카메라와 비주얼 센서

[월간 무인화기술 1월호]

<Technical Report>

 

카메라와 비주얼 센서

어려운 도전에 직면해 있는 태양광 모듈과 산업 이미지 처리 모듈 최적화를 위한 태양광 모듈 제조

바우머 (Baumer)

 

 

 

태양의 역량 활용- 재생 에너지 분야의 매력적인 대안.

이미지 처리 모듈은 제조업체의 치열한 시장경쟁 속에서 생산 공정 최적화에 결정적인 역할을 하게 된다.

 

제한되어 있는 석유 자원으로 전 세계 사람들의 마인드가 새롭게 바뀌고 있는데, 이로부터 신 재생 에너지 분야의 발전이 크게 활성화되고 있다. 아울러, 최근 들어 모듈 효율과 사용 수명 최대화는  태양광 모듈 개발과 제조 산업이 직면하고 있는 중요한 도전이 되고 있다.

지속적인 사용 과정 중에 안정성과 효율성을 확보하기 위해, 태양광 모듈은 현재 및 향후에 반드시 최고 품질 수준을 확보해야 한다. 이러한 측면에서 볼 때, 산업 이미지 처리 모듈은 중요한 역할을 하게 된다.

 

사소한 문제로 큰 사고가 날수도 있어

태양광 모듈 제조업체는 반드시 웨이퍼 자재 입고로부터 태양광 모듈 납품에 이르기까지 전체 생산과정에 있어서 안정적인 품질을 확보해야 한다. 반도체 소재 내부에 미세한 균열이 있을 경우, 생산 과정 중 고가의 장비 가동이 멈추게 될 수도 있다.

운영과정 중, 태양광 패널은 엄청난 온도변화 및 기타 최악의 환경에 노출될 수도 있다. 이러할 경우, 미세한 균열로 전지 셀에 고장이 발생될 수 있고, 이로 인해 모듈 효율이 떨어지거나 사용수명이 크게 줄어들 수도 있다. 여기에서 제조업체들이 치열한 시장 경쟁 환경에서 생산 원가를 최소화시키고, 제조시간을 최대한 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 모듈 품질을 향상시키기 위한 솔루션을 도출할 수도 있다.

많은 사실을 기반으로, 자동화 광학 검사 시스템은 이러한 애플리케이션에 최고 대안이 될 수 있다. 전반적인 제조 과정에 산업 카메라와 비전센서 등 이미지 처리 모듈을 활용할 수 있으며, 이로부터 생산 원가를 크게 줄일 수 있다.

 

웨이퍼를 태양 전지 모듈로 생산하는 방법

웨이퍼는 단결정 또는 다결정 반도체 빈으로 제작된 것으로, 즉, 사람들이 흔히 말하는 웨이퍼 블록으로부터 제작된 것이다. 우선, 웨이퍼 블록을 면도칼의 칼날처럼 얇은 웨이퍼로 자르고 전자 부품 기판을 구성한다. 웨이퍼를 전도성 태양 전지로 제작하기 위하여, 여러 개의 전지 셀을 용접시키고 유리기판과 시트를 적층 패킹한 후 내후성을 가진 전지 모듈을 구성한다. 전지 모듈을 조립하면 발전이 가능한 태양광 모듈을 구성하게 된다.

 

VeriSens XC시리즈 스마트 비젼 센서와 HXG 또는 SXG시리즈 인더스트리얼 카메라 등

산업 이미지 처리 구성 요소는 태양광 모듈 제조 원가를 효과적으로 절감할 수 있다.

 

 

웨이퍼 하자는 생산과정 중 조기에 식별돼야 한다.

웨이퍼를 태양광 전지로 제작하는데 있어서 여러 개의 공정 절차를 거치게 된다. 제조 과정 중 생산원가를 효과적으로 절감하기 위하여 조기에 하자를 찾아내는 것이 중요한데, 다음 공정으로 이송하게 될 경우, 불필요한 생산 원가 부담이 발생된다. 하자 검사는 실리콘 블록으로부터 시작된다. 외관 하자가 있는가? 가장자리에 파손 유무, 웨이퍼가 오염되었는가? 광학 이미지 처리 공법은 이러한 질문에 답변할 수 있다. 그 외에, 정확한 치수 관리는 후속 공정에도 상당히 중요하다.

예를 들면, VeriSens XC 시리즈 스마트 비전 센서를 이용하여 가장자리 길이를 확인할 수 있다. 사용이 용이한 센서는 1개 검사 공정을 거쳐 가장자리 각도가 소정 요구를 만족하는 지를 확인할 수 있다. 고정밀도 이미지 결과물을 도출하기 위하여 센서 해상도는 최고 200만 픽셀로, 완전 통합 플래시 컨트롤러와 C-Mount 커넥터를 장착하고 있다.

FEXLoc 특허 기술은 360° 부속품 포지셔닝을 구현할 수 있다. 즉, 비전센서 기반으로 웨이퍼의 위치를 정확하게 수정할 수 있으며 정확하게 조립라인에 설치되지 못한 웨이퍼를 모니터링할 수 있다.

 

결정 구조 검사, 장기적, 안정적인 운영 확보

결정 구조 품질은 모듈 전환효율과 사용 수명에 직접적, 중요한 영향을 끼치게 된다. 아울러, 제조 과정에 있어서 조기에 하자가 있는 모듈을 식별해내는 것이 특히 중요하다. 균열 또는 구조적으로 비 규칙적일 경우, 발광 측정법으로 확인할 수 있다. 발광(전기 발광) 또는 단파장(광 발광)으로 조사할 경우, 실리콘은 적외선 스펙트럼과 유사한 빛을 나타낼 수 있다. 미세한 균열이 있는 자재는 강한 빛을 나타나게 되는데 전지 셀 사이의 접촉 고장이 발생될 경우, 전혀 빛이 나지 않는다. 이미지에 대한 분석을 통하여 웨이퍼별 완전성과 효율을 확인할 수 있다. 광 파장(900나노미터이상)은 육안으로 확인할 수 없을 뿐만 아니라 모든 카메라에 있어서도 역시 큰 도전이 될 수 있다. 비소 인듐 또는 고갈 센서를 탑재한 고가 저해상도 카메라와 비교할 경우, 가까운 적외선 범위(NIR)에 최적화 된 산업용 카메라는 뛰어난 성능대가격비를 지닌 효율적인 대안이다.

예를 들면, Baumer HX 시리즈 카메라는  NIR스펙트럼 최적화를 거쳐 900나노 이상 파장에 있어서, 기존에 실리콘 기반 센서를 탑재한 모델에 비하여 더욱더 나은 우수한 감도를 가지고 있다. 400만 픽셀 HXG40NIR 1:1 수직/수평 비율은 1개 이미지로 손쉽게 네 모양 전지 검사를 완성할 수 있다.

 

최대한 조기에 미세한 하자가 있는 제품을 찾아내고 다음 공정으로 이송되기 전에 선별해야 한다.

 

 

유리기판과 코팅

태양전지 자체뿐만 아니라, 기판 유리와 코팅도 태양 전지 모듈 효율에 크게 영향을 미치게 된다. 

코팅 두께, 표면 스크래치 또는 이물질 및 톱 흔적과 같은 하자들이 없도록 해야 한다. 아울러, 고해상도 카메라를 설치하여 코팅 구조의 미세한 편차를 확인해야 한다. 예를 들면, Baumer SX시리즈 800만 화소 카메라는 낮은 판독 노이즈와 높은 동적 범위를 제공할 수 있으며 고정밀도 이미지를 제공할 수 있다.

그 외에,  Baumer 다이나믹 TAP 균형 기술을 기반으로, CCD 센서 4개 구역의 밝기 차이로 균형을 잡을 수 있다. 아울러, 안정적이고 균형적인 이미지를 확보할 수 있으며, 후속 작업을 간소화시킬 수 있다.

카메라는 8비트 대신에 12비트 모드를 적용한 것으로, 4096개 회색 색조를 구별할 수 있다. 미세한 성능을 기반으로 카메라는 이미지 중 미세한 그라데이션 변화를 찾아낼 수 있으며, 미세한 결함을 확인할 수 있다.

 

마지막 설치 공정

태양 전지가 지속적으로 발전할 수 있기 전까지 반드시 안정적인 알루미늄 프레임에 장착해야 한다. 이 조작은 정밀도에 대한 요구가 높을 뿐만 아니라, 프레임에 대한 면밀한 검사 작업이 요구된다.

Baumer VeriSens XC시리즈 비전 센서는 신뢰적인 대안이 될 수 있다. 프레임에 장착된 홀/용접 포인트 및 정확한 위치 및 구성을 통하여 모니터링할 수 있다. 그 외에,  Baumer 비젼센서를 사용하기 전에 전체 이미지 처리 프로그램을 설정할 필요가 없게 된다. 관련 작업 매개변수는 제공된 소프트웨어를 통하여 몇 분 내에 산출할 수 있다.

대부분의 경우, 마지막 설치 작업이 완료된 후 바코드와 일련번호를 확인해야 하며, 태양광 모듈의 추적 관리가 가능하도록 조치가 확보되어야 한다. 이러할 경우, 검증 작업이 최대한 간단하도록 구성해야 한다.

VeriSens ID-110은 센서 형식의 콤팩트형 이미지 처리 시스템으로, 필요한 모든 하드웨어와 소프트웨어를 장착하고 있다. 1차원과 2차원 코드 외에, 사용자는 사전에 폰트 식별이 필요 없이 모든 텍스트와 숫자OCR）를 읽을 수 있으며 인쇄 품질OCV)을 평가할 수 있다. 또한 도트 매트릭스 인쇄일 경우에도 가능하다.

태양광 발전은 구현하기 쉽고 대중들로부터 쉽게 수용되며 구매 및 실행 비용이 크게 저렴해지고 있는데 이로부터 태양광 에너지의 미래 에너지 구조중의 비중이 끊임없이 늘어나게 될 것으로 예상된다. 뛰어난 성능대가격비 기반의 이미지 처리 구성 요소는 결정적인 역할을 하게 되는데 장기성, 효율성은 태양광 전지 사용수명을 결정하게 된다.