혁신적인 3D 검사기 ‘ALPHA_AOI’ 공개    
신개념의 3D Hybrid Technology 적용

3D Hybrid Technology에 적용되는 새로운 측정방식은 기본적으로 높이측정의 한계치가 월등이 높고, 그 영역 안에서는 동일한 3D 해상도로 측정할 수 있기 때문에 높은 부품을 측정해도 윗부분과 아랫부분의 정밀도 차이가 매우 적다. 미르기술이 자체 개발한 Programmable 3D Projector의 패턴 구현 성능 덕에, 별도의 프로젝터를 추가하지 않아도 35mm까지의 넓은 영역에서 높은 부품을 측정하여 검사할 수 있다.
 

최근 몇 년 3D AOI의 성장은 눈이 부실 정도이다. 고성능 검사기를 요구할 수밖에 없는 전자 제조산업 기술의 고도화가 그 배경이다. 하지만, 기회는 시련을 이긴 자에게만 주어지는 법이다. 점점 격해지는 경쟁 속에서, 복잡해지는 PCB 구조와 다양한 검사 요구사항을 모두 충족하는 3D AOI만이 살아남을 것이다.
미르기술은 3D AOI 제조의 선도 기업으로서, 이 게임의 가장 유력한 플레이어 중 하나이다. 단순한 생존을 넘어 시장의 주도권을 잡기 위해 미르기술은 큰 도약을 준비했다. 여기 시장의 요구에 미르기술이 내놓은 대답을 보도록 하자.

시장의 성장과 요구사항

검사기 시장에 3D AOI가 처음 등장한 시기는 대략 2012년경이고, 2015년부터 폭발적인 시장 성장이 이루어지기 시작했다. 그리고 4년이 지난 2019년 현재는 완전히 주류 장비로 정착했다. 이 4년 간 3D AOI 시장은 놀라운 성장세를 보여 왔고, 그 덕에 검사기 제조사는 글로벌 경기의 경색(梗塞) 국면에도 불구하고 연 평균 매출 성장률 20%에 가까운 호황을 누려왔다. SMT 산업에서 품질에 대한 요구가 급격하게 증가하고 있는 것이 그 성장의 원동력이다.
품질에 대한 요구사항이 증가한 이유는 소비자들이 ‘더 나은 전자제품’을 원하고 있기 때문이다. 도시 인구 증가, 가처분 소득 증가 등의 이유로 고성능-고내구성의 가전제품에 대한 수요가 늘었다. 환경과 안전 규제로 인해 차량에 전자장치가 늘어나고, 전기차와 하이브리드 차량의 수요가 증가하면서 자동차 전장 시장도 폭발적으로 성장하였다. 이러한 제품들은 과거보다 기술적으로 진보한 만큼 더욱 구조가 복잡해졌다. PCB는 예전보다 소형화되고, 더욱 많은 부품을 사용하며, 다양한 종류의 부품이 실장된다. 이 현상은 3D AOI 시장의 성장을 견인한 원동력이지만, 동시에 3D AOI 검사기 제조업체가 풀어야 할 숙제이기도 하다.
작은 PCB에 여러 부품을 실장해야 하니 부품 자체가 작아진다. 03015(mm) 수준의 극소형 부품은 검사가 쉽지 않고, 솔더 조인트 검사는 더더욱 어렵다. 검사 부품 수가 늘어나니 밀집도가 높아지고, 부품 간 간섭이 심화된다. 이형 부품의 사용 비율이 높아지면서 높은 부품과 낮은 부품을 한 자리에서 검사해야 할 필요가 생겼다. 게다가 부품을 이루는 재질이 다양해졌기에 검사가 어려운 반사성, 흡광성(吸光性) 자재도 검사해야 한다.
지난 성장기 동안 수많은 3D AOI가 시장에 공급되었고, 이 글을 읽고 있는 여러분의 생산라인에도 3D AOI가 배치되어 있을 것이다. 그렇다면 여러분의 3D AOI는 이러한 요구사항을 충족할 만 한 성능을 가지고 있는가?

당신의 3D AOI는 얼마나 혁신적인가? 

3D AOI의 첫 등장으로부터 7년, 그 동안 장비 제조사들은 각자 제품의 성능을 향상시켜 시장의 요구를 충족시키기 위해 많은 노력을 기울였다. 카메라 해상도를 키우고, 더욱 정밀한 렌즈를 사용하며, 3D 프로젝터를 추가하거나 개선하고, 그 때마다 알고리즘을 최적화하거나 추가했다. 최근 들어서는 Smart Factory Solutions를 앞 다투어 개발하여 공개하고 있다.
제조사들의 노력과 그간의 변화는 고무적인 일이다. 그럼에도 불구하고, 사실 근본적인 부분에서는 최근의 3D AOI나 최초 출시된 3D AOI나 크게 차이가 없다. 왜냐하면 3D 구현 방식에 변화가 없이 처음 그대로이기 때문이다. 물론 장비의 핵심 기술을 업그레이드하는 것은 매우 어려운 일이고, 사용하는 기술에 문제가 없다면 그걸 굳이 변경해야 할 필요도 없는 것도 사실이다. 그렇다면 AOI의 3D 측정 기술에 변화가 없는 것은, 진짜로 그것이 최선이기 때문인 걸까?
현재 3D AOI 대다수는 Moire fringe pattern을 사용한 Phase shift 방식으로 3D를 측정한다(이하, Moire Technology). 이 기술은 검사 대상에 다양한 파장 / 각도 / 위치 정보를 가진 Fringe pattern을 투사하여 이미지를 획득, 조합 및 분석하여 3D로 복원하는 기술이다. 디지털 방식과 아날로그 방식으로 나뉘지만, 패턴을 형성하는 방식이 다를 뿐 Fringe pattern을 조합한다는 핵심은 동일하다. 구현이 쉬우면서도 정밀 측정이 가능하다는 장점 때문에 널리 쓰이고 있지만, 이 기술에는 근본적인 한계가 있다.
SMT 생산 현장에서 사용되고 있는 수많은 부품은 각기 다른 다양한 재질로 구성되어 있다. 그 재질에 따라 빛을 반사하기도 하고 흡수하기도 하며, 그 반사/흡수의 정도는 천차만별이다. 이 때문에 부품이 실장된 보드에 Fringe pattern을 투사하면 부품의 높이나 각도에 따라 빛의 산란, 포화, 손실이 쉽게 발생한다.
여기에서 Moire Technology의 한계가 드러난다. 정상적인 상황에서 Fringe pattern은 데이터로 치환했을 때 Sine 곡선으로 나타나는데, 이런 반사성/흡광성 자재에서 획득한 3D Data는 제대로 된 Sine 곡선을 그리지 못한다. 따라서 이런 부품을 측정한 Raw Data를 그대로 검사에 사용할 경우 정상적인 3D 형상 복원이 쉽지 않다.
이것이 특히 문제가 되는 이유는 Sine 곡선 데이터의 특성 때문이다. Moire Technology는 패턴 데이터의 조합이 필수인데, 서로 다른 Sine 곡선 데이터에 발생한 노이즈 부분이 겹쳐질 경우 곱연산으로 증폭되기 때문이다. 이것은 광학적인 한계와 알고리즘적 한계가 결합한 것으로, Moire technology가 3D 이미지를 구현하는 근본 원리 상 피할 수 없는 부분이다.
이 글을 읽는 여러분은 여기에서 이렇게 생각할 수도 있을 것이다. “내가 사용하는 3D AOI는 3D 이미지를 정상적으로 표시하던데?” 라고 말이다.
그것은 노이즈 필터링 때문이다. 광학 Noise 발생 의심 구간에 해당하는 Data를 취사 선택함으로써 정상적인 형태를 복원하는 소프트웨어 기술을 말하는데, 이 때 이 선택의 기준값을 합리적으로 설정함으로써 옳은 결과를 얻을 확률을 최대화하는 것이 바로 3D AOI 제조사의 노하우이고 기술력이다. 하지만 노이즈 필터링은 측정 Raw data의 일정 부분에서 어쩔 수 없이 손실이 발생하며, 특이 형태에 대한 대응력이 떨어지므로 항상 오검출의 위험을 감수해야만 하는 방법이다. 게다가 일부 제조사의 경우 여기서 그치지 않고 단순히 3D 디스플레이를 보기 좋게 하기 위해 3D 형태를 일부러 왜곡시키는 스무딩(Smoothing) 처리를 하기도 한다. 이 경우에 해당하는 제조사는 실제 검사를 위한 데이터는 보존한다고 항변할 수 있을 테지만, 사용자의 판단 착오를 불러올 수 있기 때문에 위험성이 없다고는 할 수 없다.

3D Hybrid Technology  

노이즈 필터링은 Moire technology의 한계를 극복하기 위한 수단이지만, 근본적인 해결책이 되지는 못한다. 이상적인 해답은 애초에 Raw data 획득 시 노이즈 발생을 최소화하는 것이다. 그래서 미르기술의 새로운 검사기 ‘ALPHA_AOI’는 측정 시 노이즈에 영향 받지 않는 신규 3D 측정 방식이 적용되었다.
기존의 기술을 버리지는 않았다. Moire technology는 앞서 언급했듯 구현이 쉽고 정밀한 측정이 가능한 장점이 있는 좋은 기술이다. 완벽한 상위호환에 해당하는 기술이 존재하지 않는 한, 기존의 측정 방식을 아예 버리고 새로운 기술을 적용한다면 그것은 쉽지도, 옳지도 않은 선택이 될 것이다. 그렇다면 마치 Hybrid 자동차가 화석연료 엔진과 전기 모터 방식을 결합한 것과 같이, 장단점이 상반되는 3D 측정 방식 두 가지를 결합해서 장점만 취하면 어떨까? 그래서 미르기술은 ALPHA_AOI에 그런 기술을 적용했고, 이 새로운 3D 측정 방식을 3D Hybrid Technology라고 명명하였다.
자동차 시장에서 Hybrid 기술은 엔진과 모터라는 서로 다른 두 구동계통을 상호보완적으로 운영하며, 그 결과 Hybrid 차량은 엔진 차량 대비 연비가 우월하면서 전기차보다 운영이 편리한 장점을 가지게 된다. 3D 측정에서의 Hybrid 기술도 마찬가지이다. 3D Hybrid Technology에 적용된 두 가지 3D 측정 기술 역시 상호보완적으로 작동한다. Moire technology와 함께 작동하는 새로운 측정방식은 광 노이즈에 약한 기존의 약점을 제거하여, 실제 형상에 매우 근접한 Raw Data를 확보할 수 있으며 그 결과 검사 정확도를 상당히 높일 수 있게 되었다.

그래서 무엇이 좋아졌는가?  

3D Hybrid Technology는 광포화(Light Saturation)나 그림자 현상(Shadowing)에서 기존 방식 보다 훨씬 정확하다. 솔더 조인트 검사는 광포화 현상에 약하며, 고집적 부품이나 높은 부품 인근의 부품 검사는 그림자 발생 시 오류 발생 확률이 높아지므로, 자연히 3D Hybrid Technology는 솔더 조인트 검사와 고집적 부품, 높은 부품 검사 시 매우 뛰어난 성능을 발휘한다. 이 항목들은 기존의 기술로도 검사가 불가능하지는 않았지만, 환경의 영향을 많이 받아 검사 신뢰성이 상대적으로 낮았던 항목이다. 하지만 3D Hybrid Technology는 소프트웨어에 의한 필터가 아니라 Raw Data 단계에서 정확한 3D 형상을 구현하므로, 검사 신뢰성을 근본적인 부분에서 끌어올렸다.
동일한 원리로, 3D Hybrid Technology에 의한 3D 측정은 PCB의 색상에 영향 받지 않는다. PCB가 흰색이든, 검은색이든 검사 결과값은 동일하다. 검사 대상이 되는 부품의 색상과 재질에도 영향 받지 않음은 물론이다. Object가 빛을 반사하든 흡수하든 3D Hybrid Technology는 그 형상을 그대로 측정하여 정확한 data로 보여준다.
3D Hybrid Technology는 높은 부품의 검사에도 탁월한 성능을 발휘한다. 물론 기존의 Moire technology 단일 방식을 사용한 3D AOI도 비교적 높은 부품을 검사할 수는 있었으나, 대다수의 제조사는 이 기능을 위해 (추가 비용이 소요되는)별도의 Projector를 장착해야 했으며, 그러고도 3D 측정 결과의 품질은 그다지 좋지 못한 경우가 많았다. 대표적인 현상은 높은 부품의 윗부분과 아랫부분 중 어느 한 쪽에 마치 가시와 같은 노이즈가 발생하는 것이다. 이는 Moire technology 방식에서의 높은 부품 측정이란 태생적으로 낮은 높이측정 한계값을 가진 패턴을 여러 가지로 조합하여 구현하는 것이기 때문에 발생하는 문제다.
반면 3D Hybrid Technology에 적용되는 새로운 측정방식은 기본적으로 높이측정의 한계치가 월등이 높고, 그 영역 안에서는 동일한 3D 해상도로 측정할 수 있기 때문에 높은 부품을 측정해도 윗부분과 아랫부분의 정밀도 차이가 매우 적다. 미르기술이 자체 개발한 Programmable 3D Projector의 패턴 구현 성능 덕에, 별도의 프로젝터를 추가하지 않아도 35mm까지의 넓은 영역에서 높은 부품을 측정하여 검사할 수 있다.

진화하는 3D AOI 

이 글의 서두에서 얘기했듯, 시장의 요구는 3D AOI를 성장시켰지만 동시에 시련이기도 하다. 여러 검사기 제조사들이 이를 극복하기 위해 노력을 거듭하고 있지만, 현재 그 양상은 시장의 요구를 힘겹게 뒤따라가는 모습이다. 하지만 전자 제조업은 너무도 빠르게 발전하고 있으며, 검사 요구사항도 그에 따라 계속해서 다양해질 것이다. 그러므로 그저 따라가기만 하는 검사기 제조사는 언젠가 도태될 뿐이다. 앞으로는 판을 바꿀 수 있는 제조사(game changer)만이 살아남을 것이다. 3D AOI는 진화해야 한다.
성장은 점진적이지만 진화는 한 순간에 이루어진다. 미르기술은 소소한 변화보다는 혁신을 선택했다. 물론 쉽게 이루어진 것은 아니다. 이 한 번의 진화를 위해서 오랜 기간 인내해왔다. 3D Hybrid Technology가 그 진화의 결과이고, 미르기술이 시장의 요구에 내놓은 답이다.
진화한 미르기술의 3D AOI가 궁금하다면, 오는 11월 12일부터 15일까지 독일 뮌헨 Neue Messe Munchen전시장 A2홀 413번 미르기술 부스를 방문하면 된다. 미르기술은 거기에서 여러분을 기다리고 있을 것이다.