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인더스트리(Industry) 4.0 구현을 위한 핵심 기술 요소

공장 자동화에서의 최신 경향은 인더스트리(Industry) 4.0에서 ‘스마트팩토리’를 적용하도록 유도하는 것으로, 이에 따른 비전 시스템에서 계속적인 개선의 요구가 대두되고 있다. 

그러나 이러한 자동화와 제어에서 증가하는 수준을 끌어올리기 위해서는 산업용 비전 카메라에 사용되는 이미지 센서를 포함한 많은 부품들이 미래에 서로 연결이 될 수 있도록 발전해야 한다.

이런 진보의 범위는 궁극적으로 어떤 주어진 특정한 제품을 위한 데이터시트를 통해서도 알 수 있겠지만, 관련된 높은 수준의 경향들은 몇 개의 주요 영역으로 나뉠 수 있다.

거의 모든 대다수의 이미지 응용 분야에서 향상된 이미지 성능은 전형적으로 높아지는 해상도(해당 사물의 특징을 더 잘 표현하기 위해서 그 사물에 더 많은 픽셀들을 놓는 것)에 대한 요구사항과 서로 밀접한 관계가 있다. 

이미지 센서에 대해서 이런 요구는 픽셀 크기를 줄임으로써(어떤 주어진 광학 사이즈 조건의 크기에 더 높은 해상도를 가능하게 함으로써) 또는 더 큰 디바이스로 옮겨가면서 이뤄질수 있다. 

하지만 산업용 이미징 기술에서 높은 화소에 대한 이런 유도가 디바이스로부터 얻을 수 있는 프레임 레이트(초당 이미지 프레임 수)를 유지하려는(또는 심지어 개선하려는) 요구사항을 꺽지는 못한다. 따라서 제조 라인의 속도를 낮추지 않고 이미지 화소를 개선하기 위해서는 더 높은 화소, 더 높은 대역폭을 이미지 센서가 제공해야 한다.

USB 3.1, 10GigE와 같은 컴퓨터 인터페이스로 가능한 속도와 다른 요소들은 계속 증가하고 있기 때문에 이미지 센서에서 출력 가능한 대역폭이 전체 시스템의 데이터 흐름에 병목으로써 동작되지 않게 하는 것도 중요하다.

[source=Samsung SDS]

인더스트리 4.0을 구현하는 핵심적인 요소 하나는 공장 바닥 전체에 스마트카메라를 배치하여 구현하는 임베디드 이미징 기술이다. 그러나 이러한 임베디드 이미징 기술을 효과적으로 구현하기 위해서는 임베디드 카메라가 크기는 작으면서도 최소한의 전력과 낮은 비용으로 운영될 수 있어야 한다. 

이러한 요소들은 카메라 설계에서 사용할 목적으로 선택된 이미지 센서를 통해 여러 단계로 실현될 필요가 있다.

예를 들면, 소형 카메라들은 픽셀이 작은 이미지 센서로도 가능하지만 전체 카메라 설계를 구현하는데 필요한 지원 회로를 최소화하는 설계구조로도 역시 가능하다. 이미지 센서로부터 저전압 출력을 활용해서 전력을 줄일 수 있으며 그로 인해 카메라 디자인 전체를 통틀어 저전력 부품들의 사용을 가능하게 할 수 있다.

그리고 이미지 센서 자체는 물론 전체 카메라 BOM(Bill of Materials)까지의 비용도 이미지 센서 설계 과정에서 적절한 선택을 통해 조정될 수 있다. 

어떤 산업 응용 분야들에서는 현재 오직 CCD 이미지 센서로만 가능한 중요한 이미지 품질과 이미지 균일성을 요구하는 반면, 대다수 산업용 이미지 응용 분야들은 광범위한 특징 때문에 주로 CMOS 이미지 센서에 의존하는 경우가 많다. 

많은 응용 분야에서 CMOS 이미지 센서로 얻을 수 있는 이미지 품질은 충분하지만 고정 패턴 노이즈(Fixed Pattern noise)를 줄여서 균일한 이미지를 확보하는 이런 영역에서 전체 이미지 품질을 향상시킬 개선의 여지가 아직 존재한다. 

이미지 센서 공급업체는 이러한 발전을 위해 산업 시장용으로 개발된 기술뿐만 아니라, 유사한 이미징 시장용으로 개발된 기술에 같이 의존해야 한다. 

처음에는 자동차와 보안 이미징 기술로 개발된 HDR(High Dynamic Range) 디자인은 조명 제어가 원활하지 않은 상황에서 이미징 성능 개선을 위해 산업용 비전 시스템에도 적용할 수 있다.

자동차용이나 소비자 시장용으로 처음부터 설계된 소형 픽셀 구조는 픽셀의 최대 전자 수용 능력(Full well capacity)을 향상시키기 위해 직접적으로든 더 큰 사이즈로 확장되도록 적용할 수 있다. 그리고 이러한 기술의 활용은 양 방향으로 모두 가능하다. - 산업용 비전을 위해 개발된 글로벌 셔터 픽셀 구조는 이와 유사한 응용 분야들에 사용할 목적으로 도입될 수 있다.

3D TOF, 멀티 스펙트럼, 하이퍼 스펙트럼 이미징 기술과 같은 새로 출현하는 기술의 사용은 계속 앞으로 늘어날 전망이다. 왜냐하면 이 기술들을 통해 얻을 수 있는 이미징 성능들은 이 것들을 처리하기 위해 요구되어지는 프로세싱 능력과 같이 발전해 나아갈 것이기 때문이다.

대역폭 향상, 임베디드 비전 시스템의 향상된 지원, 향상된 이미지 품질과 이미지 균일성, 기술 활용 등의 이런 모든 이미지 센서 분야의 추세는 ‘성능 향상’ 이라는 상위 개념 하에 존재한다. 

각각은 분리되어 있지만 산업 비전 시스템에서의 계속적인 사용과 미래의 ‘스마트팩토리’로의 확장에 활발한 영향을 주고 있다. 

제조산업계에 사용되는 자동화와 시스템 지능의 수준이 계속 향상됨에 따라, 비전 시스템과 그것들에 힘을 불어넣어주는 이미지 센서들은 계속 이런 기술을 구현하는데 중요한 역할을 할 것이다.

 

글 : 에드윈 링구트(Edwin Ringoot) / 전략 마케팅·사업 개발 담당 / 온세미컨덕터

 

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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