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기술동향 <기술동향: 계측기> 산업용 계측 기술 동향

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작성자 댓글 0건 조회 2,205회 작성일 21-09-03 13:10

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그림 1. 반도체 제조 공정 



서론

18세기 증기기관의 발명과 함께 시작된 산업혁명은 19세기와 20세기 초 전기 에너지 기반의 대량 생산 혁명인 2차 산업혁명과 20세기 후반 컴퓨터와 인터넷 기반의 지식정보 혁명인 3차 산업혁명을 거쳐 최근에는 인공지능, 사물 인터넷, 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터, 모바일 등 지능정보기술이 기존 산업과 서비스에 융합되거나 3D 프린팅, 로봇공학, 생명공학, 나노 기술 등 여러 분야의 신기술과 결합되는 4차 산업혁명(1) 시대에 이르렀다.


산업용 계측 분야는 산업혁명의 발전과 함께 꾸준히 발전해왔고, 초기에는 완성된 제품의 불량 검출에 주로 활용되었으나, 점차 제조 공정 단계에서 다양한 종류의 작은 산업용 부품을 보다 정밀하게 계측할 필요가 증가하면서 다양한 산업용 계측 기술이 발전되었고, 그 활용 분야도 점차 확대되었다. 산업용 계측 기술을 통해 제품의 생산 수율이 높아졌고, 제품의 완성도 또한 크게 개선될 수 있었다. 그동안 산업용 계측이 2차원적인 계측만을 필요로 했던 반면에, 산업 기술의 발전과 함께 최근에는 3차원 계측에 대한 요구도 점차 높아지고 있고, 최근에는 딥러닝 기술과 다양한 접목도 시도되고 있다.

본고에서는 대표적인 산업용 계측 시장과 기술을 소개하고, 4차 산업혁명 시대를 넘어 산업용 계측 기술이 나아갈 방향에 대해 소개한다.


산업용 계측 시장

(1) 반도체 산업

흔히 반도체를 전자 산업의 쌀이라고 표현한다. 이는 전자 장비에 반도체가 거의 필수적으로 사용되고 있기 때문이고, 그 시장은 해마다 급속도로 증가하고 있다.


<그림 1>의 반도체 제조 공정은 크게 웨이퍼(Wafer) 제조 공정과 반도체 칩 제조 공정으로 구분된다. 여기서 웨이퍼란 반도체를 만드는 토대가 되는 얇은 판으로, 그 위에 반도체 칩을 만든다. 이때 웨이퍼의 상태가 반도체의 정밀도에 영향을 미치기 때문에 웨이퍼 상태를 검사하기 위해 산업용 계측 기술이 활용되고 있다.


반도체 칩 제조 공정은 웨이퍼에 각종 전기적 소자를 집적하는 공정으로, 하나의 반도체 칩에 수백만 개의 전기적 소자가 집적되는 매우 정밀한 공정이고, 최근에는 나노급 수준까지의 정밀도가 높아져 이에 적합한 산업용 계측 기술이 필요하다. 또한, 적층 방식의 반도체 집적 기술이 발전됨에 따라 3차원 계측에 대한 필요성도 점차 대두되고 있다. 


(2) 디스플레이 산업

디스플레이는 TV나 휴대폰 화면과 같이 각종 전자기기에서 영상 정보를 표현하는 화면 표시 장치이다. LCD와 OLED 기술이 대표적이며, 특히 제조 원가가 높은 OLED 패널 제작 시에 산업용 계측기술이 활용되어 높은 수율에 기여하고 있다. 또한, 화질 향상을 위해 패널의 픽셀 피치가 점차 작아짐에 따라 고정밀 화소에 대한 계측뿐만 아니라 커버글라스와 같은 부속품도 수율과 품질 향상을 위해 산업용 계측 기술을 적용한다. 이외에도 <그림 2>의 디스플레이 제조 공정 중 패널과 회로기판을 ACF(Anisotropic Conductive Film, 이방성전도필름)을 이용하여 접착하는 공정에서 접합 상태를 확인하기 위한 압흔 검사에도 산업용 계측 기술이 활용되고 있다.


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그림 2. 디스플레이 모듈 제조 공정
 



디스플레이 분야는 반도체 분야에 비해 요구되는 계측 정밀도는 낮지만 검사 대상인 패널의 크기가 상대적으로 커서 빠른 검사에 대한 요구가 높은 편이다.


(3) 카메라 모듈 산업

휴대형 모바일 장치의 보급과 함께 카메라 모듈도 꾸준히 그 수요가 증가하고 있다. 휴대폰뿐만 아니라 태블릿, 노트북 컴퓨터, AR 글래스, 심지어 아동용 장난감에도 활용되고 있고, 그 성능 또한 점차 개선되어 이제는 DSLR과 큰 차이가 없는 수준에 이르렀다.

카메라 모듈은 보통 렌즈 모듈, 자동 초점 조절 장치, 적외선/블루 파장 차단 필터, 이미지 센서, RF-PCB 모듈, ISP(Image Signal Processor) 등으로 구성되어 있다. 카메라 모듈 제조의 핵심 공정은 렌즈와 같은 광학 부품과 이미지 센서와 같은 전자부품을 접합 및 조립하는 공정이다. 최근에는 하나의 장치에 여러 개의 카메라 모듈이 사용되는 경우도 많아 단일 카메라 모듈에 대한 소형화가 필수적이다. 카메라 모듈에 대한 검사는 주로 조립 과정 중에 유입될 수 있는 이물질에 대한 검사와 소형 광학 부품의 정밀도 검사가 주를 이룬다. 그리고 마지막으로 완제품의 성능 검증을 목적으로도 산업용 계측 기술을 활용하고 있다.


(4) PCB 산업

PCB(Printed Circuit Board)는 절연 기판 위에 구리와 같은 전기적 신호를 전달할 수 있는 도체를 이용하여 각종 전자 부품을 연결한 회로판이다. PCB 기술은 각종 전자기기의 소형화에 가장 큰 공헌을 한 기술로 PCB에 실장되는 전자 부품의 소형화와 함께 효과적인 집적도가 곧 성능을 좌우한다. 최근에는 대부분의 전자기기에 배터리가 함께 탑재되어야 하므로 PCB의 집적도에 대한 요구사항은 더욱 높아지고 있다.

PCB 제조 공정상의 불량 검출을 위해 사용되는 AOI(Automated Optical Inspection)와 SPI(Solder Paste Inspection)가 대표적인 산업용 계측 기술이다. 공정상 초기 불량 검출을 통해 불필요한 후공정을 줄이고 원재료를 절감함으로써 생산성을 높일 수 있다. 

기존에는 2차원 계측 기술이 주로 활용되었으나 최근에는 3D AOI, 3D SPI와 같이 3차원 계측 기술도 보편화되고 있다. 즉, PCB에 실장되는 부품의 높이에 대한 측정도 필요해졌다는 의미이다. 3차원 계측을 위해서는 보통 여러 개의 계측 모듈을 이용하여 여러 각도에서 계측 정보를 획득하고, 이를 하나로 모아서 3차원 모델링을 하는 기술을 이용한다. 이는 토모그래피 기술의 원리와 유사하다. 3차원 계측은 보다 정밀한 계측을 가능하게 한다.


(5) 이차전지 산업

이차전지란 흔히 배터리로 표현되는데 한 번 쓰고 재사용이 불가능한 전지를 일차전지라고 하고, 충전을 통해 여러 번 사용할 수 있는 전지를 이차전지라고 한다. 휴대폰과 같은 소형 모바일 기기부터 전기 자동차와 같은 대형기기까지 다양한 전자기기에 활용되고 있다.

최근 몇 년 사이 스마트폰의 배터리 폭발 사고나 전기 자동차의 화재 사고가 발생하면서 이차전지의 안전성에 대한 인식이 높아지고 있고, 산업용 계측을 이용한 이차전지의 안정성 검사로 그 해결책을 모색하고 있다.

이차전지에 대한 검사는 외관 검사와 X-선을 이용한 비파괴 내부 검사가 일반적이며, 이외에도 이차전지의 화학적 성능 검사도 수행한다. 이차전지 검사를 위한 산업용 계측은 제조 공정보다는 주로 제조 후 완제품에 대한 불량 검출에 더 초점을 맞추고 있다.


(6) 스마트 팩토리 산업

스마트 팩토리란 인공지능을 기반으로 한 시스템을 통해 물품의 주문에서 생산 및 발주까지 완전히 자동화된 공장 기술이다. 스마트 팩토리는 공장을 관리 감독하는 최소한의 인력 외에는 완전히 무인으로 운영이 가능하다. 스마트 팩토리는 고령화와 저출산으로 인해 노동 인력이 감소하고 있고, 산업 기술의 발전에 따라 자동화된 기계의 생산 효율성이 높아지고 있기 때문에 점점 보편화될 것으로 예상된다.

스마트 팩토리가 효율적으로 가동되기 위해서는 공장 내에서 산업용 계측 기술에 기반한 인식 및 감지 기술과 각 제조 공정에 대한 검사 과정이 필수적이다. 아직은 제조 복잡도가 높지 않은 제품에 대해서 선행적으로 보급되고 있지만, 산업 계측기술의 정밀도와 속도 향상 및 가격 경쟁력이 확보된다면 보다 더 많은 제품에 대해 스마트 팩토리가 보급될 것으로 예상된다.



..후략 


오관정, 추현곤 / ETRI 실감미디어연구실

임용준 / ETRI 디지털홀로그래피연구실

본 기사는 2021년 9월호에 게재되었습니다. 


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