플라스틱 재질을 구분하는 하이퍼스펙트럴 카메라
AVAL DATA
개요
전 세계적으로 환경의 중요성에 대한 인식이 확산되면서 Recycle에 대한 관심도 증가하고 있다. 이 중 플라스틱은 비닐봉지, 빨대, 식품 용기 등 일상적인 용도부터 반도체, 인공 피부 등 각종 산업에서도 사용되고 있다. 따라서 버려지는 양도 상상을 초월해 1950년부터 2015년까지 폐기된 플라스틱은 63억 톤에 이른다. 이중 재활용이 가능한 비율은 15% 이하로, 환경파괴의 주범이 되고 있다.
플라스틱은 제조방식에 따라 수 백 가지가 넘는 종류가 있으며 이에 따라 재활용 방식이 다양하다. 하지만 육안으로는 플라스틱을 구별하기가 어려워 재질의 특성을 구별하기 위해서 근적외선의 넓은 파장대역 카메라가 요구된다.
아발데이터(AVAL DATA)에서는 최근 450~1700nm까지 분광이 가능한 하이퍼스펙트럴 카메라 AHS-003VIR을 출시했다. 이 카메라는 다양한 재질의 플라스틱을 구분할 수 있다. 근적외선 하이퍼스펙트럴 카메라의 이해도를 돕기 위해 근적외선에 대한 기초지식과 다양한 플라스틱 재질의 구별 방법 및 주변 기기들에 대해 알아보자.
1. 근적외선에 대한 기초
자주색부터 빨간색까지 표시된 380nm~780nm의 영역은 실제로 사람의 눈으로 인식할 수 있는 가시광이다. 가시광보다 파장이 넓어지면 사람의 눈으로 볼 수 없는 특징을 파악할 수 있다. 가시광에서 사과를 봤을 때에는 일반적인 사과지만 근적외선으로 촬영했을 때 가시광에서 보이지 않는 멍자국이 보인다.
그림 3에서 좌측 이미지와 같이 가시광으로 촬영한 사탕의 경우에 색상과 모양으로 구별이 가능하다. 하지만 사실 여기에는 서로 다른 2종류의 사탕이 섞여 있다. 근적외선으로 촬영할 때에는 그림 3의 우측 이미지처럼 2가지의 다른 종류의 사탕이 구별되는 것을 알 수 있다.
2. 근적외선 & 하이퍼스펙트럴 카메라
하이퍼스펙트럴 카메라는 근적외선 카메라를 기반으로 개발되었다. 그래서 하이퍼스펙트럴 카메라에 대해 설명하기 전에 근적외선에 대해 알아보았다. 다음으로 하이퍼스펙트럴 카메라에 대해 알아보겠다.
ABA-003(013)VIR의 경우 Sony의 IMX990/991 InGaAs 센서를 탑재했으며 5um의 Pixel 사이즈를 갖고 있다. ABA-003VIR은 0.3M의 해상도, 최대 258fps 그리고 ABA-013VIR은 1.3M의 해상도, 최대 134fps로 촬영이 가능하다.
파장대역 400~1700nm의 가시영역부터 근적외선 영역까지 대응하는 근적외선 카메라이며, 센서 자체적으로 TEC1 쿨러가 내장되어 있어 낮은 Dark current noise로 높은 퀄리티의 이미지를 촬영할 수 있다. 또한 1 Line의 이미지 데이터를 취득하여 분광 유닛에서 스펙트럴 데이터로 변환하여 Area sensor에 전달하는 AHS-003VIR 카메라는 1 Line을 촬영하면 512 band로 각 Line 당 10.5nm마다 분광된 파장을 센서에 전달한다.
하이퍼스펙트럴 카메라를 사용하여 촬영하면 재질의 파장대별 특성을 한 번에 파악할 수 있다.
타사대비 아발데이터의 하이퍼스펙트럴 카메라는 높은 파장(최대 2150nm), 넓은 분광 파장 및 많은 Band 개수를 가지고 있다.
3. 활용 방법(플라스틱 재질 구별)
아래 검사 예시는 가시광에서 차이를 분석하기 어려운 플라스틱을 하이퍼스펙트럴 카메라의 분광 분석을 이용하여 플라스틱을 판별한 케이스이다.
하이퍼스펙트럴 카메라로 그림 8과 같은 분광 정보를 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 Nylon과 PS, PC, PP를 구별하고 빛을 흡수하는 파장대역을 분석 및 이용하여 재질의 구분이 가능하다. 그림 9의 그래프에서 Nylon은 다른 플라스틱보다 휘도 값이 가장 낮게 반응하는 분광 곡선이며, Nylon의 분광 그래프를 보면 1400~1600nm에서 휘도 값이 가장 낮다는 걸 확인할 수 있다. 여기서 휘도 값이 낮다는 것은 빛이 해당 파장대역에서 흡수가 잘되는 것을 의미한다.
또한, 그래프를 보면 Nylon과 비슷한 휘도 값을 나타내는 다른 물질이 없으므로 Nylon만 별도로 구별이 가능함을 그림 9에서 알 수 있다.
1400~1600nm을 포함하는 1200~1700nm의 필터를 적용하여 근적외선 카메라로 영상을 촬영했을 때 Nylon을 판별할 수 있다. 그림 10의 초록색 상자 모양이 Nylon이다.
두 번째로 PS, PC, PP의 경우 그림 11과 같이 2군데(약 1400nm 파장대와 약 1650~1700nm 파장대)에서 빛이 흡수되는 것을 알 수 있다.
다만 약 1400nm에서는 PC, PP의 휘도 값이 비슷하기 때문에 그림 12와 같이 1600~1700nm 대역의 필터를 적용시켜 영상을 비교하였을 때 3가지 재질에 대한 구별이 가능하며, 만약 1400nm의 필터를 적용한다면 PS, PC의 차이가 더 크게 보일 것이다.
따라서 하이퍼스펙트럴 카메라의 한번 촬영으로 각각의 플라스틱 재질을 분석할 수 있으며, 이로 인해 재활용이 되는 플라스틱과 재활용이 어려운 플라스틱을 구별할 수 있다. 또한 아래 그림 13과 같이 전용 소프트웨어 HySight를 이용하면 결과에 대한 Color 표시가 가능하므로, 더 쉽게 재질을 구별할 수 있다.
4. 렌즈 및 조명 선택 방법
하이퍼스펙트럴의 분광 파장은 넓기 때문에 조명 및 렌즈에 대해 적절한 제품을 선택해야 한다. AHS-003VIR을 사용할 때 고객의 어플리케이션에서 특정 부분의 파장만 필요한 조건이 아니라면 렌즈도 450~1700nm에 대응 되어야한다.
예를 들어 1500nm의 파장의 값이 필요한 경우에는 1500nm를 지원하는 렌즈를 사용해야 한다. 그림14와 같이 800~1200nm를 대응하는 렌즈를 사용하고 1500nm 조명을 사용하는 경우 광이 감쇄되어 Contrast가 낮아질 수 있다. 근적외선에서 사용하는 조명의 종류는 크게 2가지로 LED와 할로겐 조명이다.
LED 조명의 경우 발열이 낮고, 낮은 소비전력과 할로겐 대비 긴 수명을 가지고 있으며, 특정 파장대로 한정된 범위를 사용할 수 있다. 다만 할로겐 대비 광량이 부족하고 하나의 LED 조명으로 넓은 파장대를 사용할 수 없다. 그리고 장기간 사용하는 FA분야에서는 가장 많이 사용되는 조명이다.
할로겐 조명의 경우, LED 조명 대비 광량이 높고 파장이 넓다. 다만 LED에 비교하면 수명이 짧고 발열이 높은 특징이 있다. 그리고 분광분석을 위해서 필수적인 조명이다. 결론적으로 검출을 원하는 어플리케이션에 맞추어 렌즈 및 조명을 선택해야 한다.
결론
하이퍼스펙트럴 카메라는 분광 특성의 분석을 통해 비파괴 검사가 가능하다는 특성을 가지고 있다. 이 때문에 높은 가격에도 불구하고 다양한 재질의 비파괴 검사를 위해 넒은 분광 파장대역의 카메라를 이용한 하이스펙트럴 카메라를 개발하는 회사가 증가하고 있다.
앞으로는 반도체의 패널, Micro LED, 식품, 화장품, 의약품 등 부가가치가 높은 근적외선 어플리케이션에 대해 분광 분석을 통한 비파괴 검사의 활성화가 기대된다. 아발데이터는 하이퍼스펙트럴 카메라의 커스터마이징 대응, 검사에 적합한 조명, 렌즈의 제안 및 셋업 지원을 통해 사용자의 환경에 최적화된 시스템 구축을 지원하고 있다.
작성자: 손윤석(Jade Son, Product support engineer in AVAL GLOBAL)
자료 제공: AVAL GLOBAL(www.aval-global.com)
