AI기술 기반으로 성능 개선 이뤄내  

 

 

 

올해 SMT 업종의 3D AOI 투자는 많지도 적지도 않는 수준에서 이뤄졌을 것으로 보인다. 모바일, 가전 업종에서 이전과 같은 대량의 규모는 아니지만 소소한 단위로 생산라인 개선작업이 진행됐고, 해외 공장 중심의 투자가 주를 이뤘다. 코로나19 재확산에 따른 동남아시아 지역의 강력한 거리두기 정책은 생산설비 제조업체에게는 큰 아쉬움으로 남고 있다. 지난해에 연기되었던 설비 수요가 본격적으로 살아나기 시작하려는 시점이었기에 안타까움이 더 했다. 

2021년 가장 핫한 업종은 단연 반도체 후공정과 EV자동차 관련 전장이었다. 역대급의 투자를 집행한 OSAT 업체와 향후 10년간 생산증설 투자가 예상되는 EV배터리 업체는 생산설비 제조 및 공급업체들에게 관심의 대상이 되었다. 이들 업체를 주요 고객사로 확보한 설비업체와 그렇지 못한 회사는 현재 전혀 다른 분위기가 나오고 있다. 납품을 수주한 업체는 납기일을 맞추기 위한 연일 생산공장을 바쁘게 돌리는 반면, 아쉽게도 연을 맺지 못한 업체는 상대적으로 한적한 시간을 보냈다. 대규모 계약을 따낸 검사기 업체들은 올해 판매실적이 2019년도의 실적을 약간 상회하는 수준을 기록할 것으로 예상하고 있다. 검사기 업체들은 성공적인 한 해로 잘 마무리하고 싶은 마음이 크지만, 주요 업종의 투자분위기가 급변할 조짐이 나오고 있어서 마음을 놓지 못하고 있다. 특히, 올 4분기 반도체 산업 위축 전망이 많아지면서, 이와 관련해 반도체 후공정 업체의 설비투자 위축을 이어지지 않을까 걱정 어린 시선을 거두지 못하고 있다. 

 

글로벌 3D AOI 성장 예상  

 

해외 검사기 업체에 의하면, 올해 글로벌 3D AOI 시장은 지난해 대비 뚜렷한 성장세가 예상된다. 재택근무, 화상교육 등의 비대면용 가전기기 수요 확대가 이어지면서 반도체 업체들의 생산증설 움직임이 멈추지 않았다. 

국내시장에서는 경우에는 반도체 후공정, 전장 업종의 시장이 매우 활발한 모습을 보였다. OSAT 업체들은 원청사의 패키지 부품 수요 급증을 해소하기 위한 라인증설에 힘을 쏟았다. 업체 관계자의 말을 종합해 보면, 업체별로 50개씩 라인을 늘렸다. 역대급의 생산캐파 확대가 이뤄졌고, OSAT 업체와 납품 계약을 작성한 검사기 업체들은 매출증대라는 특수를 누렸다. 

전장 업종은 친환경 자동차 관련한 비즈니스에서 설비투자 수요가 나왔다. 대표적으로 EV배터리를 꼽을 수 있다. 국내 EV배터리 업체의 투자는 지속될 것으로 보인다. 지난 8월에 발표한 ‘K-배터리 발전 전략’에 따르면, 국내 배터리 기업은 미래 시장에서 글로벌 초격차를 이뤄내기 위해 2030년까지 설비(20조5000억원)와 연구개발(R&D, 20조1000억원)에 40조6000억원을 투자한다. 대규모 투자를 집행하는 이유는 EV배터리 수요 급증을 대비하기 위한 조치이다. 시장조사업체 SNE리서치에 따르면 글로벌 이차전지 시장 규모는 전기차 보급 확대에 힘입어 2020년 461억 달러에서 오는 2030년 3517억 달러 규모로 향후 10년간 8배 이상 성장할 것으로 전망된다. 특히 전기차용 이차전지(EVB)는 2020년 304억 달러에서 2030년 3047억 달러로 10배 이상 늘어날 것으로 예상된다. B 업체 관계자는 “EV배터리 업체의 투자가 많았다. 요즘 자동차는 대시보드 적용이 줄어들면서 이와 관련한 설비수요도 하락세를 보이고 있다. 그리고 대시보드가 디스플레이로 대체되고 있어서 이와 관련된 물량이 늘어나고 있다. 클러스터도 OLED로 가면서 이와 관련해 조금씩 늘어나고 있다. 전조등의 LED 교체 추세에 따른 수요도 나오고 있다”면서, 전장 업종에서의 AOI 니즈 변화 추세를 이야기했다. 

 

 

한편, 최근 반도체 경기 하락을 전망하는 보고서가 나오면서, 반도체 후공정 업체의 설비투자 위축을 전망하는 목소리도 나오고 있다. 코로나19의 수혜를 누렸던 메모리 반도체 경기가 올 하반기부터 꺾임세로 돌아설 것이란 전망이 많아지고 있다. 반도체 시장조사업체에서는 올해 4분기 D램과 낸드플래시의 가격이 3분기 대비 하락할 것으로 예상하고, 대형 고객사들이 재고 조정이 반도체 경기 둔화에 영향을 줬다고 분석했다. D업체 관계자는 “최근 백신접종율 확대, ‘단계적 일상회복(위드 코로나)’ 전환이 현실화되면서 비대면 가전기기의 수요가 주춤해지고 있다는 소식이 들려오고 있다. 스마트폰, 노트북, TV 등 소비자 전자제품의 출하량 감소는 이들 제품에 사용되는 메모리 모듈, D램 등의 가격 하락을 이끌 것이라는 전망이 나오고 있다. 올해 상반기 대규모의 라인증설 투자를 집행한 반도체 후공정 업체들이 내년 투자분에 대해서 아직 구체적인 계획을 잡지 못한 것으로 알고 있다. 최신의 시장전망보고에서 내년도 반도체 시장을 비관적으로 바라보는 시각이 많아서 관망의 자세를 취하고 있다”고 말했다. 

 

올해 생산설비 제조업체들은 공통된 문제에 당면해 있다. 생산설비용 일부 부품 품귀현상이 나왔다. 검사기 업체들 역시 부품 수급의 어려움을 토로하고 있다. 상반기에는 GPU를 확보하지 못해 어려움을 겪었으며, 중반기부터는 CPU 수급에도 빨간불이 켜져 있다. GPU의 경우 필수 부품이 아니기에 제조업체에서 받는 충격은 덜하다. GPU는 검사성능 업그레이드에 필요한 부품 중 하나이다. 사후지원만 약속한다면 고객사에서도 크게 문제삼지 않는다. 그런데 CPU는 다르다. CPU가 없으면 검사기의 PC를 제작할 수 없다. 요즘 검사기 PC는 해마다 고사양으로 진화를 거듭하고 있다. 정밀한 검사에 필요한 3D 이미지를 빠르게 구현해 내야 하고, 구현된 이미지를 토대로 불량 유무를 신속정확하게 판독하는 연산 알고리즘이 무거워지고 있다. 여기에 딥러닝의 AI 기술까지 접목되고 있다. 개인적으로 사용되는 PC의 수준보다 더 훨씬 높아야 한다. 고성능의 PC를 구축하기 위해서는 고성능의 CPU가 필수이다. 그런데, 최근 산업용 PC의 CPU 수급이 어려워지면서 납기가 연장이 불가피해질 것으로 예상된다. A 업체 관계자는 “납기 맞추기가 점차 어려워지고 있다. GPU 카드, CPU를 어렵게 구하고 있다. 자재 확보가 최상의 경쟁력이 되었다. 하물며, 철판 없다는 소리도 나오고 있다”면서, 원자재 확보에 비상이 걸렸음을 이야기했다. 

B 업체 관계자는 “설비 제작에 필수적인 부품이 동시다발적인 품귀현상이 올해 랜덤하게 나오고 있다”면서 “개인적으로, 비대면용 가전기기 수요 급증과 전장용 반도체 수급난을 해소하기 위해 산업용 반도체의 생산 순위가 뒤로 밀려서 품귀현상이 나온 것 같다”고 조심스럽게 예상했다. 

 

가전 업종은 전통적인 2D AOI 시장으로 여겨지고 있다. 그런데 이러한 인식이 조금씩 깨지고 있다. 근래 최첨단 IoT 기술이 접목된 가전기기가 연이어 출시되고, 고가의 제품들도 속속 등장하면서 3D AOI를 찾는 목소리가 강해지고 있다. 

일반적인 가전 기판은 넓은 PCB에 소수의 부품 및 칩/자재들이 띄엄띄엄 들어가 있었다. 최근에는 패키징 모듈이 들어가기 시작했고, 부품 및 자재들이 오밀조밀하게 장착되고 있다. 고가의 부품, 칩을 적용하는 비중이 높아지면서 보드의 가격이 높아졌다. 생산불량이 나면 폐기했던 기존 방식을 고수하기에는 경제적인 부담이 커졌다. 아울러, 원청의 검사 공정 스펙 강화가 지속되었다. 원청의 검사 스펙 대응과 불량률 감소에 따른 생산단가 하락을 목적으로 3D AOI 검사기를 요청하는 목소리가 커지고 있다. (주)미르기술의 신중엽 이사는 “근래 고가 및 최첨단 IoT 기술이 접목된 가전용 기판은 전장 보드와 유사한 부분이 많아지고 있다. 넓은 보드에 고가의 패키징 모듈, 칩, 자재들이 밀집도 있게 장착되고 있다”면서, “가전 업종에서는 2D AOI가 여전히 시장 중심에 있겠지만, 생산품종에 따른 3D AOI 수요가 당분간 유지될 가능성이 높다”고 예상했다. 

검사기 업계에 따르면, 미니/마이크로LED 관련한 3D AOI 검사 요구가 강하게 나오고 있다. 특히, 올해는 미니LED에 대한 이야기가 많이 들리고 있다. 미니LED는 화면의 밝기를 개선하기 위해 백라이트 부위에 들어가고 있다. 미니LED는 기존 LED보다 얇고 가벼우면서 명암비가 크게 개선되는 효과가 있다는 점에서 TV, 스마트폰을 포함한 휴대용 기기에 들어가기 시작했다. 미니LED TV 업계에서는 대형 보드에 수십만점의 미니LED가 제대로 색상을 구현하는지에 관한 검사를 3D AOI가 해결해 주기를 원하고 있다. LED 자체 발광으로 인한 2D 검사기의 적용 한계를 이유로 들어, LED 형광체의 체적, 미니LED 장착 정도와 틀어짐 위치를 계측하여 검사할 수 있는 대응 검사기를 찾고 있다. 대형이면서 얇은 재질 위에 수십~수백만점 장착된 미니LED를 신뢰성 및 반복성 있게 검사하는 솔루션을 요청하고 있다. 검사기 업체들은 미니LED 관련 업체의 요청사항을 맞추기 위한 노력을 집중하고 있다. 

 

 

고해상도 3D AOI에 대한 관심이 높아지고 있다. 업계에서는 검사기의 해상도 별로 시장을 구분하고 있다. 10㎛ 레졸루션급의 설비는 대량으로 소형부품을 생산하는 업종에 적합하고, 3~5㎛급은 반도체 후공정, 1㎛급은 반도체 전공정에 맞다고 말하고 있다. 

모바일 디바이스에 탑재되는 칩의 패키징 방식은 Advanced Packaging으로 발전하고 있다. 특히 모바일 디바이스의 Form Factor가 폴더블, 롤러블, 웨어러블 등 다양한 형태를 띠게 된 것이 결과적으로 반도체 후공정의 복잡성(Complexity)을 요구하고 있다. 이 같은 복잡성에 대응하는 고해상도의 3D AOI 니즈가 강해지고 있다. 이 같은 기술변화로 인해 올해 형성된 주요 시장 대부분에서 고해상도의 3D 광학검사기를 찾고 있는 까닭에 모든 업체들이 성능 개선에 집중하고 있다. SiP 공정에 필요한 3~5㎛급의 양산성과 검사 신뢰성에 향상에 노력하고 있다. 이 수준의 검사기는 마이크로범프 검사, 초소형 부품 검사, SiP 검사, 웨이퍼레벨 스택 검사, 미세 크랙 검사용 활용되고 있다. 휴먼텍의 신태양 상무는 “하이엔드 업종의 요구사항이 매우 까다롭다. 경면(鏡面) 및 빛 반사 자재 사용이 많은 곳이기에 확실한 빛 반사억제 기술이 요구되고 있다. 대응 컨셉트를 잘못 잡으면 상당히 고전할 수 있다”고 조언했다. 

 

 

 

 

검사기 업체들은 일반 SMT용 3D AOI 시장은 포화상태에 이른 것으로 판단하고 있다. (주)미르기술의 신중엽 이사는 “그동안 급성장을 이어오던 해당 시장은 2018년말부터 성장세가 둔화되기 시작했다. 3D 광학검사기가 필요한 업체 대부분은 구매를 완료하였고, 최근 몇 년간은 소량의 추가구매에 힘을 입어 성장세를 유지했다. 현재 검사기 구매 여력이 남아 있는 업체는 EMS, 자동차 전장의 1차 협력사 정도인데, 그나마 규모면에서는 예전보다 대폭 줄어들었다”면서 “개인적으로, 3D AOI 성장동력이 여전히 존재해 지속 성장을 거듭하겠지만, 상승 곡선을 이전과 달리 완만한 모습을 보일 것”이라고 전망했다. 모든 검사기 업체들이 이 의견에 동조하고 있다. 

시장포화로 인해 검사기 업체들은 새로운 먹거리 창출에 나서고 있으며, 올해는 더욱 가속화되고 있다. 보유한 광학기술과 3D 검사기술을 응용하여 Press-Fit Pin 검사기, UV 코팅 검사기, 웨이퍼 범프, 와이어 본딩 검사기 등의 전용 검사기를 경쟁적으로 출시 및 개선해 나가고 있다. 시장 규모면에서는 SMT 업종에 비할 바 못 되지만, 하이엔드 업종용 설비인 만큼 제값을 받을 수 있어서 수익 창출면에서는 더 유리하다. 더불어 광학 기술의 제약을 극복해내야 하는 높은 기술력이 필요한 영역이기에 시장선점효과를 제대로 누릴 수 있다. TRI 시흥등 부장은 “광학기술과 3D 원천기술을 활용한 새로운 응용시장을 찾아 나서는 움직임이 더욱 구체화되고 있다. 컨포멀코팅기, MOI, 반도체 와이어 본딩기 등과 같은 전용 3D AOI들이 파생되어 나오고 있다. 3D 광학검사기 업계 전반에 걸쳐 진행되고 있는 커다란 기류이다”고 설명했다. 

 

 

생산현장에서의 3D AOI에 대한 기술적 요청은 다양하게 나오고 있다. 하나는, 반복정밀도 개선이다. 2D AOI는 애초에 반복정밀도를 측정하기가 어렵다. 측정치에 대한 개념이 높지 않기 때문이다. 3D AOI로 넘어가면서 수치화되면서 정밀도, 반복도 이야기가 나오기 시작했다. 2~3년만해도 반복정밀도 측면에서 생산현장에서는 어느 정도의 오차를 인정해주는 분위기였다. 그런데 이제는 달라졌다. 눈이 높아졌다. 반복정밀도가 낮으면 구매대상에서 배제하기 일쑤이다. 원청에서 품질 제고를 목적으로 검사 스펙을 상당히 높은 수준까지 올렸다. 부품이 더 작아지고 더 비싸진 탓이다. 원청의 검사 압박에 대응하기 위해 협력사 및 EMS 업체들은 고 신뢰성의 높은 반복정밀도 검사기를 찾고 있다. 

다른 하나는, PCB 색상의 컬러화 대응이다. 예전의 PCB의 컬러화가 다시 고개를 들고 있다. 한때 파란색, 검정색, 빨간색 등의 다양한 PCB 제품이 나왔다. 그 당시 검사기 업체들은 골머리를 썩었다. 광학검사기가 이미지를 찍어서 데이터를 취득하는 구조이기에 PCB색상에 따라 부품, 자재의 이미지 획득률이 현저하게 떨어지는 경우가 발생한다. 프로젝션의 세기에 따라 밝은 PCB는 반사, 어두운 PCB는 흡수하는 현상이 나온다. 따라서 가장 일반적인 녹색계열의 PCB에 맞춰 설계된 검사기를 PCB색상에 최적화된 조명으로 조정해야 하고, 검사알고리즘도 개선도 필요하다. 검사 프로세스의 노하우가 크게 빛을 내고, 더불어 소프트웨어적으로도 받아들이는 이미지를 분리할 수 있는 기술이 요구된다. 

미세 크랙 이야기도 자주 들었다. 최근에는 SMT 공정에서도 고해상도 검사기의 필요성이 조금씩 부각되고 있다. 검사기 업계에서는 미세 크랙류를 검사에 필요한 필수 조건으로, 2D 검사 알고리즘과 설비 내의 최적화된 조명 기술을 꼽았다. SAKI코리아의 김규섭 지사장은 “전장, 모바일 업종에서 최근 미세 크랙을 검사 항목으로 추가하려는 움직임을 보이고 있다. 특히, 솔더링 크랙뿐만 아니라 MLCC/BGA 등의 칩 자체의 미세한 크랙 검사항목에 포함시키고 있다”면서, “특화된 조명기술과 내공 있는 2D 검사 알고리즘이 적절하게 조화를 이뤄야만 해당 요청에 대응할 수 있다. 2D 기술 노하우가 높은 업체가 유리할 것”이라고 말했다.

한편, 검사기 업체들은 3D AOI의 난제로 여겨지는 여러 검사항목들 중에서 하나의 항목에 집중해 극복하려는 노력을 기울이고 있다. 한 번에 모든 검사항목을 개선하는 게 현실적으로 불가능하다고 보고, 보유하고 있는 원천기술을 이용해 극복할 가능성이 크다는 항목을 선정해 연구개발을 진행해 왔고, 최근 하나 둘 그 결과물을 내보이고 있다. 이를 차별화 포인트로 내세우고 있다. 이들 업체들은 공통적으로 검사 대상의 raw 이미지 획득과 동시에 획득 이미지를 토대로 신속 및 정확하게 판독하는 기술이 중요하다고 여기고 있다. 그래서 모든 업체들은 검사항목별 조금씩 다른 최상의 조명계와 딥러닝 기반 AI 기술을 접목하여 솔루션의 완성도를 높였다.

 

검사기 업체들의 AI기술 적용 확대노력은 올해도 이어지고 있다. 모든 업체들이 사용의 편의성 극대화를 위해 AI 기술을 접목시켰었다. 그 결과 요 몇 년 사이 ‘Auto teaching’, ‘디버깅’ 등의 기능이 개선을 거듭해 왔다. 검사기 업체들은 AI 기술을 검사기 성능 개선을 위해서도 적용하는 연구개발에 힘을 써왔다. 업체들마다 진일보시킨 성능들을 내세우고 있다. 난반사, 냉납, OCR 문자인식 등의 검출력을 높여 가성불량을 낮춰가고 있다. C 업체 관계자는 “AI기술 적용 최종 목표는 가성불량 없이 모든 불량을 검사기가 자동으로 판독하는 수준이다. 아직 목적지까지 가는 길이 많이 남아 있지만, 하나씩 AI 기술을 활용하다 보면, 어느 시점에서는 가속이 붙어 생각보다 빠르게 도달할 수도 있다”면서, 검사기 업체들의 지속적인 연구개발에 노력할 것이라고 예상했다.