로세서를 설계하고 제어 알고리즘을 구현했다. 이는 레이저 신호를 받아 신호의 수준을 점수화해 높은 점수 즉, 무결점 신호만 선별하는 스코어링 알고리즘이다. 잡음이 없는 데이터를 얻을 수 있어 디스플레이 외에도 다양한 검사 대상에 적용할 수 있다.

㈜앤비젼이 국내 최초로 개발한 자동초점 센서

세계 최고속 디스플레이 AOI용 자동초점 시스템을 개발한 주역들.
왼쪽부터 백남석, 정세진, 박경희, 지원수, 전찬우, 박효진

대만과 중국 이어 2024년 유럽 시장 진출 계획

자동초점 장치를 적용한 자동 광학 검사기로
구현된 선명한 이미지를 통해 검사 공정에서 불량을 걸러내어
불량률을 줄일 수 있고, 이는 수율 상승 효과로 이어진다.

㈜앤비젼의 ‘세계 최고속 디스플레이 AOI용 자동초점 시스템’ 개발 및 제품화 성공 결과는 향후 산업에 큰 변화를 가져올 것으로 예상된다. 지원수 상무는 “반도체나 디스플레이와 같은 최첨단 전자제품은 매우 복잡한 제조공정을 거치기 때문에 각 과정에서 여러 불량 요소가 발생한다. 이에 따라 본 기술은 고배율 검사기의 안정적이고 정확한 운용에 중요한 구성 요소가 된다”며, “자동초점 장치를 적용한 자동 광학 검사기로 구현된 선명한 이미지를 통해 검사 공정에서 불량을 걸러내어 불량률을 줄일 수 있고, 이는 수율 상승 효과로 이어진다”고 말했다. 또한 “불량이 잦은 제조 공정을 파악하고 이를 개선함으로써 불량률을 낮출 수 있다”면서 “이로 인해 제조 원가가 낮아지면 결국 소비자가 지불해야 할 가격이 낮아지게 되어 고성능 제품을 합리적 가격으로 구매할 수 있는 경제성이 생겨난다”고 덧붙였다.

끝으로, 앞으로의 활용 및 상용화 전략과 관련해 “현재 반도체 외관 검사 공정과 디스플레이 외관 검사 공정 및 인쇄회로기판^PCB 외관 검사 공정을 포함하는 주요 산업 분야에 모두 적용되고 있다”며 “자동 광학 검사기는 분야와 제품에 따라 다양한 배율의 이미지 광학계가 적용되는데, 현재 이 자동초점 장치는 1.67배에서 10배까지 모두 대응할 수 있도록 라인업이 구성되어 있다. 향후 추가적으로 고배율 10배 이상에도 대응할 수 있도록 라인업을 추가할 예정이다. 2022년부터 대만과 중국 시장 진출을 시작으로 2024년에는 유럽 시장 진출을 계획하고 있다”고 말했다.

최상의 이미징 솔루션 제공 머신비전 전문기업

㈜앤비젼은 2003년 설립되었으며 이미징 솔루션 분야를 선도하는 머신비전 전문기업이다. 초창기 주력사업은 라인 스캔 카메라와 고해상도 렌즈였다. 이후 지속적인 연구와 개발을 통해 현재는 기존 주력사업뿐만아니라 영역 스캔^{Area Scan} 카메라, 3D 모듈, 조명, 오토포커스^{Auto Focus}모듈, 이미징 모듈 등 다양한 분야를 선도하고 있다.

www.envision.co.kr

KEIT, 선진 기술 접근과
기술 홍보 가교 역할

산학 협력 통한 기초 기술 확보, 국가 지원 과제 통해 결실

반도체 검사 시장에 혁신적인 광학 기술 선보일 계획

AOI용 자동초점 시스템 개발 시 난관을 극복하고 해결했던 경험은?

2019년 자동초점 센서를 개발하기 위해 일본 업체와 협업을 검토했을 때, 높은 개발비와 까다로운 조건을 요구해 초기개발을 포기할 수밖에 없었다. 이후 산학연구를 통해 기초 기술을 확보했고, 2020년에 시작된 국가 지원 과제를 통해 자동초점 장치에 한정되지만 국내 최초로 정반사 레이저 변위 센서를 개발하는 데 성공했다. 그리고 이를 적용한 자동 광학검사기용 자동초점 장치에 세계 최고 속도 및 정밀도를 구현한 것이다.

㈜앤비젼의 다른 연구 분야 기술 및 성과는 무엇인가?

일반적인 자동 검사기용 광학 기술뿐 아니라 다양한 기술을 개발하고 있다. 전기자동차 산업과 고대역폭메모리^HBM 반도체산업의 성장으로, 두 분야에 적합한 광학 기술 개발에 집중하고 있다. 특히, 전기자동차 산업의 경우 안전상의 이유로 배터리 불량 검사 비중이 높은 편이다. 이에 맞추어 배터리 검사를 위한 이미징솔루션 개발을 진행하고 있다. 대표적으로, 원통형 전지 내부 검사를 위한 ‘원통형 전지 내부 이미지 광학계’를 개발하여 시장에 출시했다. 이는 특수 설계된 렌즈로 깊고 좁은 전지 내부를 한 번에 볼 수 있는 광학계다. 또, 내부보다 이미지를 찍기 어려운 원통형 전지 외부 검사도 필요하다. 일반적으로 2~4개의 이미지 광학계를 이용하거나 검사하고자 하는 원통형전지를 움직이며 촬영하던 방식과 달리, ㈜앤비젼에서는 원통형 전지를 움직이지 않고 하나의 광학계로 촬영하는 기술을 개발했다. 이 외에도 엣지^EdgE의 품질을 중요시하는 반도체 웨이퍼와 디스플레이 글라스, 자동차용 배터리 파우치의 엣지 상·하면과 측면 검사를 위해 2~3개의 이미지 광학계를 이용하던 기존 기술과 달리 ㈜앤비젼은 단일 광학계로 3개면을 동시에 이미지화할 수 있는 기술을 개발했다.

과제 진행에 있어 한국산업기술기획평가원^KEIT 지원의 긍정적인 파급효과는 무엇인가?

계획서 또는 제안서를 통해 해외 선행 기술을 비교하고, 기술을 파악하는 데 큰 도움이 되었다. 중소·중견기업의 경우 별도의 비즈니스 모델 조직이 없는데, KEIT가 지원하는 과제를 통해 참여 연구원들이 자유롭게 선진 기술을 파악하고 분석할 수 있었다. 또한, KEIT의 지원으로 기업의 금전적 부담이 완화되어 과제를 원활히 진행하는 데 도움이 되었다.
특히, 관련 산업 분야의 협회나 단체 등과 교류할 수 있는 가교 역할, 세미나 등을 통한 과제 참여 기업에 대한 홍보와 기술 소개의 열린 공간을 만들어주는 등 큰 도움이 되었다.

앞으로의 계획 및 목표는?

우리나라 AOI 분야 기술은 디스플레이, PCB, 자동차용 이차전지 산업 분야에서 경쟁력이 높은 편이다. 그러나 반도체산업 분야에서는 일부 공정을 제외하고 외산 장비의 기술 장벽이 높다. 따라서 반도체 검사 시장에 적용될 수 있는 혁신적인 광학 기술 개발에 더 집중하고자 한다.