어제와 같은 임계값이 왜 오늘은 놓치는가 — LED 조명 광출력 열화와 온도 드리프트 관리 설계

LIGHTING / RELIABILITY

검사 레시피는 대개 셋업 당일의 조명 밝기를 기준으로 만들어집니다. 임계값, 노출, 골든 샘플 영상이 모두 그날의 광량에 맞춰 고정됩니다. 그런데 LED 조명은 운전 시간이 쌓이면서 광출력이 서서히 줄고, 하루 안에서도 접합 온도에 따라 밝기가 오르내립니다. 레시피는 그대로인데 레시피가 전제한 빛이 바뀌는 것입니다.

이 변화가 위험한 이유는 조용하기 때문입니다. 밝은 결함을 절대 계조 임계로 잡는 검사에서 광출력이 15 % 떨어지면, 결함 신호가 임계 아래로 내려가 불량이 그대로 통과합니다. 알람도, 과검출 증가도 없습니다. 수율 지표는 오히려 좋아 보이고, 문제는 고객 측 입고 검사나 필드 불량으로 돌아온 뒤에야 드러납니다. 그 시점에는 몇 주 치 생산분이 추적 대상이 됩니다.

해법은 조명을 “항상 같다”고 가정하지 않고 측정 대상으로 다루는 것입니다. FOV 안에 기준 패치를 두어 매 프레임 광량을 감시하고, 정전류 구동과 방열로 드리프트 폭 자체를 줄이며, 관측된 열화율에서 재보정 주기를 역산합니다. 이 세 가지가 맞물려야 임계값이 셋업 당일의 의미를 유지합니다.

조명 열화가 만드는 불량 유출은 알람이 울리지 않는 방향으로 먼저 진행됩니다.

1. 광출력 저하는 어느 방향으로 검사를 무너뜨리는가

Point. 광량 저하의 영향은 결함의 극성과 임계 방식에 따라 과검출과 미검출 중 한쪽으로 나타나며, 위험한 쪽은 미검출입니다.

Reason. 영상의 계조는 대체로 조명 광량에 비례합니다. 광량이 k배가 되면 배경과 결함 신호가 함께 k배가 되지만, 절대 계조로 고정된 임계는 움직이지 않습니다. 어두운 배경 위의 밝은 결함을 “계조 > 임계”로 잡는다면 광량 저하는 결함 신호를 임계 쪽으로 끌어내려 미검출을 만듭니다. 반대로 밝은 배경 위의 어두운 결함을 잡는 검사에서는 배경이 임계에 가까워지며 과검출이 늘어납니다. 과검출은 작업자가 먼저 알아채지만, 미검출은 아무도 알아채지 못합니다.

Example. 광택 흑색 사출 하우징의 백색 이물 검사를 가정하겠습니다. 배경은 약 120 계조, 이물은 약 210 계조, 임계는 180 계조입니다. 이물 신호와 임계 사이의 여유는 (210 − 180) ÷ 210 ≈ 14.3 %입니다. 광출력이 10 % 떨어지면 이물은 189 계조로 아직 검출되지만, 15 % 떨어지면 178.5 계조가 되어 임계 아래로 내려갑니다. 광택 수지는 정반사 성분이 커서 이물과 배경의 계조 자체가 조명 각도에 민감하므로, 이 여유 값은 샘플 테스트 전 확언 불가이며 실측으로 다시 잡아야 합니다.

Point. 조명 감시의 알람 한계는 임계 여유보다 안쪽에 두어야 합니다. 이 예에서는 −10 % 정지 한계가 14.3 % 여유보다 먼저 걸리도록 설계해야 조용한 유출을 막을 수 있습니다.

2. 기준 패치 모니터링 — 추이의 모양이 원인을 말해 준다

Point. FOV 모서리에 고정한 기준 패치 하나가, 조명 상태를 매 프레임 측정하는 가장 값싼 광량계가 됩니다.

Reason. 기준 패치는 제품과 같은 조명·렌즈·센서 경로를 통과하므로, 조명 열화뿐 아니라 커버 유리 오염이나 노출 설정 변경까지 한 숫자로 드러냅니다. 반사율이 알려진 확산 회색 패치(반사율 약 50 %, 설계 가정)를 쓰면 정반사 성분의 영향을 줄이고 계조가 포화나 바닥에 붙지 않는 중간 영역에 머물게 할 수 있습니다. 패치 평균값을 기준값 대비 비율로 기록하면, 그 자체가 관리도가 됩니다.

Example. 실무에서 더 중요한 것은 값이 아니라 추이의 모양입니다. 수 주에 걸쳐 단조롭게 내려가는 완만한 기울기는 LED 광출력 열화의 전형입니다. 어느 시점에 계단처럼 뚝 떨어진 뒤 그대로 머무는 패턴은 렌즈 커버 오염이나 조명 위치 변경을 의심해야 합니다. 매일 가동 직후 낮았다가 수십 분에 걸쳐 회복되는 톱니 모양은 열적 워밍업 구간입니다. 이 세 모양을 구분하면 조명을 교체할지, 커버를 닦을지, 가동 직후 검사 시작을 늦출지가 결정됩니다.

Point. 기준 패치는 원인 진단기로 설계해야 합니다. 패치 값과 함께 방열판 온도와 가동 경과 시간을 같은 시간축에 기록해야 세 패턴이 구분됩니다.

3. 정전류 구동·방열과 재보정 주기 설계

Point. 드리프트는 감시만으로 끝나지 않습니다. 구동 방식과 방열로 폭을 줄이고, 남은 열화는 계산된 주기로 재보정해야 합니다.

Reason. LED의 순방향 전압은 접합 온도가 오르면 낮아집니다. 정전압 구동에서는 이 때문에 전류가 늘고, 늘어난 전류가 다시 발열을 키우는 되먹임이 생겨 광출력이 불안정해집니다. 정전류 구동은 전류를 고정해 이 되먹임을 끊습니다. 다만 같은 전류에서도 접합 온도가 오르면 광출력은 낮아지므로, 방열판 온도를 일정 범위에 묶는 열 설계가 함께 필요합니다. 스트로브 구동으로 듀티를 10 % 이하로 낮추면 평균 발열도 크게 줄어듭니다.

Example. 재보정 주기는 감이 아니라 계산으로 정합니다. 경고 한계를 −5 %로 두고, 가동 후 처음 4주간의 패치 기록에서 열화율을 관측합니다. 관측값이 주당 1 %라면 경고 한계 도달까지 5주이고, 안전계수 0.5를 곱해 2.5주, 운영 편의상 2주 주기로 정합니다. 재보정 때는 조명 전류를 되돌려 광출력을 복원하고, 그 뒤 기준 패치 기준값과 플랫필드 기준을 다시 취득합니다. 또한 가동 직후에는 패치 변화율이 5분당 0.5 % 미만으로 안정된 뒤에만 검사를 시작합니다.

Point. 소프트웨어 정규화만으로 광량 저하를 계속 덮으면 정규화 게인만큼 잡음이 커지므로, 광출력은 하드웨어로 복원하고 정규화는 재보정 사이의 작은 잔차에만 쓰는 것이 원칙입니다.

4. 핵심 골격 — 매칭표

구분	항목	사양 / 파라미터	근거·비고
① 최소 불량 사이즈	광택 흑색 사출 하우징의 백색 이물	직경 100 µm 이상	설계 가정. 32.7 µm/px 기준 약 3.1 px 점유
① 최소 불량 사이즈	밝게 보이는 선형 흠집	길이 500 µm 이상	설계 가정. 약 15 px 길이
① 최소 불량 사이즈	미성형 결손	1,000 µm 이상	설계 가정. 약 31 px, 광량 변화에 상대적으로 둔감
② 광학 셋업	조명	저각 백색 LED 링 조명, 정전류 스트로브, 듀티 10 % 이하	정전압 구동 배제(열 되먹임 차단)
② 광학 셋업	방열·온도 감시	방열판 온도 50 °C 이하 유지, 서미스터 기록	설계 가정. 패치 값과 같은 시간축에 기록
② 광학 셋업	카메라·렌즈	5 MP 2448 × 2048 px(화소 3.45 µm), 초점거리 25 mm	배율 약 0.106
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	250 mm 이상 확보 필수	얇은 렌즈 근사 물체 거리 약 262 mm. 링 조명 하우징 높이 포함 실측
② 광학 셋업	FOV·화소 분해능	80 mm × 67 mm, 약 32.7 µm/px	80 ÷ 2448 ≈ 32.7, 67 ÷ 2048 ≈ 32.7
② 광학 셋업	기준 패치	확산 회색(반사율 약 50 %) 5 mm × 5 mm, FOV 모서리 고정	약 150 × 150 px 평균으로 광량 측정
③ 알고리즘	판정 임계	배경 약 120, 이물 약 210, 임계 180 계조	설계 가정. 임계 여유 14.3 %
③ 알고리즘	패치 정규화	영상 × (패치 기준값 ÷ 현재 패치 평균), 게인 상한 1.11	1 ÷ 0.9 ≈ 1.11, −10 % 한계와 일치
③ 알고리즘	드리프트 한계·워밍업	−5 % 경고, −10 % 정지 / 변화율 0.5 %/5 min 미만에서 검사 시작	설계 가정. 정지 한계를 임계 여유 안쪽에 배치
③ 알고리즘	재보정 주기	5 % ÷ 관측 열화율 × 0.5	주당 1 % 관측 가정 시 2.5주 → 2주 주기

표 시사점. 32.7 µm/px에서 100 µm 이물은 약 3.1 px로 검출 하한에 있어, 광량 저하로 신호가 줄면 크기보다 계조 여유가 먼저 무너집니다. 임계 여유 14.3 %보다 −10 % 정지 한계가 안쪽에 있으므로 조용한 미검출 전에 라인이 먼저 멈추고, 정규화 게인 상한 1.11 역시 같은 −10 %에 묶여 잡음 증폭이 11 %를 넘지 않습니다. 알람 한계를 임계 여유에서 역산해야 한다는 점, 이것이 이 표에서 얻는 핵심입니다.

5. 반대 접근이 유리한 조건

• 결함 콘트라스트가 매우 크고 상대 임계를 쓰는 검사: 배경 대비 비율로 판정하면 광량 변화가 상쇄되므로, 기준 패치 없이 주기 점검만으로 충분할 수 있습니다.
• 매우 짧은 운전 시간의 간헐 검사: 하루 수십 분만 켜지는 스테이션은 열화 누적이 느려, 연 단위 정기 교체가 감시 시스템보다 경제적일 수 있습니다.
• FOV 안에 패치를 둘 공간이 없는 경우: 별도 포토다이오드로 조명 출력을 직접 감시하는 편이 낫습니다. 다만 이 방식은 렌즈·커버 오염은 잡지 못합니다.

광택 수지나 금속 가공면처럼 정반사와 난반사가 섞이는 대상은 광량 변화에 대한 계조 응답이 선형에서 벗어날 수 있으므로, 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 노트

고속 조립 라인의 흑색 하우징 외관 검사에서, 셋업 후 두 달쯤 지나 백색 이물 검출 건수가 눈에 띄게 줄어든 적이 있습니다. 공정이 좋아졌다는 해석이 먼저 나왔지만, 골든 샘플을 다시 찍어 보니 이물 계조가 임계 바로 위까지 내려와 있었습니다. 원인은 정전압 구동 조명과 막힌 방열 경로가 겹친 것으로 보였습니다. 정전류 드라이버로 바꾸고 FOV 모서리에 회색 패치를 붙여 −10 % 정지 한계를 건 뒤로는 비슷한 일을 겪지 않았지만, 열화율은 라인마다 달라 재보정 주기는 매번 처음 4주 기록으로 다시 잡고 있습니다.

현장 체크포인트

• WD 250 mm 이상이 실측으로 확보되는가 — 링 조명 하우징과 방열판 높이를 포함해 확인할 것.
• 대상물 표면 재질과 반사율을 먼저 확인했는가 — 광택 수지는 정반사 성분 때문에 광량 대비 계조 응답이 달라집니다.
• 조명이 정전류로 구동되며, 방열판 온도가 기록되고 있는가.
• FOV 안에 확산 회색 기준 패치가 고정되어 매 프레임 평균값이 기록되는가.
• 정지 한계(−10 %)가 판정 임계 여유(이 예에서 14.3 %)보다 안쪽에 있는가.
• 재보정 주기를 실제 관측 열화율에서 계산했으며, 가동 직후 워밍업 조건을 레시피에 넣었는가.