연구분야
박희재 명예교수는 정밀계측(Precision Metrology)을 학문적 기반으로 하여, 측정 정확도와 신뢰성을 향상시키기 위한 다양한 계측 이론과 시스템 개발 연구를 오랜 기간 수행해 왔다. 초기 연구에서는 컴퓨터 기반 오차 보정 및 공학 계측(Computer-Aided ErrorCalibration 및 Engineering Metrology)를 중심으로, 측정 시스템에 내재된 오차를 체계적으로 분석·보정하고, 정밀 공학 시스템 전반에서 요구되는 계측 정확도의 한계를 확장하는 연구를 진행하였다.
이후 연구는 초정밀 광학 계측(Ultra Precision Optical Metrology)으로 확장되어, 3차원 표면 형상과 박막 두께를 고해상도로 측정하기 위한 광학 기반 계측 기법을 다루었다. 이 과정에서 간섭계, 반사계, 엘립소미터 등 다양한 광학 원리를 활용한 측정 기술을 발전시켜 왔으며, 이러한 연구는 정밀 형상 및 두께 계측 분야에서 산업 현장에 직접 적용되는 계측 기술의 개발과 활용에 기여해 왔다.
Computer Aided Error Calibration and Engineering Metrology
본 연구 분야는 좌표측정기(CMM)와 CNC 공작기계 등 정밀 제조·계측 시스템에서 발생하는 다양한 오차를 체계적으로 분석하고, 이를 컴퓨터 기반 알고리즘을 통해 보정함으로써 측정 정확도와 제조 정밀도를 향상시키는 Computer Aided Error Calibration 및 Engineering Metrology에 관한 것으로 단순한 오차 측정이나 장비 성능 평가에 머무르지 않고, 측정–진단–보정–검증을 하나의 통합된 시스템으로 다루는 계측 공학적 접근을 지향한다.
초기 연구에서는 좌표측정기의 정확도를 제한하는 주요 요인인 측정 프로브 오차와 기계 기하 오차를 정량적으로 분리·평가하는 방법을 개발하였다. 상용 기계식 기준물과 링 게이지 등을 활용하여 프로브 방향 의존 오차와 축 정렬 오차를 분석하고, 이를 컴퓨터 기반 진단 시스템으로 구현함으로써 반복성과 신뢰성이 높은 오차 평가 환경을 구축하였다. 이러한 연구는 좌표측정기 오차를 개별 요소가 아닌 복합적인 시스템 오차로 인식하는 기반을 마련하였다.
이후 연구는 컴퓨터 통합형 오차 진단 및 보정 시스템으로 확장되었다. 보정된 기준 아티팩트를 이용한 자동 진단 기법과 소프트웨어 기반 오차 모델링을 통해, 상용 좌표측정기의 측정 결과를 실시간 또는 준실시간으로 보정할 수 있는 체계를 제시하였다. 특히 측정 프로브 오차와 기계 기하 오차를 동시에 고려한 통합 보정 개념은 실제 산업 현장에서의 측정 정확도 향상에 직접적으로 기여하였다.
공작기계 분야로 연구 영역이 확장되면서, 체적 오차 평가와 열 오차 모델링이 중요한 연구 주제로 다루어졌다. 볼바 측정과 3차원 체적 오차 모델을 결합한 새로운 오차 평가 기법을 제안하고, 잔류 위치 오차를 최소화하기 위한 보정 알고리즘을 개발함으로써 고정밀 가공의 신뢰성을 향상시켰다. 또한 스핀들 및 이송축에서 발생하는 다자유도 열 변위를 정밀하게 측정·모델링하고, 이를 실시간 보정 시스템에 통합함으로써 장시간 가공 및 열 환경 변화에도 안정적인 정밀도를 유지할 수 있는 기반을 확립하였다.
아울러 본 연구는 계측 기술을 제조 공정 전반으로 확장하여, CAD/CAE/CAM/CAI 통합 환경에서의 정밀 검사 및 정렬 기술을 발전시켰다. CAD 정의 형상을 기준으로 한 컴퓨터 지원 검사 시스템을 구축하고, 박형 구조물이나 복잡한 형상을 갖는 부품에 대해 측정 피드백 기반 반복 정렬 기법을 적용함으로써, 금형 및 항공기 부품과 같은 고난도 정밀 부품의 검사·조립 문제를 효과적으로 해결하였다.
종합적으로, 본 연구 분야는 정밀 계측 이론, 기계 오차의 물리적 이해, 컴퓨터 기반 진단 및 보정 알고리즘, 그리고 제조 시스템 통합을 유기적으로 결합한 Engineering Metrology 연구를 수행해 왔다. 이러한 연구 성과는 오늘날 스마트 제조, 디지털 트윈 기반 계측, 그리고 고정밀 산업 분야에서 요구되는 신뢰성 높은 측정 및 보정 기술의 학문적·기술적 토대를 제공하고 있다.
Precision Optical Inspection and Vision-Based Image Processing
정밀 광학 검사와 비전 기반 영상 처리 기술은 고정밀 제조 산업에서 비접촉, 고속, 고신뢰 측정을 실현하기 위한 핵심 연구 분야이다. 본 연구 분야는 광학 이론과 정밀 기계 시스템 설계, 영상 센서 기술, 그리고 정밀 영상 처리 알고리즘을 통합하여, 카메라 렌즈, 반도체 웨이퍼, 디스플레이 패널, 마이크로 기계 부품 등 다양한 산업 대상의 형상, 치수, 표면 특성 및 결함을 정량적으로 분석하는 것을 목표로 한다.
초기 연구는 카메라 렌즈 제조 공정에서 발생하는 초점 거리 편차와 광학 성능 저하 문제를 해결하기 위해, 광학 성능을 직접 계량화할 수 있는 측정 및 보정 기술을 개발하는 데서 출발하였다. 광학 전달 특성을 기반으로 한 정밀 측정과 컴퓨터 지원 보정 기법을 통해, 기존의 기계적 기준에 의존하던 방식의 한계를 극복하고 광학 성능 중심의 정밀 검사 체계를 확립하였다. 이러한 접근은 이후 비전 기반 정밀 검사 기술 전반의 기초가 되었다.
연구는 점차 고정밀 광학계와 영상 처리 알고리즘을 결합한 비접촉 계측 기술로 확장되었으며, 서브픽셀 수준의 정밀도를 갖는 영상 처리 기법을 통해 미세 형상과 좌표를 정량적으로 측정할 수 있는 비전 기반 계측 시스템이 개발되었다. 이는 마이크로 스케일 부품과 정밀 기계 요소의 형상 측정에 적용되어, 고해상도이면서도 반복성이 우수한 측정이 가능함을 보여주었다.
이러한 정밀 비전 계측 기술은 소형 및 마이크로 기계 부품의 프로파일 검사와 성능 평가로 이어졌으며, 지능형 영상 처리 기법과 가상 기준 모델을 활용한 자동 검사 시스템으로 발전하였다. 이를 통해 복잡한 형상을 갖는 미세 부품에서도 형상 오차와 결함을 안정적으로 검출할 수 있는 기반이 마련되었다.
비접촉 3차원 측정 분야에서는 광학 현미경 기반의 초점 정보와 디포커스 특성을 이용한 표면 형상 복원 기법이 연구되었으며, 새로운 광학 프로브 설계를 통해 반도체 웨이퍼 및 미세 패턴 구조의 3차원 형상을 정밀하게 측정할 수 있는 기술이 제안되었다. 이러한 연구는 정밀 광학 검사 기술을 2차원 영상 분석에서 3차원 형상 계측으로 확장시키는 중요한 전환점이 되었다.
이후 연구는 대면적 디스플레이와 반도체 제조 공정을 대상으로 자동 광학 검사와 임계 치수 측정 기술로 집중되었다. 대량 생산 환경에서 요구되는 실시간성과 신뢰성을 확보하기 위해, 패턴 비교 기법, 경계 검출 및 확장 알고리즘, 고속 영상 처리 기반의 인라인 검사 시스템이 개발되었으며, 이는 실제 산업 공정에 적용 가능한 수준의 정밀 검사 기술로 발전하였다.
정밀 광학 검사 기술은 점차 다중 스펙트럼, 간섭계, 프린지 투영, 광학 단층 영상 등 다양한 광학 원리를 결합한 복합 계측 시스템으로 확장되었다. 이를 통해 투명 박막, 미세 범프 구조, 반도체 관통 전극과 같은 복잡한 구조물의 치수와 형상을 정량적으로 측정할 수 있게 되었으며, 측정 대상과 공정 특성에 최적화된 광학 검사 기법이 지속적으로 제안되었다.
최근에는 고속 영상 재구성, 영상 품질 향상, 초점 및 수차 보정과 같은 알고리즘 연구를 통해 측정 정확도와 처리 속도를 동시에 향상시키는 방향으로 연구가 진전되었다. 더 나아가, 복잡한 배경과 다양한 결함이 혼재된 산업 검사 환경에 대응하기 위해 인공지능 기반 영상 처리 기법이 도입되었으며, 이는 기존 규칙 기반 검사 방식의 한계를 보완하고 높은 신뢰도의 자동 결함 검출을 가능하게 하고 있다.
본 연구 분야는 광학 성능 기반 정밀 측정에서 출발하여, 비전 기반 계측, 3차원 광학 검사, 대면적 제조 공정 검사, 그리고 인공지능 기반 지능형 검사로 이어지는 일관된 연구 흐름을 형성하고 있다. 이러한 연구 성과들은 정밀 제조 산업 전반에서 품질 관리와 공정 혁신을 지원하는 핵심 기술로 자리매김하고 있으며, 향후에도 정밀 광학 검사와 비전 기반 영상 처리 기술의 지속적인 발전에 기여할 것으로 기대된다.
Ultra Precision Optical Metrology for Three-Dimensional Surface and Thickness
초정밀 광학 계측(Ultra Precision Optical Metrology)은 나노미터 이하 수준의 정밀도를 요구하는 3차원 표면 형상 및 박막 두께 측정을 핵심 목표로 하는 연구 분야이다. 반도체 및 디스플레이 공정, 정밀 기계 가공, 의료·바이오 부품, 마이크로 광학 소자와 같이 고도의 형상 정확성과 물성 제어가 요구되는 산업 전반에서, 비접촉·고정밀 계측 기술은 공정 제어와 품질 보증을 위한 필수 요소로 자리 잡고 있다. 본 연구 분야는 간섭계, 분광 반사계, 엘립소메트리 등 다양한 광학 원리를 기반으로 하며, 계측 하드웨어의 설계와 신호 처리 알고리즘의 고도화를 통해 측정 정확도, 재현성, 그리고 실시간성을 지속적으로 향상시켜 왔다.
초기 연구는 연마 공정이 적용된 정밀 부품의 3차원 표면 형상을 정량적으로 평가하기 위한 표면 토포그래피 계측에서 출발하였다. 백색광 간섭법을 이용한 3차원 표면 계측 시스템을 개발함으로써, 넓은 측정 범위와 나노미터 수준의 높이 분해능을 동시에 달성하였으며, 이를 실제 산업 및 의료용 부품에 적용하여 표면 품질을 정량적으로 분석하였다. 이후 백색광 위상천이 간섭법의 반복성과 신뢰성을 향상시키기 위해 위상 오차를 체계적으로 보정하는 신호 처리 알고리즘을 제안함으로써, 기계적 스캐닝 오차와 환경 진동에 대한 민감도를 낮추고 고정밀 3차원 형상 측정의 기반을 확립하였다.
이러한 3차원 표면 계측 기술은 투명 및 반투명 박막의 두께 측정으로 확장되었다. 파장 스캐닝 간섭법을 이용하여 파장 변화에 따른 간섭 신호를 분석함으로써 박막 두께를 정밀하게 추정하는 방법을 제시하였으며, 웨이블릿 변환과 같은 고급 신호 처리 기법을 적용하여 두께 분포 측정의 안정성과 공간 분해능을 향상시켰다. 이를 통해 단일 지점 측정에 국한되지 않고, 박막 두께의 면적 분포를 정량적으로 평가할 수 있는 계측 기술로 발전시켰다.
또한 이러한 광학 계측 기법은 반도체 공정에서 요구되는 미세 구조 측정으로 응용되었다. TSV와 같은 고종횡비 구조의 3차원 형상을 저개구수 조건에서도 안정적으로 측정할 수 있는 방법을 제안하였으며, 위상 지연 보상과 프린지 차수 결정 알고리즘을 통해 복잡한 형상에서도 위상 언래핑 오류를 최소화하였다. 나아가 마이크로 프레넬 렌즈 및 렌티큘러 렌즈와 같은 비구면·주기 구조에 대해서도 비모호한 3차원 형상 측정이 가능하도록 계측 기법을 확장하였다.
표면 형상과 박막 두께를 동시에 측정하기 위한 연구로는 분광 반사계와 간섭계를 융합한 하이브리드 계측 기술이 제안되었다. 분광 이미징 반사계 기반의 체적 두께 측정 기법을 통해 박막 두께의 공간 분포를 정량화하였으며, 백색광 스캐닝 간섭법과 반사계를 결합함으로써 투명 박막의 표면 형상과 두께를 동시에 추정할 수 있는 통합 계측 방법을 구현하였다. 이와 함께 잔류 진동이 측정 정확도에 미치는 영향을 저감하기 위한 입력 성형 기법과 진동 계측 연구를 통해, 실제 산업 환경에서도 안정적인 초정밀 측정이 가능하도록 시스템 신뢰성을 강화하였다.
측정 속도와 실시간성을 향상시키기 위한 연구도 지속적으로 수행되었다. 분광 반사계 신호에서 위상을 직접 추출하여 박막 두께를 고속으로 계산하는 알고리즘을 제안하였으며, 백색광 간섭계에서 획득된 높이 데이터의 유효성을 평가하고 보간하는 방법을 통해 표면 거칠기 측정의 정확도를 향상시켰다. 또한 컬러 카메라를 활용한 체적 두께 측정 기법과 간섭 데이터 기반의 실제 색상 영상 생성 기술을 통해 계측 데이터의 활용성과 시각화를 확장하였다.
최근에는 스캐닝 기반 계측 방식의 한계를 극복하기 위해 스냅샷 방식의 분광 및 각도 분해 광학 계측으로 연구가 발전하고 있다. 단일 샷에서 다중 파장 및 다중 입사각 정보를 동시에 획득하는 분광 각도 분해 엘립소메트리와 동축 구조의 스냅샷 분광 엘립소메트리를 통해, 실시간 박막 두께 및 광학 물성 측정이 가능해졌다. 구조광을 이용한 각도 분해 분광 반사계 및 엘립소메트리 기법은 측정 자유도를 획기적으로 확장하였으며, 체적 두께 측정과 인라인 공정 계측으로의 적용 가능성을 제시하였다.
이와 같이 본 연구 분야는 3차원 표면 형상과 박막 두께 측정을 개별적인 계측 문제로 다루는 것을 넘어, 분광·각도·공간 정보가 결합된 고차원 광학 계측 문제로 확장해 왔다. 광학 이론, 계측 시스템 설계, 신호 처리 알고리즘을 유기적으로 결합한 이러한 연구는 차세대 반도체 및 디스플레이 공정 계측, 마이크로·나노 광학 소자 분석, 그리고 고신뢰 인라인 공정 모니터링 기술의 핵심 기반으로 활용될 수 있다.