UVA로 검출하기 어려운 물질을 식별하다! UVC LED 기반 비파괴 형광 이미징 기술
산업용 UV 조명은 수은 램프에서 LED로 점차 전환되고 있다. 수은 UV 경화 램프를 전 세계적으로 즉시 금지하는 규정은 없지만, 수은 사용 감축을 위한 국제적 흐름과 에너지 효율, 유지보수 비용에 대한 요구가 LED 채택을 앞당기고 있다. 다만 머신비전 관점에서 더 중요한 변화는 광원의 종류보다 파장을 정밀하게 선택할 수 있게 됐다는 점이다.
UVA와 UVC, 무엇이 다른가
수은 램프는 비교적 낮은 비용으로 높은 출력을 제공하고 여러 UV 파장을 동시에 방출한다. 반면 수명이 수백 시간 수준으로 짧고, 공급 전력의 상당 부분이 열로 손실된다. 예열이 필요해 필요할 때만 켜는 운전도 어렵다. LED는 일반적으로 1만 시간 이상의 수명과 즉시 점등, 단일 파장 출력을 제공해 검사 대상의 분광 특성에 맞춰 광원을 설계하기 쉽다.
UVA LED는 365·385·395·405nm를 중심으로 기술과 관련 소재가 성숙했다. ProPhotonix의 백서 『UVC Illumination:Unlocking Applications Unachievable with UVA Light』에 따르면, 395~405nm 영역의 일부 UVA LED는 공급 전력의 약 40%를 광출력으로 변환한다. 형광 증백제와 광개시제도 이 파장대에 맞춰 개발돼 일반적인 형광 검사와 경화에서는 UVA가 여전히 우선적인 선택이다.
이에 비해 단파장 UVC LED는 효율이 1% 미만인 경우가 많아 광량과 비용 측면에서는 불리하다. 그러나 파장이 짧아 광자 하나가 가진 에너지가 높고, UVA에서는 충분히 유도하기 어려운 특정 전자 여기와 형광 반응을 일으킬 수 있다. 또 265~290nm 영역에서 약 5nm 간격으로 파장을 선택할 수 있어 특정 물질의 흡수 대역에 맞춘 조명 설계가 가능하다.
<표1> UVA와 UVC의 검사 특성
형광 검사에서는 광원의 전체 출력만큼 대상 물질의 흡수 대역과 LED 중심파장이 일치하는지가 중요하다. 파장이 짧을수록 광자 하나의 에너지가 커지므로, UVC는 광변환 효율이 낮더라도 특정 물질에서는 UVA보다 강한 형광 반응을 유도할 수 있다. 반대로 대상 물질의 흡수 대역과 맞지 않으면 광출력을 높여도 충분한 대비를 얻기 어렵다. 따라서 실제 검사에서는 출력 수치보다 대상 물질에 적합한 여기 파장을 먼저 선정해야 한다.
이러한 특성을 고려하면 UVC의 역할은 UVA를 전면 대체하는 것이 아니라, 기존 파장으로는 충분한 대비를 만들기 어려운 검사에서 선택적인 형광 신호를 얻는 데 있다. 이 차이는 정제의 유효성 분과 투명 플라스틱처럼 일반 조명에서 구분이 어려운 대상에서 분명하게 나타난다.
UVC로 정제 성분을 구분하다
제약 제조의 품질검사는 생산 배치에서 일부 정제를 추출해 실험실에서 성분을 분석하는 파괴검사에 크게 의존한다. 표본검사는 전체 품질을 추정할 수 있지만 생산된 모든 정제의 함량 편차와 개별 이상치를 확인하지는 못한다. 정제를 손상시키지 않고 생산라 인에서 검사할 수 있다면 추적성과 품질보증 수준을 높일 수 있다.
유효성분은 각각 고유한 흡수와 형광 방출 특성을 갖는다. 아세틸 살리실산, 즉 아스피린은 분말 상태에서 288nm와 315nm 부근에서 강한 형광을 나타내는 것으로 보고됐다. ProPhotonix의 백서는 아스피린 기반 발포정과 파라세타몰 기반 정제의 반응을 비교했다. 백서의 <그림1> 캡션을 기준으로 실험에는 385nm UVA 와 285nm UVC 조명이 사용됐다.
<그림1> 385nm UVA 조명(왼쪽)에서는 파라세타몰 정제와 아스피린 발포정이 유사한 보라색으로 나타난다. 285nm UVC 조명(오른쪽)에서는 아스피린 발포정만 청색 형광을 방출해 두 정제를 구분할 수 있다.
이 결과는 특정 유효성분의 여기 파장에 맞는 UVC 조명을 적용 하면 외형이 유사한 정제를 형광 반응으로 구분할 수 있음을 보여 준다. 형광 강도와 유효성분의 양 사이에 충분한 상관관계가 확보된다면 발광 신호를 이용한 함량 추정과 인라인 선별로 확장할 가능성도 있다.
다만 백서에 제시된 비교 영상만으로는 실제 생산라인에서의 정량 정확도와 반복성을 판단하기 어렵다. 실제 정량검사에는 정제의 코팅과 색상, 표면 상태, 생산 편차가 신호에 미치는 영향을 검증하고 규제 기준에 맞는 공정 검증을 거쳐야 한다.
<그림2> 385nm UVA 조명(왼쪽)에서는 PET 시료의 대비가 낮지만, 285nm UVC 조명(오른쪽)에서는 청색 형광이 나타나 시료의 형상이 뚜렷해진다.
투명 플라스틱을 형광으로 검출하다
식품 생산라인에서 투명 플라스틱 조각은 제거해야 할 주요 이물 질이지만, 가시광을 대부분 통과시키고 카메라로 돌아오는 반사 광이 적어 기존 비전 시스템으로 안정적으로 검출하기 어렵다. 대상과 배경의 광학 특성이 비슷하면 조명 각도나 편광을 조정해도 충분한 대비를 얻지 못할 수 있다.
2025년 발표된 연구에서는 여러 플라스틱의 UV 형광 특성을 분석했으며, PET는 315nm 미만의 파장 영역에서 최대 여기 반응을 나타냈다. 같은 PET 시료에 385nm와 285nm 조명을 각각 조사한 결과, UVA에서는 소재가 거의 투명하게 나타났지만 UVC에서는 청색 형광을 방출해 배경과 구분됐다.
플라스틱마다 최적의 여기 파장이 다르므로 여러 파장을 제공하는 다중파장 조명을 구성할 수도 있다. 각 파장에서 얻은 형광 영상의 차이를 분석하면 검사 대상이 되는 플라스틱 성분을 분류하고 이물질을 선별하는 방식으로 발전시킬 수 있다.
플라스틱 소재 식별에는 초분광 이미징도 활용된다. 초분광 카메라는 픽셀별 분광 정보를 제공하지만, 높은 장비 비용과 제한적인 프레임 속도로 인해 전수검사 적용이 어려울 수 있다. 형광 기반 방식은 대상 물질이 강하게 반응하는 파장을 먼저 선택하고 일반 CMOS 카메라로 발광 영상을 촬영한다. 조건이 맞는다면 비교적 단순한 구성으로 고속 인라인 검사를 구현할 가능성이 있다.
UVC, UVA를 보완하는 선택적 광원
UVC는 UVA를 대체하는 범용 광원이 아니라, 기존 파장으로 검출 하기 어려운 물질을 선택적으로 식별하는 보완 광원이다. 핵심 가치는 높은 출력보다 파장 선택성과 높은 광자 에너지에 있다. 실제 적용에서는 대상 물질의 흡수·형광 특성을 확인한 뒤 LED 파장, 광강도, 광학 필터, 카메라 감도와 생산라인 속도를 함께 최적화해야 한다. 또한 UVC가 작업자에게 노출되지 않도록 차광 구조와 인터록 등 안전 대책을 함께 적용해야 한다. 기술 개선과 함께 UVC 기반 머신비전의 적용 분야도 확대될 전망이다.
자료제공: ProPhotonix(www.prophotonix.com)
