가시광에서 사라지는 결함이 있다 — SWIR 이미징이 1 μm 장벽을 넘은 뒤의 검사 설계

OPTICS · LIGHTING

투명 커버 안쪽의 이물, 사출품 내부의 보이드, 다층 필름의 층간 박리. 이 세 가지는 가시광 카메라로는 원리적으로 잡기 어렵습니다. 대상 재질이 가시광에서는 불투명하거나 반대로 완전히 투명해서, 결함과 배경 사이에 흡수 차이가 만들어지지 않기 때문입니다. 콘트라스트가 없는 곳에서는 어떤 알고리즘도 결함을 만들어내지 못합니다.

이 상태를 방치하면 생기는 비용은 명확합니다. 조립 후에야 발견되는 내부 이물은 완제품 폐기로 이어지고, 다층 필름의 층간 결함은 최종 사용 단계에서 기능 불량으로 드러납니다. 검사 공정을 통과했다는 사실이 품질을 보증하지 못하는 구간이 생기는 것입니다.

해법은 알고리즘이 아니라 파장을 바꾸는 것입니다. SWIR 이미징(Short-Wave InfraRed, 단파장 적외선, 약 900~1700 nm) 대역에서는 실리콘과 일부 플라스틱, 물이 가시광과 전혀 다른 투과와 흡수 특성을 보입니다. 가시광에서 불투명한 것이 SWIR에서 투명해지고, 가시광에서 구분되지 않던 두 물질이 SWIR에서는 명확한 흡수 밴드 차이로 갈라집니다.

콘트라스트가 없을 때 가장 먼저 의심할 것은 알고리즘이 아니라 파장 선택입니다.

SWIR는 적외선 열화상이 아니다

Point. SWIR 이미징 검사에서 가장 흔한 오해는 이것을 열화상(LWIR)과 같은 범주로 보는 것입니다.

Reason. LWIR(8~14 µm)은 대상이 스스로 방사하는 복사를 봅니다. 따라서 조명이 필요 없는 대신 온도 대비만 얻습니다. SWIR는 그 반대입니다. 상온 물체의 자체 방사가 무시할 수준이므로 반드시 SWIR 대역 조명이 필요하고, 그 대가로 가시광과 동일한 반사 및 투과 이미지를 얻습니다. 즉 SWIR는 조명 설계가 성패를 가르는, 본질적으로 머신비전적인 대역입니다.

Example. 물은 1450 nm 부근에 뚜렷한 흡수 밴드를 가집니다. 이 때문에 젖은 영역은 SWIR에서 검게 나타나고, 같은 색의 마른 영역과 명확히 분리됩니다. 반대로 실리콘은 1100 nm 이상에서 투과성이 급격히 커져, 웨이퍼 내부를 들여다보는 창이 열립니다. 이 두 현상은 조명 파장을 선택한 결과이지 알고리즘의 산물이 아닙니다.

Point. SWIR 도입 검토서의 첫 줄은 카메라 사양이 아니라 대상 재질의 SWIR 대역 투과와 흡수 프로파일이어야 합니다.

1 µm 장벽과 픽셀 피치 — 왜 지금인가

Point. SWIR가 오랫동안 특수 장비로 남았던 이유는 성능이 아니라 픽셀 피치와 단가였습니다.

Reason. SWIR 감지는 InGaAs 화합물 반도체 포토다이오드가 담당하고, 신호 읽기는 실리콘 회로가 담당합니다. 두 칩을 접합해야 하는데, 전통적 범프 본딩(bump bonding)은 접합 패드 크기 때문에 픽셀 피치를 작게 만들지 못했습니다. 결과적으로 해상도를 올리면 센서 면적이 커지고, 센서가 커지면 광학계도 단가도 함께 커지는 악순환이 있었습니다.

Example. Cu-Cu 접합(구리 패드 직접 접합)을 적용한 적층형 SWIR 센서 기술이 이 제약을 풀었습니다. 미세 피치 접합이 가능해지면서 산업용 CMOS에 가까운 픽셀 크기와 메가픽셀급 해상도가 동시에 성립하게 됐습니다. 여기에 더해 최근 센서군은 응답 대역을 400~1900 nm까지 확장해, 가시광과 SWIR를 하나의 센서로 동시에 다루는 구성이 가능해졌습니다. 1 µm 장벽이란 이 가시광-SWIR 연속 응답을 가리키는 말입니다.

Point. 실무적 의미는 명확합니다. 과거에는 가시광 카메라와 SWIR 카메라를 별도 스테이션으로 두고 정합 오차와 싸웠지만, 이제는 동일 광축에서 파장만 바꿔 두 장을 찍는 설계가 열렸습니다.

조명이 먼저다 — SWIR 셋업의 실패 지점

Point. SWIR 시스템 도입 실패의 대부분은 카메라가 아니라 조명과 렌즈에서 발생합니다.

Reason. 첫째, 일반 머신비전 렌즈는 가시광 대역에 맞춰 코팅과 색수차 보정이 되어 있어 SWIR에서 초점 위치가 달라지고 투과율도 떨어집니다. SWIR 전용 또는 가시광-SWIR 비색수차(apochromatic) 렌즈가 필요합니다. 둘째, SWIR LED는 가시광 LED 대비 광출력 단가가 높아 조도 설계가 빠듯해집니다. 셋째, 투과 조명이 필요한 용도(내부 이물, 층간 박리)에서는 백라이트 균일도가 그대로 검출 하한을 결정합니다.

Example. 다층 포장 필름의 층간 박리 검사를 가정하면, 1450 nm 대역 투과 조명에서 박리부는 공기층 때문에 산란이 증가해 어둡게 나타납니다. 이때 백라이트 균일도가 ±10%면 박리 신호(통상 수 % 수준의 투과율 차)가 균일도 편차에 묻힙니다. 균일도 ±2% 이하가 실질적 요구 사양이 됩니다.

Point. 즉 SWIR 검사에서 조도와 균일도는 밝기 문제가 아니라 검출 하한을 직접 정의하는 사양입니다. 소프트웨어 보정으로 하드웨어 조명 균일도를 대체할 수 있다고 보아서는 안 됩니다.

파장을 바꾸면 보이는 것이 바뀝니다. 그러나 조명을 바꾸지 않으면 파장을 바꾼 의미가 사라집니다.

핵심 골격 — 최소 불량 사이즈 / 광학 셋업 / 알고리즘 매칭표

구분	항목	사양 / 파라미터	근거·비고
① 최소 불량 사이즈	투명 커버 내부 이물	최소 직경 100 µm	투과 이미지 기준, 3 px 이상 점유 필요
① 최소 불량 사이즈	다층 필름 층간 박리	최소 면적 500 µm x 500 µm	투과율 차 약 3~5% 가정, 실측 검증 필요
① 최소 불량 사이즈	잔류 수분 영역	최소 직경 200 µm	1450 nm 흡수 밴드 활용
② 광학 셋업	카메라	InGaAs 기반 SWIR 센서, 5 MP급, 픽셀 피치 5 µm 내외	Cu-Cu 접합형 적층 센서 전제
② 광학 셋업	대역	900~1700 nm (광대역형은 400~1900 nm)	가시광 동시 취득 시 광대역형 선택
② 광학 셋업	렌즈	SWIR 대응 또는 VIS-SWIR 비색수차, 초점거리 35 mm, F/4	가시광 전용 렌즈 전용(轉用) 금지
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	200 mm 이상 확보 필수	투과 조명 백라이트 구조물과의 간섭 실측 확인
② 광학 셋업	조명	1450 nm 투과 백라이트, 균일도 ±2% 이내	균일도가 검출 하한을 직접 결정
② 광학 셋업	배율·FOV	FOV 120 mm x 90 mm, 33 µm/px	100 µm 이물이 3 px 점유
③ 알고리즘	전처리	플랫필드 보정(백라이트 프로파일 나눗셈)	균일도 잔차 제거
③ 알고리즘	밴드 연산	1450 nm / 1200 nm 2밴드 비율 영상	두께 변동과 흡수 변동 분리
③ 알고리즘	검출 임계	비율 영상 로컬 편차 3σ 초과	σ는 정상품 30장 기준 재추정
③ 알고리즘	결함 최소 면적	연결 성분 9 px 이상	단발 핫픽셀 제거

표 시사점. ②의 조명 균일도 ±2%와 ③의 검출 임계 3σ는 사실상 같은 숫자를 양쪽에서 쓰고 있습니다. 조명 균일도가 ±5%로 완화되면 3σ 임계는 자동으로 무의미해지며, 알고리즘 측에서 임계를 올려 대응하는 순간 100 µm 이물은 검출 대상에서 빠집니다.

관련 특허 (실존 확인분)

특허번호	명칭	출원인(assignee)
US 11,063,079 B2	Germanium based focal plane array for the short infrared spectral regime	TriEye Ltd.
US 12,100,725 B2	Germanium based focal plane array for the short infrared spectral regime (동일 패밀리 연속출원)	TriEye Ltd.
US 7,655,908 B2	Enhanced vision system sensitive to infrared radiation	Teledyne FLIR, LLC (합병 승계)

출원인이 명시적으로 확인되지 않은 특허는 인용에서 제외했습니다.

반대 접근이 유리한 조건

• 결함이 표면 형상에 국한되는 경우(스크래치, 찍힘): SWIR의 투과 이점이 없으므로 가시광 각도 조명 또는 편향법이 유리합니다.
• 고속 라인에서 광량 확보가 어려운 경우: SWIR 조명 단가와 출력 제약 때문에 노출 시간이 병목이 됩니다. 가시광 대역에서 콘트라스트를 만들 여지가 조금이라도 있으면 그쪽이 경제적입니다.
• 대상이 SWIR 대역에서 흡수 차이를 보이지 않는 재질 조합인 경우: 파장을 바꿔도 얻는 것이 없습니다.

재질별 SWIR 투과와 흡수 특성은 첨가제, 안료, 두께에 크게 좌우되므로, 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 체크포인트

• WD 200 mm 이상이 실측으로 확보되는가 — 투과 백라이트 하우징과 반송 기구를 포함해 확인할 것.
• 대상 재질의 SWIR 대역 투과 스펙트럼을 실측했는가 — 데이터시트의 일반 수지 값이 아니라 실제 로트 샘플로 확인할 것.
• 렌즈가 SWIR 대역에서 검증된 제품인가 — 가시광 렌즈 전용 시 초점 이동과 투과율 저하가 동시에 발생합니다.
• 백라이트 균일도를 ±2% 이내로 실측했는가 — 플랫필드 보정 전 원본 기준으로 측정할 것.
• 가시광-SWIR 동시 취득 구성이라면 두 파장에서의 초점 위치 차이를 확인했는가.