적외선 수분계의 작동 원리 – NIR 기술의 핵심 이해

“NIR, 수분 측정의 새로운 기준을 제시하다”

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눈에 보이지 않는 빛, 수분량을 어떻게 알아낼까?

지난 1편에서는 기존 수분 측정 방식의 한계와 함께 적외선 수분계가 왜 필요한지 알아보았습니다. 이번 편에서는 더욱 심층적으로, 적외선 수분계의 핵심 기술인 **근적외선(NIR, Near-Infrared) 기술**이 어떻게 **빠르고 정확하게 수분 함량을 측정**하는지 그 **작동 원리와 스펙트럼 분석**에 대해 상세히 설명해 드리겠습니다.

1. 근적외선(NIR)이란 무엇인가?

**근적외선(NIR)**은 가시광선과 중적외선(MIR) 사이에 위치하는 **0.78μm ~ 2.5μm(780nm ~ 2500nm) 범위의 전자기파**입니다. 이 특정 파장대의 빛은 유기 화합물, 특히 물 분자의 **O-H 결합**과 상호작용하는 독특한 특성을 가지고 있습니다. 물 분자는 이 근적외선 에너지를 특정 파장에서 강하게 흡수하는 경향이 있는데, 적외선 수분계는 바로 이 **흡수율 변화를 감지하여 수분 함량을 분석**합니다.

우리 눈에는 보이지 않지만, 이 근적외선은 다양한 물질의 화학적 성분을 분석하는 데 매우 유용하게 활용됩니다.

2. NIR 수분계의 핵심 작동 원리: 흡수 스펙트럼 분석

적외선 수분계는 주로 **투과 방식**과 **반사 방식** 두 가지 원리를 사용하여 수분을 측정합니다.

① 투과 방식 (Transmittance Mode)

• 원리: 측정 대상 샘플의 한쪽 면에 근적외선 빛을 조사하고, 반대편에서 **샘플을 통과하여 투과된 빛의 양을 측정**합니다.
• 수분과의 관계: 샘플 내에 수분이 많을수록 근적외선 빛이 더 많이 흡수되어 투과되는 빛의 양이 줄어듭니다. 반대로 수분이 적으면 투과되는 빛의 양이 많아지죠.
• 적용: 비교적 얇고 투과성이 좋은 시트 형태의 제품(예: 제지, 필름)이나 균일한 분말층 등에 적합합니다.

② 반사 방식 (Reflectance Mode)

• 원리: 측정 대상 샘플의 표면에 근적외선 빛을 조사하고, **샘플 표면에서 반사되어 돌아오는 빛의 양을 측정**합니다.
• 수분과의 관계: 수분이 많을수록 빛이 더 많이 흡수되어 반사되는 빛의 양이 감소합니다. 이 원리는 물 분자의 흡수 특성을 역으로 이용하는 것입니다.
• 적용: 가장 널리 사용되는 방식으로, 불투명하거나 두꺼운 물질(예: 곡물, 분말, 펠릿, 직물 등)의 표면 수분 측정에 적합합니다.

두 방식 모두 측정된 빛의 강도 변화를 **'스펙트럼 분석'**이라는 과정을 통해 수분 함량으로 변환합니다.

3. NIR 스펙트럼 분석의 과정

측정된 빛의 스펙트럼은 어떻게 수분 함량으로 변환될까요? 그 과정은 다음과 같습니다.

1. 광원 조사: 근적외선 광원에서 특정 파장대의 빛을 측정 대상에 조사합니다.
2. 빛의 흡수/반사: 빛이 샘플에 도달하면, 물 분자를 포함한 샘플 내 다양한 성분들이 특정 파장의 빛을 흡수하거나 반사합니다. 특히 물은 NIR 영역의 특정 파장대에서 강한 흡수 피크를 보입니다.
3. 검출 및 스펙트럼 생성: 흡수되거나 반사된 빛은 검출기로 다시 들어오고, 이 검출기는 각 파장대별 빛의 강도를 측정하여 **흡수 스펙트럼 또는 반사 스펙트럼을 생성**합니다.
4. 데이터 분석 및 캘리브레이션: 생성된 스펙트럼 데이터는 내장된 **분석 알고리즘**을 통해 처리됩니다. 이 알고리즘은 사전에 다양한 수분 함량을 가진 샘플들을 분석하여 얻은 **캘리브레이션(Calibration) 데이터**를 기반으로 작동합니다. 즉, 특정 스펙트럼 패턴이 특정 수분 함량에 해당한다는 학습된 모델을 통해 실시간 측정값을 수분 함량으로 변환하는 것이죠.
5. 결과 표시: 최종적으로 계산된 수분 함량은 수분계의 디스플레이에 즉시 표시되거나, 제어 시스템으로 전송됩니다.

이러한 정교한 스펙트럼 분석 덕분에 적외선 수분계는 **비접촉 방식임에도 불구하고 매우 높은 정밀도와 재현성을 제공**할 수 있습니다.

NIR 기술, 수분 측정의 패러다임을 바꾸다

적외선 수분계의 핵심인 **NIR 기술**은 단순히 빛을 쏘고 받는 것을 넘어, 물 분자의 특성을 활용한 **정교한 스펙트럼 분석을 통해 비파괴적으로 실시간 수분 함량을 측정**합니다. '빠르게, 파괴 없이, 실시간으로' 수분 데이터를 얻을 수 있다는 것은 생산 공정의 **효율성, 품질 일관성, 그리고 경제성**을 획기적으로 개선하는 데 결정적인 역할을 합니다. 이제 NIR 기술은 스마트 공장의 핵심 센서로서 수분 측정의 새로운 기준을 제시하고 있습니다.

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