고품질 생산 위한 Cognex의 혁신시스템, 똑똑한 대량검사 시스템으로 태양전지 패널을 보호하라

편집자 주

In-Sight 비전시스템을 사용한 100% 만족도 실현

1957년 설립된 Gorosabel은 머신 툴 자동화 부분에서 축적한 방대한 경험을 토대로 1990년대 말 재생에너지 분야로 사업 확장을 위해 Gorosabel Solar Energy 부서를 설립했다. 현재 이곳의 방대한 제품 범위에는 계측, 광전지 및 열 모듈 생산 체인을 위한 통합 솔루션, 설치 엔지니어링, 취급 솔루션 및 생산 부속품 등이 포함된다. 50명 이상의 전문가와 3,500㎡ 규모의 시설 부지를 보유하고 있는 Gorosabel은 신규기술의 개발과 변화하는 추세에 대응할 수 있는 폭 넓은 경험과 역량을 갖추고 있다.

도전 과제-전지의 정렬

그러나 Gorosabel은 기계적으로 전지를 배치했던 과거기술을 사용함에 있어 난관에 봉착했다. 갈수록 복잡해지는 태양전지의 다양성이 배치 문제를 더욱 복잡하게 만든 것이다. 태양전지 생산은 고도의 자동화와 대용량 측면에서 상대적으로 고가의 비용이 소요된다. 더구나 경쟁상의 우위를 선점하기 위해서는 전지의 품질이 결정적인 요인으로 작용한다.

머신비전시스템 구현을 통한 일관된 긍정적인 결과는 정렬문제 발생 시 이러한 시스템의 채택을 더욱 가속화했다. 이 새로운 시스템은 태양전지를 올바로 배치하는 기능 이외에 가장자리의 파손 또는 균열 검사, 크기 확인, 가장자리에 맞게 추가 위치 조정 등 결함 점검을 수행할 수 있다.

최고의 비전시스템

Gorosabel은 스페인 북부지역에 위치한 Cognex 파트너 시스템 통합업체인 Ikusmen과 상의한 후 Cognex In-Sight 비전시스템이 도입된 적합한 솔루션을 발견했다. 그리고 문제 해결을 위해 로봇으로 전지의 위치 정보를 전송하고 시야에서 전지의 상태를 검사하기 위한 목적으로 Cognex In-Sight 카메라를 설치했다.

카메라는 전지의 위치와 방향을 계산한 후 해당 데이터를 로봇에게 전송하면 로봇이 후면 웰드온 탭을 따라 전지의 위치를 정확히 설정한다. 또한 결함이 발견될 경우 해당 전지를 제거할 수 있도록 로봇으로 결함 정보를 알린다.

Ikusmen의 Tubal Etxaburu씨는 “마침내 기계적인 전지 배치의 문제를 위한 완벽한 해결책을 찾을 수 있게 되었다. 실제로 이 시스템을 도입한 후 태양전지 패널에서 파손 여부를 검사할 때 발견된 문제가 거의 없는 수준으로 줄어들었다. 궁극적으로 프로세스 관리자와 Gorosabel 자동화 엔지니어들이 이 기술에 투자를 할 수 있도록 확신을 줄 수 있었다”고 말하면서, “Cognex In-Sight 시스템의 기술적 역량(이더넷 포트, 실시간 원격 작동, 고속처리, In-Sight 익스플로러 소프트웨어)은 우리가 직면한 문제를 해결하는 데 필요한 기본적인 요소를 갖추고 있었다. 이 소프트웨어는 사용법이 간편할 뿐만 아니라 최적의 조정 범위를 지원한다. 결국 가장 중요한 문제는 가격이 아닌, 품질과 전문가의 조언”이라고 설명했다.

Cognex In-Sight 5000 시리즈로 거둔 성공에 큰 관심을 보인 Gorosabel의 엔지니어들은 향후 다른 생산 라인에서도 Cognex의 품질에 신뢰를 갖고 이들 제품을 이용할 계획이라고 밝혔다.

Gorosabel의 고속 생산라인에 적용된 In-Sight 비전시스템. 로봇으로 전지의 위치 정보를 전송하고, 태양 전지 패널의 배치 및 파손·균열·크기 등의 결함을 검사한다.

고품질 생산을 위해 비전시스템에서 요구되는

공정처리의 간소화 보장

초기에 자동차 부문에 뛰어들어 실력을 쌓은 2BG는 비즈니스 영역을 넓히기 위해 새로운 기회의 창출이 필요했다. 자동차 부문에서 축적한 경험과 클린에너지의 새로운 소스 개발에 관한 시장 트렌드를 고려해 2BG는 태양전지 제조업체를 대상으로 한 머신 제작을 시작했다.

사실 그동안 태양전지 패널 생산을 위해 기계식 정렬과 중앙집중식 시스템이 사용된 최초 태빙(Tabbing) 머신은 보정작업을 하는데 어려움이 많았다. 또한 이 공정에서 직접적인 기계 접촉으로 인해 셀 자체에 손상을 줄 수 있는 위험 부담이 있었다. 이에 따라 생산 마지막 단계에서 태양전지 패널 표면에 잠재적으로 미세한 결함이 수반될 수 있는 가능성이 존재했으며, 이를 올바르게 조정할 수 없었다. 2BG의 R&D 팀은 품질관리에 대한 높은 표준을 개선하고 생산 중 발생할 수 있는 잠재적인 모든 결함까지 없앨 수 있는 혁신적인 기술 시스템을 조사하기로 결정했다.

Cognex, 머신 제조업체를 위한 최선의 선택

이러한 점을 염두에 두고 2BG R&D 팀은 Cognex 비전 세미나에 참석한 후 이 업체를 찾아 회사 애플리케이션에 대해 논의했다. 최초 평가 단계를 마친 후 2BG는 In-Sight 비전시스템을 테스트해보기로 결정했다. 애플리케이션은 2BG 팀이 신속하게 계획해 첫 번째 프로토타입을 설치했으며 최종 결과는 매우 뛰어났다.

고성능 머신

TS600 태빙 스트링 머신은 태양전지 패널 생산을 위해 스트링에 태양전지를 납땜 처리한다. 완전 자동화된 이 머신은 서로 다른 제품 사이클에 따라 작업을 처리할 수 있으며, 내부적으로 작업에 대한 기억이 가능하므로 시간당 최대 600개의 셀을 생산할 수 있다. 고속 선택과 배치, 적외선 납땜 시스템으로 인해 이런 높은 수준의 생산을 구현할 수 있게 되었다.

정렬 작업을 위한 In-Sight

자동 센터링메커니즘 스테이션은 Cognex의 In-Sight 비전시스템을 사용해 계획되었다. 이 혁신적인 시스템은 기계적인 접촉을 최소화해 셀의 완전성과 품질을 그대로 보존해준다. 또한 특허를 취득한 Cognex의 독자적인 비전 툴인 PatMax 덕분으로 센터링 정밀도가 크게 향상되었다. 이 툴은 크기, 방향 또는 조명 변화나 변형, 흡착 또는 반향이 발생할 경우, 백그라운드나 다른 환경적 조건의 변화 등 다양한 조건에서 객체의 위치를 판별할 수 있는 탁월한 기능을 지원한다.

셀의 표면은 반사 표면을 가진 거울과 유사해 검사하기가 까다롭다. PatMax의 검색 원리는 반사 표면의 민감도를 축소시켜주기 때문에 PatMax를 사용하면 고도의 정밀도를 구현하고 장기간동안 안정적인 성능을 보장할 수 있다.

검사를 위한 In-Sight

생산 공정이 진행됨에 따라 셀은 두 개의 로딩 바스킷에서 자동으로 선별되고 최종 스트링은 품질 검사를 위해 조명 테이블로 이동된다. Cognex에서 제공된 비전 툴 라이브러리의 종합적인 기능으로 인해 셀 형태 또는 가장자리에 나타나는 작은 마크나 움푹 패인 곳과 같은 표면상의 결함을 검사할 수 있을 뿐만 아니라, 스트링의 연속성과 올바른 어셈블리를 확인할 수 있다. 이러한 전체 범위에 걸친 검사는 In-Sight 시스템에서 제공되는 계산기능과 뛰어난 속도로 인해 가능한 것이다. 또한 각 비전 스테이션에는 선택적인 요소와 고객사의 요구사항에 따라 미세하게 조정할 수 있는 대화식 다국어 터치스크린이 지원된다.

공정 간소화를 위한 최후의 선택, In-Sight

현재 In-Sight 비전시스템 제품군은 고품질 생산을 보장한다는 측면에서 2BG에게 있어 필수적인 존재가 되었다. 이제 Cognex의 시스템을 사용하지 않는 2BG의 머신은 상상조차 할 수 없는 일이 되었을 정도다. 2BG의 한 관계자는 “Cognex의 믿을 수 있는 토탈 솔루션, 최첨단 기술과 최고의 주문 서비스를 통해 2BG는 항상 고품질 표준을 충족하는 동시에 공장을 효과적으로 운영할 수 있게 되었다”며, “또 다른 이점을 들자면 In-Sight는 간단하고 효과적인 방식으로 작업을 처리한다는 점”이라고 설명했다.

Cognex에서 생산 중인 비전프로 솔라 툴박스. 태양전지 생산에서 가장 일반적인 비전 정렬과 검사 애플리케이션에 필요한 소프트웨어 툴로 구성됐다.

Cognex In-Sight ID 판독기로

최적화한 태양전지 모듈 생산

독일 쉬베비쉬할에 소재한 Wurth Solar는 2006년 이래 CIS 기술을 사용해 태양전지 모듈을 생산해오고 있다. 태양전지 제조업체인 Wurth Solar의 현재 생산율은 90%에 달하며 계속 상승하는 중이다.

유리기판에 인쇄회로기판(PCBs)을 제조하는 일은 까다로운 작업이다. 이러한 CIS 코팅 선구자는 2000년으로 거슬러 올라가 마르바흐 시험 설치에서 1,200×600mm 치수의 태양전지 모듈의 개발을 주도했다. 독일에서 생산을 시작한 이래 Wurth Solar는 슈트트가르트에 위치한 Cognex 통합 파트너인 AIT Gohner GmbH와 협력해 In-Sight ID 판독기를 사용해 생산성과 생산 품질을 향상시키기 위해 필요한 데이터 추적 기술을 구현했다.

너무 늦기 전에 결함의 원인을 판별하라

Wurth Solar의 모듈은 다중층 형태의 구리·인듐·셀레늄 태양전지 시리즈로 구성되며, 전체 코팅 두께는 4μ이다. 이는 열악한 태양광 환경에서도 높은 출력을 보장한다. 이러한 전지를 생산하는 과정에서는 각 생산 기계의 기판 플레이트에서 모든 품질 데이터를 수집하는 것이 중요하다. 그러나 태양 시뮬레이터에서 120×60cm 모듈의 성능을 테스트할 때 개별 품질 결과는 생산 공정이 끝나는 시점이 되어서야 모듈이 실제로 원하는 출력(약 80W, 성능 변동으로 인한 근사치)을 생성하는지 여부가 판별된다. 다시 말해서 Wurth Solar 엔지니어는 복잡한 코팅 공정이 끝나는 시점에서야 비로소 결과가 어떤지 확인할 수 있게 된다는 것이다. 품질 데이터를 미리 수집하지 않으면 결함의 원인을 판별하기에 너무 늦게 된다.

DataMatrix 사용해 혼동 방지

완벽한 품질 보증을 제공하려면 Data matrix 코드 식별을 통해 개별검사 스테이션으로 유리 플레이트가 할당되어야 한다. 생산 공정의 3단계 혹은 4단계마다 품질 데이터를 기록한다.

DataMatrix 코드는 해당 날짜까지 수집된 데이터에 할당된 플레이트가 실제로 처리되었는지 테스트하는데 사용된다. 더 이상 존재하지 않는 플레이트에 대한 데이터 세트가 작성되는 이유 중 하나가 유리 파손인데, DataMatrix 코딩은 이러한 혼동을 방지한다.

과제 - 열악한 환경에서 코드를 판독할 수 있는 ID 판독기 찾기

코드는 레이저 시스템을 사용해 새기는 눈금으로 적용된다. 문제는 코드를 판독하기에 적합한 비전시스템을 선택하는 데 있다. 실제 어려움은 레이저로 유리에 새긴 DataMatrix 코드의 경우 눈금과 주위 표면 사이의 낮은 대비율에서 비롯된다. 이에 Wurth Solar는 다양한 제품을 테스트한 후에 Cognex ID 판독기인 In-Sight 5400/5100 비전 센서를 사용하기로 결정이 내려졌다.

Cognex ID 판독기는 까다로운 표면의 복잡한 코드까지도 검출 및 해독해 공정에서 2m 이상의 거리를 판독할 수 있는 성능을 제공한다. 19가지 처리 단계가 소위 플레이트의 ‘탄생’이라고 하는 레이저 작업이 뒤따르는데, 기본 코팅 애플리케이션과 플레이트를 셀 형태로 다듬는 후속 레이저 가공 작업이 포함된다.

이 시점에서는 품질 검사가 중요하다. 플레이트 세척이 끝난 후 주요 생산 단계가 이어지기 때문이다. 플레이트에는 600°C에서 적용된 자체 CIS 코팅이 있다. 버퍼 코팅을 적용하기 위한 화학적 처리 후 DataMatrix 코드를 다시 확인한다. 그런 다음 산화아연을 적용해 태양전지의 광 투과성 전면 접점을 형성하면서 광다이오드를 완성한다. 계속되는 최종 마무리 단계에서 플레이트에 접점의 가이드 전자장치용으로 추가 천공을 수행한다.

하루에 600개의 태양전지 모듈 생산

마지막으로 코팅한 유리기판을 커버 유리에 영구적으로 결합시킨다. 결합된 CIS 태양전지 패널은 지붕과 주택 외관에 설치된 재래식 태양수집기부터 발전기, 통합형 제품 및 독립 실행형 솔루션에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 사용할 준비가 된 상태이다.

Cognex ID 판독기 사용해 각 워크스테이션에서 출력 극대화

복잡한 생산 공정을 간략히 소개하는 다음 개요가 CIS 태양전지 모듈의 품질에 영향을 미치는 수많은 요소를 보여준다. Cognex ID 판독기를 사용한 생산 데이터의 완벽한 추적이 개별 워크스테이션을 완성하는 기반을 마련했다. Wurth Solar는 AIT 소프트웨어의 결과는 말할 것도 없고 ID 판독기의 신뢰성과 쉽게 다룰 수 있다는 점에 만족을 표시했다. 2008년 초 하루에 600개인 기존 태양전지 모듈 출력의 거의 두 배에 가까운 1,100개 모듈로 추가된 생산 설비를 사용할 계획이다.

본 기사는 코그넥스코리아(www.cognex.com)에서 제공한 내용을 토대로 게재된 것입니다.

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