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NIR 선별기술

근적외선 분광법(Near-Infrared Ray)을 이용한 선별기술로서
물질 고유의 적외선 흡수 스펙트럼을 분석하여 실시간으로 공급된 물질의
재질을 판별, 토출 장치를 통해 선별하는 기술

  • NIR system
    처리방법▶ 실시간 분석(1개의 데이터 패킷 처리시간 : 20m/s), 6개의 옵티컬 엔진에 의한 폭 럽은 수용성, 옵티컬 파이브 적용으로 다양한 성상별 선별기능(1~3가지 성상별로 고객 선택 가능)
    정확성▶ 플라스틱 선별을 95%이상(선별순도 95%이상)

    ▶ 광산란에 의한 데이터 에러율 < 1%
    수행능력▶ 각각 옵티컬로 성분분석 가능 (최대 64개의 프로브에서 동시 성분분석)
    ▶ 시스템 동작에 관한 데이터 로그파일 작업 및 전송
    • 근적외선(NIR)을 이용한 플라스틱 재질의 고속판별기술

    생활용 혼합 재활용품

    생활용 혼합 재활용품

    플라스틱 자동선별 시스템

    플라스틱 자동선별 시스템

    플라시틱 재질별분리

    플라시틱 재질별분리

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    • 1

      이송콘베이에 의해 재활용품이송

    • 2

      근적외선 램프에서 근적외선 투시

    • 3

      플라스틱에서 반사된 파형을 검출기(Detector)에서 수신

    • 4

      수신된 파형을 광케이블을 통해 광다즘 채널로 송신

    • 5

      광다중 채널에서 파형을 종합하여 근적외선 분광판별기로 송신

    • 6

      근적외선 분광 판별기에서 플라스틱 성분을 분석후 전자동 통합제어시스템으로 분석된 정보를 전송

    • 7

      근적외선 분광 판별기에서 보낸 정보를 전자동 통합제어시스템에서 수신한후 입력된 플라스틱 성분만 Air로 토출 및 분리

  • NIR Spectroscopy (Near Infrared Spectroscopy)
    • NIR 영역 : 800nm - 2500nm (4000cm - 1 ~ 12,500cm - 1)

    • O-H, C-H, N-H 피크들의 harmonics 혹은 combination 피크가 나타나는 영역

    • 피크의 폭이 넓고 많은 피크들이 겹쳐 나타나기 때문에 스펙트럼의 직접적인 해석이 어렵다.
      → Chemometric을 이용한 분석법으로 발전

    • NIR 영역에서 흡수가 약하다.
      → 반사율이 높다. → 반사 악세서리 사용 용이 → 시료 전처리가 필요없다.

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  • NIR Chemometric의 발전
    • 1950년대 스펙트럼의 모양이 매우 복잡하고 해석이 어려워 특별한 목적 이외에는 사용되지 않음

    • 1968년도 Dr.Karl Norris (미국 농무성), NIR분석법 처음 소개, 상대 정량법(화학 분석등의 기존의 방법으로 분석된 시료와의 비교를 통한 정량)다중 선형 회귀법(Multiple Linear Regression)을 이용해 NIR분석의 흡광도 값도 분석 값과의 상관 관계를 검정 곡선으로 만든후 시료를 분석하는 방법, 오늘날 근적외 분석법(NIR분광법)의 출발점이 됨.

    • 1970년대 농업분야, 식품분야에서 원료 검사뿐만 아니라 생산 중간과정(In-process)이나 최종 제품 검사에도 응용.

    • 1970년대 후반 캐나다, 미국등에서 NIR 분광법에 의한 소맥중의 수분, 단백질 측정법이 공인됨.

    • 1980년대 분자, 섬유, 제지, 석유화학, 제약, 의약, 화장품, 재료 등의 분석법에도 파급

    • 최근 FT-NIR과 Chemometric software의 발전으로 정밀화학 및 제약 분야등의 화학 관련 업계로 사용이 확산되고 있음.

  • 적외선 분광법(FTIR Spectroscopy)과 NIR분광법 (Near Ifrated Spechroscopy)
    적외선 분광법(Mid IR영역)근적외선 분광법
    Mid-IR(400 - 4000cm - 1)은 분자의 진동 전이가 일어나는
    영역으로 특정 위치에서 각 functional group의 흡수피크가
    나타나기 때문에 물질의 정성 분석에 많이 이용되어 왔다.
    하지만 MID IR 영역에서는 분자의 흡광도가 커서 KBr등으로
    시료를 희석해야 하는 경우가 많아 시료가 용매가 녹지 않는
    경우 정량 분석이 어렵다는 단점이 있음.
    NIR 영역은 (4,000 - 10,000cm -1)진동 전이중 Overlone과
    Combination에 의한 전이가 나타나는 영역으로 이러한 전
    이들은 기준 진동 전이보다 전이의 확률이 낮아 Mid - IR
    영역에 비해 흡광도가 낮다. 이영역에서는 피크의 폭이
    넓고 피크간 겹침이 많아 피크의 해석이 어렵다는 단점이
    있지만 MLR, PLS등의 Chemometric 방법을 이용할 경우
    매우 높은 정확도로 정량분석을 할 수 있음
  • NIR분광기
    분산형 NIR분광기FT-NIR 분광기
    * NIR 스펙트럼과 chemometrics를 이용한 물질의 정량
    분석시 1000nm ~ 2500nm의 넓은 영역의 스펙트럼의
    측정이 요구된다.
    *분산형 분광기의 경우 측정 영역이 넓어지면 넓어질
    수록 측정 시간이 길어진다. 측정 시간을 단축하기 위해
    scanning 속도를 증가시켜 측정 하나 이런 경우 파장
    정확도가 떨어진다는 단점이 있다.
    * 간섭계와 Fourier Transform을 이용한 분광기전파장
    영역의 스펙트럼을 짧은 시간내에 측정할 수 있고 파장의
    정확도가 높다.
    * 간섭계 : Michelson inteferometer type, Quarlz Wedge
    interferometer type 공정용(On-line), 현장용(At-line)
    및 LAB(Off-line)용으로 적합하다.
  • FT-NIR 분광기에 사용되는 간섭계
    Michelson interferometer Quartz Wedge Interferometer type
    광원이 Beam splitter에 의해 Fixed Mirror와 Moving Mirror로 나뉘어 진후 다시 합쳐질 때 생기는 위상치에의해 Interferogram이 생긴다. Moving Mirror가 항상 정확한 거리를 유지하며 움직여야 하므로 Portable type 기기, 즉 On-line 용으로는 적당하지 않다 편광된 빛이 Double refractive prism (oriented quartz plate(시간에 따라 두께(d)가 변하도록 디자인됨)를 통과하면서 생기는 위상치를 이용해 interferogram을 얻는다. 기계적인 움직임의 정도가 광학적 간섭 효과로 보면 100배정도 감소됨 - 진동의 영향이 없다. -Portable type으로 적당하다. (현장용 공정 관리용, 품질관리용등)
  • 분석과정

    시료의 스펙트럼을 얻은후 시료의 스펙트럼과 습식 분석 결과 값과의 연관성을 통계적으로 계산하여 정성, 정량 분석

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  • NIR의 광학구조
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    Quartz Wedge Interterometer에서 변조된 빛은 reference beam과 sample beam으로 나위어 진다. Sample beam은 Cuvette cell 또는 Optical fiber probe로 도입되어 시료를 통과 하고 Reference beam 은 시료를 통과하지 않고 검출기로 들어간다. 검출기에서는 이 두개의 interferogram을 A/D converter로 보내고 computer에서 Fourier Transform을 거쳐 두개 스펙트럼의 비(Sample / reference) 를 계산하여 투과 스펙트럼 혹인 반사 스펙트럼을 얻는다.

  • Quartz Wedge Interferometer
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    • +45o 로 편광된 빛은 birefringent wedge를 지나 -45o polarizer를 지난다.

    • 만일 double refractive prism에 의해 90o 위상차가 생기면 검출기에서 감지되는 빛의 intensitysms 최대치가 되고 위상차가 '0'이면 intensity는 최소가 된다.

  • Quartz wedge interferometer

    Buhler의 특허인 Quarlz wedge interferometer는 quartz의 서로 수직인 두 주축에 따라 빛의 진행속도가 다르다는 것을 이용한다.
    방향성을 갖도록 정당히 잘라진 두께 d를 갖는 Quartz를 편광이 통과하게 되면 이 빛은 ordinart beam과 extraordinary beam으로 나뉘어진다.

    이렇게 나뉘어진 두 빛은 서로 다른 전파 속도를 갖기 때문에 plate를 빠져나올 땐두 빛 사이에 위상차(Dj)가 생긴다.
    Dj=2dk (no-nao)(k-wavenumber of light, no, nao - refranctive index for ordinary and extraordinary beams, respectively)이 interferometer 에선 quartz plate의 두께를 변화 시킴으로써 위상차를 변화 시킬 수 있고 따라서 interferogram을 얻을 수 있다.
    시간에 따라 quartz 두께를 변화 시키기 위해 quartz plate를 대각선 방향으로 자르고 두개의 조각난 quartz를 서로 대각선 방향으로 이동시킨다.

    Michelson interferometer Vs Quartz wedge interferometer

    Quartz의 경우엔(no-nao)가 0.01정도로 작기 때문에 quartz wedge가 어느 한 파장 만큼 움직인다고 하더라도 빛의 위상차는 매우작다.
    Michelson interferometer와 비교하면 Quartz wedge interferometer에서는 quartz plate의 움직임과 같은 기계적인 움직임의 정도가 광학적 효과(간접정도)로 나타날때 100배 정도 줄어들을 나타내는 것으로 Quzrtz wedge inerferometer가 Micheson interferomter보다 외부의 진동 등에 영향을 별로 받지 않음을 보여준다.
    특히 소음이나 진동이 심한 열악한 환경에선 Michelson interferomter보다 선호되는 이유가 여기에 있다.

    High precision

    앞의 그림에서 볼 수 있듯이 NIR source 외에도 photodiode에서 Laser(단색광)의 interferogram을 얻는다.
    이 단색광의 interferogram을 기준으로 NIR 광원에 의한 interferogram이 되어 언제나 높은 정확도로 스펙트럼을 측정한다.

  • 개발 제품의 분석기 광학엔진 모식도
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  • 선별원리
    • [예] 좌측 하단부의 그림과 같이 6개의 프로브를 장착하고, 아래의 재원으로 시스템을 구축할 경우 우측에 보이는 그림과 같이 분석한다.

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  • 개발제품의 분석 알고리즘
    • PPD-PCR Algorithm 적용 (Partial Packet Discard - Principal Components Regression)

    • PPD-Fuzzy Algorithm 적용 (Partial Packet-Fuzzy)

    • Modeling Database적용

    • 소프트웨어 등록(2003-01-24-1747, 2003년 4월 2일)

  • 플라스틱 성분 모델링화
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  • 플라스틱 성분별 모델링 데이터베이스화(플라스틱 성분별 모델링 방법)
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  • Spertrometric Analysis Software
    • Chemometric methods such as PLS, PCR, Fuzzy, Euclid, Neural Networks

    • Comprehensive spectrum standardization

    • Visualization of analysis results and statistics

    • Programming of new, and modification or enhancement of existion, identification routiones

    • Simple creation and integration of own application windows

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