최초로 레이저 기술을 개발한 캐스케이드 테크놀로지(Cascade Technologies, 이하 캐스케이드)는 스코틀랜드 스털링에 있는 스트라스클라이드(Strathclyde) 대학에서 분할된 후 에머슨에 인수됐다. 이후, 에머슨의 엔지니어들은 라인 운전 속도에 맞춰 병, 캔 및 가스치환포장(MAP, Modified Atmosphere packaging)의 가스 누출을 탐지할 수 있는 센싱 장치를 개발했다.

에머슨이 2014년 캐스케이드의 퀀텀 캐스케이드 레이저(QCL, Quantum Cascade laser) 기반의 가스 분석기와 가스 배출 감시 시스템을 인수했을 때, 에머슨은 석유와 가스, 자동차 시험, 화학 공정 및 연속 배출 모니터링 시스템(CEMS, Continuous Emissions Monitoring System)에 수많은 응용 분야가 있다는 것을 인지했다.

실제로 에머슨 글로벌 누출 감지기 제품 매니저 피터 왓모우(Peter Watmoug)는 에머슨이 수백 곳의 다양한 시장에 4,500대 이상의 QCL을 적용해왔다고 밝혔다. 과거의 다른 경우들과 마찬가지로, 다른 산업에서 사용해오던 IT 기술은 이제 식음료 산업에도 사용할 수 있게 됐다. 그러나 산업에 맞게 기술을 조정해야 했고, 여기에는 곧 혁신이 있었다. 에머슨의 엔지니어들은 다양한 식음료 포장 스타일과 응용 분야에 적합한 특수 센싱 헤드를 개발했다.

Rosemount CT4215는 공정라인에서의 포장 및 용기의 누출을 분당 200개의 속도로 탐지한다.

이 작업 과정에서 나온 장치가 트레이, 병, 박스에 따라 맞춤형 헤드가 가능한 Rosemount CT4215 패키징 누출 감지 시스템이다. Rosemount CT4215 패키징 누출 감지 시스템은 가스치환포장(MAP)에서 사용되는 이산화탄소 및 기타 가스를 측정한다. 보드카 병의 미세균열로 인한 누출을 센서로 감지할 수 있는 것이다. 다른 예로, Rosemount CT4215를 사용하면 빈 위스키 술통을 채우기 전에 위스키 통의 결함 여부를 증류기에서 확인할 수 있다. 따라서 결함이 있는 술통에 술이 채워지는 것을 방지한다. 필자는 더욱 자세한 정보를 얻기 위해 피터 왓모우(Peter Watmoug)에게 몇 가지 질문을 했다.

Rosemount CT4215 패키징 누출 감지 시스템은 육가공과 치즈 MAP 외 다양한 식품 포장에 적용할 수 있다.

이 기술은 어떻게 작동합니까?

Rosemount CT4215 패키징 누출 감지 시스템은 측정 시스템의 일부로서 처프 퀀텀 캐스케이드 레이저(chirped quantum cascade laser, 이하 처프 QCL)를 사용합니다. QCL 레이저는 감지 대상 가스에 흡수되도록 선택된 아주 좁은 파장과 함께 레이저를 발생시킵니다. 처핑(Chirping) 또는 10나노초(ns·10억분의 1초) 미만의 아주 빠른 레이저 펄싱으로 동시에 1개 이상의 레이저를 효과적으로 사용해 다수의 가스를 감지할 수 있습니다.

테스트 대상 포장팩은 샘플 셀 안으로 공기와 모든 누출 가스를 끌어들이는 샘플 헤드를 통과합니다. 샘플 셀은 양쪽 끝에 고광택의 거울이 있는 밀봉 박스로 빔을 반사해 통과 길이가 늘어나도록 설계되어 민감도를 상당 수준 향상시킵니다. 레이저가 셀을 통과하면서, 일부의 레이저 광은 특정 가스에 의해 흡수됩니다. 흡수량은 곧 누출률과 관련이 있습니다. 만약 누출률이 요구 사양보다 높다면 해당 팩은 자동으로 부적합 처리됩니다.

제가 당신이 식음료 분야에 맞춰 적용한 것에 대해 앞서 짧게 언급했는데요. 자세히 설명해 주시겠습니까?

특허받은 처프 QCL은 시스템의 ‘본질’입니다. 가스의 변화가 감지되었을 때만 변경이 필요하고, 일체의 유지보수나 그 외 적용해야 할 것이 없습니다. 수없이 다양한 포장 형태에 사용 할 수 있도록 샘플 헤드를 혁신적으로 설계했습니다.

예를 들어, 육류 식품의 팩 포장에는 핀홀로 가스를 빼내거나 빈틈을 막기 위해 부드러운 컴플라이언트 롤러 재질이 필요합니다. 보드카 박스에는 알코올 누출을 감지하기 위해 샘플 헤드가 필요하지만, 위스키 통이나 육류 소포장에는 작업바(bar) 시스템을 활용할 수 있습니다. 이처럼 샘플 헤드를 다양한 조건에 적용할 수 있게 되면서, 처프 QCL 은 보다 혁신적으로 거듭났습니다.

뚜껑이 있는 유리병의 경우, 뚜껑의 밀봉 부분에서의 누출도 감지하나요? 플라스틱병은 어떻게 하나요?

모든 유출 감지 애플리케이션에서 우리는 단 하나의 누출이라도 감지하기 위해 포장 전체를 확인하는 시스템을 사용합니다. 병의 경우에는 라인 위에 있는 아치를 통해 포장 용기가 한 번에 하나만 통과되도록 합니다.

병이나 캔은 센서로 확인할 수 있습니다. MAP 포장 용기는 어떻게 누출을 감지하나요? 감지 가능한 홀의 최소 크기는 얼마입니까?

우리는 0.2mm의 핀홀까지 감지할 수 있습니다. 각각의 팩 종류에서 맞춰 맞춤형 헤드가 개발됩니다. 예를 들어 육류와 치즈 스낵에 사용되는 필로우팩의 경우, 방출 가스가 감지되기 전에 팩은 컴플라이언트 롤러 재질을 통과합니다. 테스트용 팩에 맞춰 샘플 헤드를 개발하기 위해서는 혁신적이어야 합니다.

일부 MAP의 경우 1개 이상의 가스가 사용됩니다. 장비가 1개 이상의 가스를 감지할 수 있다면, 어떤 방법으로 감지되나요?

우리는 특허받은 처프 QCL을 사용하기 때문에 서로 다른 가스를 거의 동시에 감지할 수 있게 조정된 다수의 레이저 빔을 통과시킬 수 있습니다. 각 레이저 펄스의 지속시간은 일반적으로 150에서 1,000나노초(ns·10억분의 1초) 사이여서, 레이저 펄스를 연속적으로 발사하여 한 번에 최대 4개의 가스를 감지할 수 있습니다. 여담이지만, 각 레이저 처프는 쌀알 크기에 불과하며, Class 1급의 레이저입니다. 따라서 아주 안전합니다.

테스트하는 포장 용기 주변의 공기를 센서로 흡입하는 진공 펌프가 적용됩니다. 주변 공기는 측정에 지장을 주지 않을 정도로 깨끗한가요?

제조시설 및 감지되는 가스에 따라 다릅니다. 주변 공기로 인한 간섭의 가능성이 있다면, 샘플 헤드 공간을 제조 영역으로부터 효과적으로 격리하기 위한 인클로저를 공급합니다. 그러나, 레이저는 연속적으로 측정하고 있기 때문에 측정이 다르더라도 낮은 수준의 오염은 용인됩니다. 실제로, 주변 공기와 누출되는 팩에서 나온 공기 및 가스의 차이를 측정합니다. 시스템은 외부 공기가 측정에 지장을 주지 않는 수준인지 지속해서 자가 모니터링합니다.

결함 있는 제품이나 포장이 발견되면 어떻게 처리합니까?

제조자에 따라 다릅니다. 우리의 시스템은 부적합 처리 자동 시스템에 통합되거나 공정을 중단할 수 있는 신호를 전송합니다. 예를 들어 5개 또는 그 이상의 순차적 누출 포장팩이 발생하면 공정 중단을 유도하는 다양한 매개 변수를 설정할 수 있습니다. 매개변수는 충전제의 사양에 적합하도록 사용자 정의에 따라 달리 설정할 수 있습니다.

그 같은 설정 작업은 시스템 통합자의 전문성이 없이도 가능한가요?

시스템 장착 및 작동에는 최소한의 설치만 요구됩니다. 간단한 전기 공급과 약 1.5m의 회선 공간만 필요합니다.

애플리케이션이 모두 다르기 때문에 ROI를 결정하는 것은 어려울 수 있을 것입니다. 샘플 채취에 큰 비용이 들지 않나요?

정량화는 매우 힘듭니다. 그러나 수동 검사는 고비용에다 효과적이지 않고 누출되는 포장팩을 100% 감지하지 못합니다. 우리는 일괄 통계와 경보 시스템으로 생산라인의 시스템 결함을 조기에 감지하여 비용이 드는 제품 폐기와 더 많은 비용이 드는 제품 리콜을 방지합니다. 우리의 시스템은 단순한 감지기가 아니라 광범위한 향상 과정의 주요 부분이라고 생각합니다.

마지막으로 전할 말이 있다면?

우리는 감지 시스템을 위한 새로운 애플리케이션을 계속해서 찾을 것입니다. 식음료 산업뿐만 아니라 누출 제어가 중요한 다른 분야에서도 말이죠. 기업들이 Rosemount CT4215 패키징 누출 감지 시스템을 결함 있는 패키징에 대한 검사 방법으로만 생각할 것이 아니라, 지속적인 개선 과정의 통합 요소로 고려하시길 권장합니다.