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[기술기고] 자외선을 활용한 산업 어플리케이션

전자기 스펙트럼에서 자외선의 위치

인간의 눈은 전자기 스펙트럼의 작은 부분만 감지할 수 있다. 바로 우리가 빛이라고 부르는 400nm(보라색)~700nm(적색) 사이의 파장이다.

일부 동물은 이러한 스펙트럼 너머를 볼 수 있지만 인간이 가시 스펙트럼을 넘어서는 파장을 감지하기 위해서는 설계된 카메라와 같은 외부 장치가 필요하다. 적외선 복사의 형태로 열 신호를 캡처해 사람, 야생 동물 및 기타 물체를 보여주는 야간 투시 열화상 카메라 또는 쌍안경등이 잘 알려져 있다.

눈으로 볼 수 없는 것 탐색하기
카메라는 이미지를 생성하기 위해 반사법이라는 원리를 활용하는데 벽에 던진 테니스공과 유사하게, 전자기 복사(가시광선과 비가시광선 모두)는 벽에 부딪히는 각도에 따라 표면에서 반사됩니다. 중요한 점은 마이크로 수준(또는 나노 수준)에서 볼 때 대부분의 표면이 완벽하게 매끄럽지 않기 때문에 이미징이 가능하다는 것이다.

이러한 표면 불균일은 반사 법칙을 따르는 개별 광선이 표면의 서로 다른 각도로 인해 여러 방향으로 반사돼 광의 일부를 사람이나 카메라로 다시 되돌려 보내는 난반사를 유발한다.

난반사를 일으키는 표면 형상의 크기는 표면에 부딪히는 광의 파장에 따라 달라진다. 표면이 연마돼 표면 형상이 광 파장의 약 1/8보다 작은 경우, 광선이 표면에서 모두 같은 방향으로 반사돼 거울 효과를 생성하게 된다. 이런 경우, 표면의 작은 불균일은 사람이나 카메라에 보이지 않게 된다.

자외선은 파장이 짧기 때문에 더 긴 파장에는 영향을 받지 않는 작은 표면 불균일에도 확산이 일어날 수 있다. 이를 통해 UV 이미징은 가시광선으로는 볼 수 없는 작은 표면 특성 및/또는 결함을 감지하고 검사할 수 있다.

UV 파장이 작은 표면 형상에서 반사된다는 점을 활용하는 산업 애플리케이션이 점점 더 많아지고 있다. 이러한 애플리케이션으로는 마스크 검사, 웨이퍼 결함 확인, 패턴 결함 식별 및 분류와 같은 다양한 반도체 검사 작업, 플라스틱 및 금속 표면의 미세 결함 검사, 태양광 패널 검사 등이 있다.

또 다른 UV 이미징의 경우 특정 잉크 및 재료가 UV 복사를 흡수하거나 UV 스펙트럼에서 발광하는 방식을 활용한다. 이러한 애플리케이션으로는 제약 포장, 여권 및 지폐의 인쇄 검사, 폐기물 분류, 결함 및 불순물 식별을 위한 재료의 비파괴 검사, 범죄 수사를 위한 형광 분석, 의료 진단 등이 있다. 또한 UV 이미징은 코로나 검사와 천문학, 현미경, UV 분광법 등의 다양한 과학 애플리케이션에서도 사용되고 있다.
 
비전 시스템에서의 UV 산업용 카메라 활용
여기에 설명된 다양한 UV 광학 검사에 대한 수요가 높아짐에 따라 자외선(UV) 이미징 카메라를 활용하는 애플리케이션의 범위가 크게 넓어졌다. UV 이미지 센서가 탑재된 카메라를 적용한 비전 시스템은 일반 카메라가 제공하지 못하는 특별한 시각 정보를 제공할 수 있다. 이러한 시스템으로는 일반적인 산업 및 과학 애플리케이션용 UV 호환 렌즈와 UV 조명이 모두 탑재된 시스템과 광학 왜곡을 최소한으로 줄이기 위해 렌즈와 센서의 커버 유리까지 제거해야 하는 레이저 프로파일링 시스템 등이 있다.

또한 더욱 짧은 UV 파장을 이미징할 수 있는 UV 센서에 대한 수요도 증가하고 있다.

UV 애플리케이션은 주로 UVA(320~400nm)라고 하는 스펙트럼에 중점을 두고 있지만, 최신 반도체의 작은 크기로 인해 UVB 영역(280~320nm)에서 동작할 수 있는 센서가 필요하게 됐으며, 200nm 이하의 파장을 활용하는 일부 시스템의 경우 UVC 영역(약190~280nm)까지 필요하게 됐다. 이러한 UVC 시스템(심자외선 또는 DUV)이 시장을 이끌고 있지만, UVB 및 UVA 영역으로 설계된 UV 애플리케이션 많다. 광범위한 UV 스펙트럼에서 애플리케이션을 지원할 수 있는 UV 센서 및 카메라는 개발팀에 다용성을 제공한다.

예를 들어, 다음 이미지에서 JAI의 GO-8105M-5GE-UV 카메라 모델의 감도를 확인할 수 있다. 이 모델은 UVB 및 UVA 영역에서 약 40~50%의 양자 효율을 보여주며 UVC 영역에서도 충분한 QE를 보여준다. 이 카메라의 스펙트럼 응답은 가시광선과 근적외선 영역을 지원하지만, 해당 영역에서 parasitic light sensitivity, PLS가 최적화되지 않았기 때문에 UV 이미징을 위해서는 가시광선과 근적외선광을 차단하는 필터가 권장된다.

[기술기고] 자외선을 활용한 산업 어플리케이션 - 산업종합저널 전자
GO-8105M-5GE-UV 카메라의 스펙트럼 응답(감도는 200nm 이하에서도 지원되지만, 특정 양자 효율은 아직 측정되지 않았음)

위에 표시된 광범위한 UV 스펙트럼 응답은 많은 UV 기반 머신 비전 애플리케이션에 새로운 카메라를 제공할 수 있다. 이러한 카메라는 반도체 마스크 검사를 포함한 다양한 형태의 반도체 검사 시스템을 구축하는 기업에서 활용될 수 있다.

또한 GO-8105M-5GE-UV 카메라는 센서 위에 탈착식 유리 커버가 장착된 "글래스리스" 구성을 제공해 레이저 프로파일링 및 광경로에 UV 호환 석영 유리가 있는 경우 문제가 될 수 있는 기타 애플리케이션에서도 사용할 수 있다.

UV 카메라는 다양한 산업 및 과학 애플리케이션에서 필수 요소가 됐다. 그러나 UV 이미징은 많은 산업 공정을 위한 검사 도구로 사용되기 시작했을 뿐 가시광선 또는 근적외선 기반 머신 비전에 비해 아직 초기 단계에 있다. 상업용 UV 하드웨어의 가격이 낮아지고 다양성이 증가함에 따라 UV 머신 비전 분야는 점점 성장하고 있다. [기고=JAI Ltd.]


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