고철 재활용에 레이저 유도 플라즈마 분광법(LIBS) 응용

LIBS란 무엇인가요? 

LIBS는 Laser-Induced Breakdown Spectroscopy의 약자입니다. 이는 재료를 분류하고 원소 구성을 확정하는 데 사용되는 최첨단 분석 기술입니다. LIBS 분석기는 고도로 집중된 레이저 펄스를 사용하여 시료 표면을 절삭함으로 작동합니다. 여기된 표면은 플라즈마라고 불리는 여기된 원자와 이온을 형성합니다. 광붕괴 동안 모든 플라즈마는 표면에 침전되고 전자는 바닥 상태로 돌아갑니다. 다음 각 원소, 구성 요소 또는 분자의 특징적인 파장에 방출하거나 식별 신호로 분광기가 수집되고 변환됩니다. LIBS는 정량적 및 정성적 측정을 위한 탁월한 도구입니다. 

LIBS가 고철 분류에 어떻게 도움이 되나요? 

LIBS 기술은 가스, 액체, 고체를 포함한 다양한 물리적 상태의 재료에 대한 빠르고 여러 가지 원소  분석 가능을 제공합니다. 이 응용 노트에서 LIBS는 특히는 알루미늄 재활용 목적으로 폐기를 분석하는 강력한 도구로 설명됩니다.  고유한 기능에는 가벼운 원소 분석, 실험실 외부의 현장 분석, 빠른 공간 분해능 구성 이미징, 극한 환경에서의 화학 분석, 원격 및 자동화된 분석이 포함됩니다. 이 기술은 합금의 원소 데이터를 제공하는 실시간 현장 분석을 가능하게 합니다. 이 방법은 단일 합금 원소를 설정할 수 있을 뿐만 아니라 모든 원소를 관련 또는 원하는 농도 수준(예: 0.4% < Mg <0.9%, 0.2% < Si <0.6%, <0.1% Mn, <0.1% Zn, <0.35% Fe, <0.1% Cu 등)과 함께 설정할 수 있습니다. 또한 LIBS 분석기는 일반적으로 다른 많은 분석 기술에 비해 일상적인 운영 비용은 더 낮은 비용입니다. 

LIBS 방식의 신호 수집 및 데이터 분석 과정 

LIBS 단계에는 대상 분류, 샘플링 및 측정, 사전 처리, 분류가 포함됩니다. 

첫째, 초기 단계에서는 자성 분리기를 사용하여 자화 가능한 고철을 추출하여 존재하는 고철의 양을 줄이는 것이 포함됩니다. 그 후, 와전류 분리기를 사용하여 입력 재료에서 플라스틱을 분리합니다. 이어서 알루미늄 스크랩에서 구리, 황동, 아연 등과 같은 중급속을 분리하는 정제 과정입니다. 

둘째, 분석기와 함께 레이저 펄스를 활용하면 시료 표면과 상호 작용하여 플라스마가 생성됩니다. 이 플라스마는 이후 시료를 원자화하고 여기시켜 빛을 방출합니다. 방출된 빛은 광섬유를 통해 분광기로 전달되어 광 방출 분광법(OES)이라고 하는 스펙트럼 데이터를 생성합니다. 모든 피크 스펙트럼은 주기율표의 표준 피크와 일치하며 피크의 강도는 물질 내의 백분율과 관련이 있습니다. 

셋째, 이 데이터의 해석과 분석하기 위해 딥 러닝 알고리즘을 사용합니다. 스펙트럼은 분류 알고리즘의 성능을 향상시키기 위해 사전 처리됩니다. 이 단계는 항상 분석물의 방출 신호의 중첩, 플라즈마, 검출기 관련 신호를 처리하는 데 적용됩니다. 두 번째 사전 처리 단계는 포화된 픽셀 및 신호 대 잡음비와 관련된 기록된 강도를 제거하는 것입니다. 

마지막으로, 연속적인 수치 값을 모델링하고 예측하기 위한 심층 신경망입니다. 여기에는 데이터 내의 복잡한 패턴과 관계를 학습하기 위해 여러 계층으로 신경망을 훈련하는 것이 포함됩니다. 이러한 방법의 성능은 정확도, 가중 평균 정확도, 가중 평균 리콜, 가중 평균 f1 점수의 네 가지 지표로 표현됩니다. 그림 1은 LIBS 방법을 사용하여 스크랩 분류 프로세스를 보여줍니다. 

그림 1. LIBS 실험 과정의 다이어그램.

참조 실험 결과 

이 응용을 명확하게 하기 위해 S V Eynde와 파트너의 LIBS 방법을 사용하여 알루미늄 합금을 분류한 결과 연구를 소개합니다.  

프리미엄, 데속스, 세컨드 클래스로 구성된 세 가지 선택된 타겟이 있습니다. 첫 번째 클래스는 가장 일반적인 합금 원소의 농도에 제한이 있습니다. 두 번째 클래스는 "탈산 알루미늄"을 의미하는 "데속스"라고 하며, 금속 알루미늄의 고농도를 보여줍니다. 마지막 타겟은 주조 합금 생산을 위한 "세컨더리" 클래스입니다. 

표 1은 데이터 세트의 모든 조각이 기준 진실 레이블에 따라 세 가지 클래스에 할당될 때 세 가지 원하는 출력 분수의 구성을 보여줍니다. 원소의 농도는 중량 백분율(wt%)로 표현됩니다. 기준 진실 레이블을 할당하기 위해 선택한 접근 방식의 결과로, 일부 덜 중요한 원소는 원하는 출력 분수에 대해 지정된 농도 한계를 초과합니다(노란색으로 표시). 각 출력 분수에서 철 함량은 원하는 것보다 약간 높고 Desox 클래스의 마그네슘 함량도 마찬가지입니다. 그러나 가장 중요한 원소를 포함한 다른 고려 합금 원소는 지정된 제한을 상당한 여유로 충족합니다. 

표 1. 기준 진실 측정 및 지정된 농도 허용 오차(중량% 단위의 농도)에 따라 분리할 경우 원하는 출력 분획의 구성. 

추천 설비 

LIBS 방법은 표 2에 나와 있는 다양한 종류의 레이저 에너지를 사용하는 몇 가지 다른 종류의 기술로 구분됩니다. 

표 2. LIBS 방법 신호 강화. 

여기에서 Intins는 Ocean Optics의 두 가지 인기 있는 제품군인 LIBS25000plus와 SpeedSorter™ LIBS Sorting Sensor 고객에게 소개합니다. Ocean Optics의 LIBS 기능은 분광기와 관련 파이버, 레이저, LIBS 이미징 모듈을 포함한 완전한 시스템으로 구매할 수 있습니다. 

LIBS25000plus의 경우, 고강도, 10나노초 폭의 레이저 펄스 빔이 샘플 영역에 초점을 맞춥니다. 모든 요소는 200-980nm 영역에서 방출 스펙트럼을 갖습니다. 검출 시스템은 최대 7개의 HR2000+ 고해상도 소형 광섬유 분광기를 사용하며, 각각 2048개 요소의 선형 CCD 어레이가 있습니다. 카메라는 샘플 표면 위나 아래에서 레이저 초점을 조정하는 데에도 유용합니다. USB 장치된 컬러 카메라는 샘플 절제의 사전 및 사후 이미지를 캡처하고 최대 1280 x 1024픽셀 해상도를 제공합니다. 다양한 파장 범위의 LIBS 광섬유 파이버, 전기 광학 Q-스위치와 레이저 LIBS 샘플 챔버등 같은 제품을 구매할 수 있습니다. 

SpeedSorter를 사용하면 단조 알루미늄과 주조 알루미늄, 알루미늄과 마그네슘을 분리하고, 5xxx, 6xxx와 같은 합금 종류도 쉽게 분리할 수 있습니다. 

Figure 2. a) LIBS25000plus, b) SpeedSorter™ LIBS Sorting Sensor