투명한 코팅막은 어떻게 검사하는가 — UV 형광 조명과 롱패스 필터로 잡는 PCB 컨포멀 코팅 누락

LIGHTING / UV FLUORESCENCE

PCB 컨포멀 코팅 검사는 늘 같은 벽 앞에서 멈춥니다. 코팅막은 가시광 대역에서 거의 투명하고, 표면은 매끄러워 정반사가 강합니다. 백색 조명 아래에서 코팅이 된 영역과 안 된 영역은 반사율 차이가 미미해 콘트라스트가 거의 나오지 않습니다. 작업자가 경사광에 보드를 기울여 가며 눈으로 확인하는 공정이 아직 많이 남아 있는 이유입니다.

이 상태를 방치하면 비용은 출하 후에 나타납니다. 도포 누락 영역은 습기·이온성 오염에 그대로 노출되고, 얇게 도포된 영역은 초기 검사를 통과한 뒤 온습도 사이클을 거치며 누설 전류나 부식으로 드러납니다. 반대로 커넥터 접점처럼 도포 금지 영역에 코팅이 번지면 접촉 불량이 생깁니다. 두 방향의 불량이 모두 “보이지 않는 막”에서 출발하므로, 육안 검사 편차가 그대로 필드 불량률이 됩니다.

해법은 코팅을 “반사로 보려는” 시도를 멈추고, 코팅이 스스로 내는 빛을 찍는 것입니다. 상당수 컨포멀 코팅 재료에는 UV 형광 추적제가 들어 있습니다. UV-A 365 nm 대역으로 여기하면 코팅은 더 긴 파장의 가시광을 방출하고, 롱패스(차단) 필터로 여기광을 걷어 내면 코팅이 있는 곳만 밝게 남습니다. 반사율 문제를 방출 문제로 바꾸는 조명 설계입니다.

투명한 막은 반사로는 보이지 않습니다. 막이 내는 빛을 보아야 합니다.

1. 스토크스 이동 — 반사가 아니라 “방출”을 찍는다

Point. UV 형광 조명의 콘트라스트는 반사율 차이가 아니라 파장 차이에서 나옵니다.

Reason. 형광 분자는 짧은 파장의 광자를 흡수해 들뜬 상태가 된 뒤, 에너지 일부를 열로 잃고 더 긴 파장의 광자를 방출합니다. 흡수 파장과 방출 파장의 간격을 스토크스 이동(Stokes shift)이라고 부릅니다. 이 간격 덕분에 검출 측은 “입사한 빛”과 “시료가 만든 빛”을 파장으로 구분할 수 있습니다. 백색광 검사에서는 입사광과 반사광이 같은 파장이라 표면 광택·각도에 따라 콘트라스트가 뒤집히지만, 형광 검사에서는 코팅이 없는 곳에서 방출 자체가 없으므로 판정 축이 단순해집니다.

Example. 365 nm 대역으로 여기했을 때 코팅 형광이 청색 대역에서 나온다고 가정해 보겠습니다. 코팅이 된 솔더마스크 위는 청색으로 균일하게 빛나고, 도포 누락된 핀홀이나 스킵 영역은 어두운 구멍으로 남습니다. 백색광에서는 거의 보이지 않던 직경 수백 µm의 누락이 형광 영상에서는 명확한 암부 블롭이 됩니다. 다만 방출 대역과 강도는 코팅 재료와 추적제 농도에 따라 달라지므로, 도입 전 분광 측정으로 실제 방출 피크를 확인해야 합니다.

Point. 형광 검사 설계의 첫 줄은 “몇 lx로 비출 것인가”가 아니라 “여기 대역과 방출 대역이 얼마나 떨어져 있는가”입니다. 참고로 UV 여기광은 사람 눈의 감도 곡선에 기반한 lx로 관리할 수 없으며, mW/cm² 단위의 방사 조도로 실측 관리해야 합니다.

2. 롱패스 필터는 선택이 아니라 전제 조건이다

Point. 롱패스 필터가 없는 형광 셋업은 형광 검사가 아니라 UV 반사 검사입니다.

Reason. 형광 방출은 여기광보다 훨씬 약합니다. 시료 표면에서 되돌아오는 365 nm 반사광은 형광보다 수 자릿수 강할 수 있고, 실리콘 센서는 이 대역에도 감도가 남아 있습니다. 필터 없이 촬영하면 솔더 필렛과 금속 패드의 정반사가 화면을 지배하고 형광은 그 아래에 묻힙니다. 그래서 카메라 렌즈 앞에는 여기 대역을 막고 방출 대역만 통과시키는 롱패스 필터가 필수입니다. 여기서 한 가지가 더 필요합니다. UV LED의 발광 스펙트럼은 완전한 선이 아니라 장파장 쪽으로 꼬리를 가지며, 이 꼬리가 롱패스 필터의 통과 대역에 걸치면 금속 표면의 정반사가 “가짜 형광”처럼 밝게 찍힙니다.

Example. 롱패스 필터만 장착한 상태에서 솔더 조인트가 코팅 영역보다 밝게 뜨는 현상이 관찰된다면, LED 꼬리 성분의 정반사를 먼저 의심해야 합니다. 이때 LED 앞에 쇼트패스 클린업 필터를 추가해 방출 대역 쪽 누설을 잘라 내면, 조명 측과 검출 측 필터가 서로 겹치지 않는 “스펙트럼 공백”이 만들어집니다. 금속 표면은 난반사와 정반사가 섞이는 재질이므로 잔여 누설량은 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

Point. 필터 설계는 한 장이 아니라 여기 측 쇼트패스 + 검출 측 롱패스의 한 쌍으로 생각해야 합니다. 이 공백을 소프트웨어 임계값 조정으로 대신할 수는 없습니다 — 섞여 들어온 반사광은 형광과 같은 픽셀 값으로 합쳐진 뒤이기 때문입니다.

3. 형광 강도는 두께의 “얇음 경보기”다 — 그리고 차광과 UV 안전

Point. 형광 강도로 막두께를 “측정”하려 하기보다, 얇은 영역을 경보하는 지표로 쓰는 편이 물리적으로 정직합니다.

Reason. 막이 흡수하는 여기광의 비율은 흡수 계수 α와 두께 d에 대해 1 − e^−αd를 따릅니다. αd가 작은 얇은 구간에서는 이 값이 αd에 거의 비례하므로 형광 강도가 두께를 따라 선형적으로 움직이지만, 두꺼운 구간에서는 포화되어 두께 차이가 강도 차이로 드러나지 않습니다. 흥미로운 점은 이 선형 구간이 바로 우리가 찾아야 할 “얇게 도포된 영역”과 겹친다는 것입니다. 형광 검사는 두께계로는 부족하지만 얇음 경보기로는 잘 맞는 도구입니다.

Example. 정상 도포 보드의 형광 맵을 기준으로 픽셀별 강도비를 구하면, 강도비 0.3 미만은 누락, 0.3~0.7은 얇은 영역으로 나누는 2단 판정을 설계할 수 있습니다. 이때 두 가지 조건이 같이 따라와야 합니다. 첫째, 형광은 약한 신호이므로 시료면의 주변광을 차광해 1 lx 미만으로 낮추지 않으면 공장 조명 500 lx의 청색 성분이 롱패스 필터를 그대로 통과해 기준 맵을 흔듭니다. 둘째, UV-A는 눈과 피부에 대한 광생물학적 위해가 있으므로 차광 커버는 누설 차단과 도어 인터록, UV 차단 관찰창을 함께 갖추고, 광원은 IEC 62471 위험군 분류를 확인해야 합니다.

Point. 차광 커버는 안전 설비이면서 동시에 콘트라스트 설비입니다. 커버의 품질이 곧 형광 기준 맵의 안정도를 결정합니다.

형광 검사에서 가장 먼저 설계해야 할 광학 부품은 렌즈가 아니라 필터 한 쌍과 차광 커버입니다.

4. 핵심 골격 — 매칭표

구분	항목	사양 / 파라미터	근거·비고
① 최소 불량 사이즈	도포 누락(핀홀·스킵)	직경 300 µm 이상	설계 가정. 49 µm/px 기준 약 6.1 px 점유
① 최소 불량 사이즈	얇은 도포 영역	1 mm × 1 mm 이상	설계 가정. 약 20 × 20 px, 강도비 판정 대상
① 최소 불량 사이즈	도포 금지 영역 번짐(커넥터 접점 등)	폭 250 µm 이상	설계 가정. 약 5.1 px 점유
② 광학 셋업	여기 조명	UV-A 365 nm 대역 LED 링, 쇼트패스 클린업 필터 장착	방사 조도는 mW/cm²로 실측 관리. LED 장파장 꼬리 차단 목적
② 광학 셋업	검출 필터	롱패스 필터, 차단단 420 nm 부근	설계 가정. 코팅 방출 피크를 분광 측정 후 확정
② 광학 셋업	카메라·렌즈	모노 2448 × 2048 px(화소 3.45 µm), 초점거리 16 mm	설계 가정. 센서 폭 약 8.45 mm
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	220 mm 이상 확보 필수	박막 렌즈 근사 물체 거리 약 243 mm(계산값). 링 조명·필터 홀더 두께 포함 실측
② 광학 셋업	FOV·화소 분해능	FOV 120 mm × 100 mm, 49 µm/px	120 mm ÷ 2448 px 계산값
② 광학 셋업	차광	시료면 잔여 주변광 1 lx 미만	설계 가정. 공장 조명 500 lx 환경 기준, 도어 인터록 병행
③ 알고리즘	배경 보정	코팅 전 보드의 자가형광 영상을 픽셀별 차감	솔더마스크·부품 몸체 자가형광 제거
③ 알고리즘	강도비 판정	기준 맵 대비 < 0.3 누락, 0.3~0.7 얇음	설계 가정. 선형 구간 내에서만 유효
③ 알고리즘	블롭 필터	등가 직경 6 px(≈ 294 µm) 이상만 보고	단일 화소 잡음 억제. 300 µm 누락과 정합
③ 알고리즘	마스크	설계 데이터 기반 도포 영역·금지 영역·키 큰 부품 그림자 영역 분리	그림자는 누락으로 오판정되지 않도록 별도 처리

표 시사점. 120 mm ÷ 2448 px로 화소 분해능은 49 µm/px이며, 세로 2048 px × 49 µm ≈ 100 mm로 FOV와 정합합니다. 최소 결함인 250 µm 번짐은 약 5.1 px, 300 µm 누락은 약 6.1 px를 점유해 3 px 검출 전제를 넉넉히 넘습니다. 따라서 이 구성의 검출 하한을 결정하는 것은 화소 분해능이 아니라 필터 쌍의 누설과 주변광 차광 품질이며, 해상도를 올리기 전에 스펙트럼 공백부터 확인하는 것이 순서입니다.

5. 반대 접근이 유리한 조건

• 코팅 재료에 형광 추적제가 없는 경우: 방출 자체가 없으므로 형광 방식은 성립하지 않습니다. 저각 사광이나 편광을 이용한 반사 기반 방식을 검토해야 합니다.
• 막두께의 절대값을 µm 단위로 보증해야 하는 경우: 형광 강도는 상대 지표이며 두꺼운 구간에서 포화됩니다. 간섭·공초점 계열의 두께 측정 방식이 유리합니다.
• 기판·부품의 자가형광이 코팅 방출 대역과 겹치는 경우: 배경 차감 후에도 콘트라스트가 낮게 남습니다. 여기 파장 변경이나 가시광 기반 방식이 더 경제적일 수 있습니다.

코팅 재료의 방출 스펙트럼, 기판 자가형광, 솔더·금속 표면의 난반사 누설은 재료 로트와 공정 조건에 크게 좌우되므로, 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 노트

고속 조립 라인의 코팅 검사 스테이션을 세팅할 때, 롱패스 필터만 달고 첫 영상을 보았더니 솔더 필렛이 코팅 영역보다 밝게 떠서 판정이 뒤집힌 적이 있습니다. 필터 차단단을 올려 보아도 형광까지 함께 줄어 해결되지 않았고, LED 앞에 쇼트패스 클린업 필터를 추가한 뒤에야 가짜 형광이 사라졌습니다. 이후 차광 커버 틈으로 들어오는 천장 조명 때문에 기준 맵이 교대 시간마다 흔들리는 문제도 겪었습니다. 시료면 잔여 조도를 1 lx 아래로 낮추고 나서야 강도비 0.3~0.7 구간 판정이 안정되었는데, 재료가 바뀌면 이 경계도 다시 잡아야 할 가능성이 큽니다.

현장 체크포인트

• WD 220 mm 이상이 실측으로 확보되는가 — UV 링 조명 하우징, 필터 홀더, 차광 커버 두께를 포함해 확인할 것.
• 대상 표면 재질과 반사율을 먼저 특정했는가 — 솔더마스크, 솔더 필렛, 금속 패드의 정반사 비중에 따라 누설 위험이 달라집니다.
• 코팅 재료의 형광 추적제 유무와 방출 피크를 분광 측정으로 확인했는가.
• LED 발광 꼬리와 롱패스 필터 통과 대역 사이에 스펙트럼 공백이 있는가 — 없다면 쇼트패스 클린업 필터를 추가할 것.
• 도어를 연 상태와 닫은 상태 모두에서 시료면 잔여 주변광이 1 lx 미만인가.
• UV 누설 차단, 도어 인터록, UV 차단 관찰창을 갖추고 광원의 IEC 62471 위험군을 확인했는가.