실시간 미세 입자 고속 이미지 분

이러한 과제를 해결해주는 기술이 바로 동적 이미지 분석(DIA) 입니다. 이 혁신적인 기술로 입자의 크기와 형태를 실시간으로 측정하기 위한 수많은 파라미터를 기록할 수 있습니다. “동적 이미지 분석은 다양한 산업에서 R&D와 품질 관리를 위한 효과적인 방법으로 자리 잡았습니다. 고속 카메라 또는 기타 이미징 센서로 측정 셀을 통과하는 입자를 기록하고, 소프트웨어를 사용하여 분석합니다.” 라고 Anton Paar GmbH의 R&D 부서 Dr. Christian Moitzi 박사는 설명합니다. 이 오스트리아 회사는 입자 특성화 분석 전문 기업입니다. 이를 위해 움직이는 입자의 고속 이미지를 캡처하는 장비를 개발하였습니다. 성공적인 동적 이미지 분석기에서 가장 중요한 구성 요소 중 하나는 샘플 챔버 및 조명 시스템과 더불어 결합된 IDS Imaging Development Systems GmbH의 uEye Warp10 고속 카메라입니다.

"Litesizer DIA 시리즈는 입자의 이미지를 직접 분석하여 입자의 크기와 형태를 간편하고 정확하게 특성화할 수 있습니다. 시리즈 중 가장 강력한 모델인 Litesizer DIA 700은 0.5 μm 부터 16 mm까지의 입자 크기를 측정할 수 있습니다."라고 Moitzi 박사는 강조합니다. 측정하는 동안 수천 개, 심지어 수백만 개의 입자를 단 몇 초 만에 시각화할 수 있습니다. 높은 프레임률과 빠른 데이터 전송 덕분에 짧은 측정 시간 내에 엄청난 수의 입자를 이미지화하고 실시간으로 분석하는 것이 가능합니다.

백만 개의 입자 분석, 1% 미만의 오차

"대표 샘플을 준비하는 것부터 시작합니다. 이 샘플은 분말, 과립, 현탁액 또는 세포와 같은 생물학적 샘플 등 다양한 물질로 구성 가능합니다. 일반적으로 오차를 1% 미만으로 줄이려면 100만 개 이상의 입자가 필요합니다. 샘플은 세 가지 교체 가능한 분산 장치 중 하나를 사용하여 공급되며, 이를 통해 건조 분말과 분산액을 모두 측정할 수 있습니다.” 라고 Moitzi 박사는 덧붙입니다.

샘플은 챔버에 투입되어 지속적으로 이동되거나 분산됩니다. 진동, 공기 흐름 또는 액체 순환과 같은 다양한 메커니즘을 사용하여 입자를 계속 움직이게 할 수 있습니다. 최대 30m/s의 속도로 이미지 필드를 통과하는 입자는 스트로보 조명처럼 조명을 받습니다. 모션 블러를 방지하기 위해 조명 펄스는 100나노초 미만으로 유지됩니다. 세 개의 렌즈를 자동으로 교체하여 배율을 조정할 수 있습니다.

고속 처리의 기술적 과제

“실시간으로 방대한 데이터를 처리해야 합니다.” Christian Moitzi 박사는 시스템의 중요한 요구 사항을 설명합니다. 이 10GigE Vision 고속 카메라는 IDS peak SDK를 통해 높은 프레임률로 이미지 시퀀스를 기록하여 빠른 입자 움직임을 관찰할 수 있습니다.

속도와 더불어 센서 및 인터페이스도 카메라 선정에 핵심 요소입니다. Sony IMX537 글로벌 셔터 CMOS 센서를 탑재한 uEye Warp10은 고해상도, 높은 프레임률, 노이즈 없는 이미지 재현 등 까다로운 작업에 필요한 모든 기능을 제공합니다. 리드아웃  노이즈와 암전류는 전체 센서 시장에서도 가장 낮은 수준에 속합니다. 5.10MP(2472x2064px)의 해상도, 247fps의 프레임률을 제공하여 빠른 속도가 요구되는 환경에 적합합니다. 높은 해상도로 아주 작은 디테일도 놓치지 않고 캡처할 수 있습니다.

"uEye Warp10은 1GigE 카메라에 비해 최대 10배 높은 전송 대역폭을 제공합니다. 높은 해상도와 높은 동적 범위를 제공하는 GV-79F0WP 카메라는 초고속, 고성능의 다재다능한 제품입니다."라고 IDS 2D 카메라 제품 담당자인 Marcus Rembold는 사용된 카메라 모델을 설명합니다. 강력한 GenICam 호환 uEye Warp10 카메라는 기가비트 이더넷 기반 네트워크에서 이미지 정보를 사실상 지연 없이 전송할 수 있습니다. 따라서 모션 블러 없이 물체를 세밀하게 촬영하고 분석해야 하는 이러한 검사 작업에서 강점을 발휘합니다.

고급 이미지 분석 알고리즘

“카메라 이미지는 PC로 전송되어 세그먼트화되고, 각 입자의 다양한 크기 및 형태 파라미터가 계산됩니다."라고 Christian Moitzi 박사는 이미지 프로세싱의 다음 단계를 설명합니다. "DIA의 핵심은 캡처한 이미지를 분석하는 데 있습니다. 정교한 이미지 분석 알고리즘과 소프트웨어가 이미지를 처리하고 입자에 대한 특정 정보를 추출합니다. 사용자는 그 결과로 평균 크기 분포 함수를 거의 실시간으로 받아볼 수 있습니다. 또한 개별 입자 분석이나 특정 특성의 입자의 이미지를 필터링하는 것도 가능합니다.”

건축 자재 산업에서의 활용 예시

분석된 파라미터들은 재료 샘플의 특성과 거동에 대한 상세한 통찰을 제공합니다. 여기에는 밀도와 유동성 등과 같은 벌크 재료 특성이 포함되며, 이는 건축 자재 산업과 같은 분야에 유용한 정보입니다. "시멘트의 품질은 입자의 크기와 모양에 따라 크게 달라지며, 이는 표면, 압축 강도 및 경화 시간에 영향을 미칩니다."라고 Christian Moitzi 박사는 말합니다. 입자가 지나치게 미세하면 최종 제품이 발열 반응을 동반하며 경화되고, 입자가 너무 크면 수화 반응이 제대로 일어나지 않습니다. 시멘트의 유동성과 물 요구량은 규칙적인 입자(구형)과 불규칙한 입자에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 이러한 요인들은 균열, 수축, 다공성 등을 유발할 수 있으며, 그 결과 시멘트의 품질, 내구성 및 기계적 특성이 심각하게 저하될 수 있습니다.

전망

초고속, 초고해상도 10 GigE 산업용 카메라를 탑재한 Litesizer DIA 700과 같은 동적 이미지 분석기에 투자하는 것은 장기적으로 큰 가치를 제공합니다. 빠른 이미지 처리와 실시간 정밀 분석 덕분에 프로세스 흐름이 최적화되고, 더 나은 데이터에 기반해 생산 의사결정을 내릴 수 있습니다. 보다 정확한 입자 특성 분석은 프로세스 제어를 향상시키고, 더 정밀한 계량 및 불량 배치 감소를 통해 원재료 사용을 최적화할 수 있습니다. 이와 같은 초고속 카메라 기술과 빠른 이미지 프로세싱 기술로, 동적 이미지 분석은 레이저 회절과 같은 기존 방법에 비해 특히 매력적이고 미래 지향적인 대안이 됩니다.