엑스레이 시스템은 어떻게 오염물질을 발견하나요?

X선은 여러 자연적으로 발생하는 방사선 원천 중 하나이며, 라디오파와 같은 보이지 않는 전자기 복사의 형태입니다.

모든 종류의 전자기 복사는 주파수와 파장에 따라 배열된 전자기 스펙트럼(Electromagnetic Spectrum)이라는 단일 연속체의 일부입니다. 한쪽 끝에는 긴 파장을 가진 전파파부터 다른 쪽 끝에는 짧은 파장을 가진 감마선까지 이어집니다.

짧은 파장의 X선 덕분에 가시광선에 불투명한 물질도 통과할 수 있지만, 모든 재료를 똑같이 쉽게 통과하지는 않습니다. 물질의 X선에 대한 투명도는 밀도와 크게 관련이 있습니다—재료가 밀도가 높을수록 통과하는 X선이 적습니다. 유리, 석회화된 뼈, 금속 등 숨겨진 오염물질은 주변 제품보다 더 많은 엑스레이를 흡수하기 때문에 나타납니다.

간단히 말해, 엑스선 시스템은 엑스선 발생기를 사용하여 저에너지 엑스레이 빔을 센서나 검출기에 투사합니다.

X선 검사는 제품이나 팩을 X선 빔에 통과시키고 검출기에 도달하는 과정을 포함합니다. 빔이 제품을 통과하는 동안 흡수되는 X선 에너지 양은 제품의 두께, 밀도, 원자 번호에 의해 영향을 받습니다.

제품이 X선 빔을 통과할 때 잔류 에너지만 검출기에 도달합니다. 제품과 오염물 간 흡수 차이를 측정하는 것은 X선 검사에서 이물질 검출의 기초가 됩니다.

엑스레이 검사 시스템의 세 가지 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다:

• 엑스선 발생기
• 검출기
• 제어판

X선 빔은 X선 발생기에 감싸인 X선 튜브에 의해 생성됩니다. 출구 창문을 통해 나와, X선 흐름을 더 작은 팬 빔으로 좁히는 장치인 콜리메이터를 직선으로 통과합니다. X선 빔은 검사 대상 제품이나 팩을 통과해 최종적으로 검출기에 도달합니다. 검출기에 도달하면 다이오드는 빔의 빛 수준을 전기 신호로 변환하여 제어판으로 전송합니다. 제어판은 '그레이스케일' 엑스레이 이미지를 생성하고, 엑스레이 소프트웨어가 이를 검사 및 분석한 후 검사 대상 제품을 수용할지 거부할지 결정합니다.

X선 발생기에는 X선 빔을 생성하는 X선 튜브가 포함되어 있습니다.

현대 엑스레이 튜브는 유리 외피, 필라멘트 음극, 구리 양극, 텅스텐 타겟으로 구성됩니다. 전자의 원천인 음극은 전류에 의해 백열할 정도로 가열된 텅스텐 필라멘트입니다. 전자는 양극과 음극 사이에 고전압을 가함으로써 표적에 가속됩니다. 전자가 구리 양극 내부에 장착된 텅스텐 표적에 닿으면 빠르게 감속하여 이 감속이 X선 방출을 생성합니다.

식품 및 의약품 검사에 사용되는 엑스레이 튜브는 두 가지 유형이 있습니다. 차이는 X선 빔에 사용되는 여과 재료에 있습니다. 유리/알루미늄 필터(가장 일반적)일 수도 있고, 베릴륨 필터일 수도 있습니다. 베릴륨 여과는 유리, 돌, 뼈와 같은 저밀도 오염물질에 대한 이미지 대비 향상과 민감도를 높여주지만, 이점은 얇은 팩과 벌크 플로우 제품에 한정됩니다.

적절한 시스템 선택은 X선 검사의 성공에 매우 중요합니다. 빔 각도부터 리체어 메커니즘까지 각 요소가 적용에 가장 적합하도록 선택되지 않으면 오염물을 최적으로 감지할 수 없기 때문입니다. X선 시스템은 세 가지 범주로 나뉩니다: 수직 빔, 수평 빔, 그리고 이 둘을 결합한 시스템.

대부분의 X선 시스템은 생성기에서 수직 X선 빔을 사용해 제품이 X선 시스템을 통과할 때 스캔합니다. 빠르게 움직이는 소비재는 보통 깊이가 너비와 길이보다 작기 때문에, 제품 깊이가 가장 적은 수직 단면을 통해 검사하는 것이 가장 민감합니다. 플로우 랩, 파우치, 복합 상자 또는 트레이 등 밀봉 팩용 기계는 수직 빔 시스템을 갖추는 경향이 있습니다.

수평 시스템은 측면에 장착된 엑스레이 발생기를 사용하여 컨베이어 벨트를 통과하는 제품을 스캔하며, 주로 너비보다 높이가 큰 포장 제품에 사용됩니다. 검출 민감도의 핵심 요소는 X선이 통과해야 하는 제품의 깊이이기 때문에, 수평 시스템은 용기 측면을 통해 스캔할 수 있어 이러한 제품에 대해 더 나은 탐지를 제공합니다.

엑스레이 검사 시스템은 본질적으로 스캔 장치입니다. 제품이 일정한 속도로 시스템을 통과할 때, 내부 센서는 검출기에 도달하는 X선 에너지의 양을 측정하여 생성되는 '그레이스케일' 이미지를 포착합니다.

각 이미지는 픽셀로 구성되어 있으며, 각 픽셀은 회색 스케일(검정 0에서 흰색 255까지)에서 값을 나타내는 값을 가집니다. 제품이나 팩이 검출기를 통과할 때마다 각 회색 수준 데이터 라인이 완전한 제품 이미지를 제공하기 위해 재구성됩니다.

엑스레이 시스템 내 소프트웨어가 이미지를 분석하고 미리 정해진 허용 기준과 비교합니다. 이 비교를 바탕으로 시스템은 이미지를 수락하거나 거부하며, 거부 시 소프트웨어가 자동 거부 시스템에 신호를 보내 제품을 생산 라인에서 제거합니다.

다이오드(검출기의 개별 요소)는 서로 다른 크기로 제공되어 서로 다른 이미지 해상도를 제공합니다. 작은 다이오드는 이미지 품질을 유지하기 위해 더 높은 밀리암페어(mA)를 필요로 하므로, 이 부분에서는 종종 트레이드오프가 됩니다.

엑스레이 검사가 전 세계 식품 및 제약 산업에서 빠르게 보편화되고 있는 주요 이유 중 하나는 다양한 물리적 오염물질(금속 및 비금속 모두)이 주변 제품보다 더 많은 엑스레이를 흡수하여 엑스레이 이미지에 선명하게 나타나기 때문입니다.

오염 감지는 제품과 오염물질의 밀도와 직접적으로 관련이 있습니다. 대부분의 식품은 비중(SG)이 1.0인 물과 비슷한 밀도를 가지고 있습니다. 일반적으로 잠재적 오염물질이 물에 떠 있으면 엑스레이 검사로 감지하기 어려울 수 있습니다.

X선 검사는 유리, 광물석, 석회화된 뼈, 고밀도 플라스틱 및 고무 화합물 등 다양한 오염물질을 검출할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 제품 내 오염물질의 형태, 크기, 위치나 포장 종류는 민감도에 영향을 미칠 수 있습니다. X선 검사는 스테인리스 스틸, 철, 비철금속 금속, 심지어 캔, 금속화 필름 또는 포일에 포장된 제품에서도 탁월한 수준의 검출을 제공합니다.

X선 시스템은 대량 생산의 원재료부터 포장된 즉석식품, 파이프라인을 통해 펌핑되는 제품, 유리병, 병 또는 금속 캔에 담긴 제품에 이르기까지 생산 공정의 다양한 단계에서 오염물질을 탐지하는 데 사용될 수 있습니다.

X선 시스템은 다양한 크기의 오염물질을 탐지할 수 있으며, 검출 확률은 제품의 두께, 균질성, 밀도, 크기 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 예를 들어, X선 검사 시스템은 치즈와 같은 균질한 제품에서 더 선명한 이미지를 생성하기 때문에 더 나은 검출률을 보이는데, 이는 밀도가 다른 시리얼 상자(예: 플레이크, 견과류, 건조과일 등)가 다른 재료로 구성된 비균질한 제품보다 더 좋은 이미지를 제공합니다.

엑스레이 시스템은 포장되거나 완성된 제품에 첨가되기 전에 느슨한 벌크 제품을 검사합니다. 일반적인 용도로는 견과류, 압출 간식, 건과일, 가공육, 곡물 및 시리얼 등이 있습니다.

대량 유량 제품의 감지 민감도는 일반적으로 최종 폐쇄 팩보다 더 높으며, 이는 제품의 깊이가 훨씬 적기 때문입니다. 단일 제품 층 또는 일정한 깊이의 제품 흐름을 달성할 수 있어 탐지 감도를 향상시킵니다.

이러한 기계들이 생산 라인 내 위치에 대해 고려해야 합니다. 예를 들어, 공정 초기에 설치하면 들어오는 상품이나 원자재를 검사하여 오염물질을 원료에서 제거하고 즉시 공급업체로 추적할 수 있습니다. 들어오는 상품의 오염 물질은 가장 크고 쉽게 감지되지만, 더 하류에서는 제조 과정에서 더 작고 덜 탐지되는 조각으로 분해될 가능성이 있으며, 기계 손상 위험도 초래할 수 있습니다. 생산 공정 초기에 이물질을 제거하는 것은 가공 및 포장을 통한 추가 부가가치를 방지하여 폐기물과 전체 생산 비용을 최소화하는 등 여러 가지 장점이 있습니다.

이 시스템들은 일반적으로 액체, 슬러리, 페이스트 등 펌핑된 제품을 최종 포장 및 추가 부가가치 평가 전에 검사하도록 설계되었습니다. 용도로는 소스, 잼, 다진 고기, 가금류, 초콜릿, 과일 퓨레, 유제품 스프레드 등이 포함됩니다.

빔은 배관을 통과하는 제품을 스캔하여 오염물질이 포함된 제품을 감지하고, 이를 배출 전환 밸브를 통해 좋은 제품에서 우회시킵니다. 벌크 플로우 기계와 마찬가지로, X선 파이프라인 시스템은 보통 상류에 위치해 제품을 조기 단계에서 검사하며, 제품이 균질하기 때문에 검출 수준이 향상됩니다. 파이프라인 시스템에서 오염물질을 찾는 것은 유리병에서 찾는 것보다 훨씬 쉽지만, 유리 포장에는 고유한 위험이 있어 생산 라인에 여러 개의 중요 통제점(CCP)이 필요할 수 있습니다.

소매 포장 제품은 개별 용도에 따라 다양한 엑스레이 시스템으로 검사할 수 있습니다. 이 X선 시스템은 세 가지 범주(또는 세 가지 유형의 캐비닛 시스템)로 나눌 수 있습니다: 수직 빔 시스템, 수평 빔 시스템, 그리고 이 둘의 결합 시스템입니다.

포장 제품을 위한 수직 빔 시스템

수직 빔을 이용한 X선 검사 시스템은 대량 및 파이프라인 생산 라인뿐만 아니라 소매 포장 제품에서도 흔히 사용됩니다. 수직 빔 시스템에서 검사되는 포장 제품은 보통 깊이(즉, 높이)가 너비와 길이보다 작습니다. 수직 빔 시스템은 제품 깊이가 가장 적은 수직 단면을 통해 제품을 검사하여 내부 부품을 더 쉽게 볼 수 있게 합니다. 이 빔 기하학을 사용해 생성된 이미지는 팩의 평면도로, 팩의 상세 분석을 가능하게 하여 궁극적으로 높은 감도와 탐지를 제공합니다.

포장 제품을 위한 수평 빔 시스템

수평 빔 엑스레이 시스템은 주로 팩 내 제품, 즉 팩의 높이가 너비보다 큰 경우(높고 단단한 용기)에 사용됩니다. 검출 감도의 핵심 요소는 X선이 통과해야 하는 제품의 깊이이므로, 수평 스캔은 이 설계의 팩에서 더 나은 검출률을 보통 제공합니다. 수평 빔 시스템은 특정 용도에 따라 단일 또는 다중 빔 형태로 제공됩니다.

다중 빔 시스템

기술은 수평 빔 시스템과 동일하지만, X선 시스템은 유리병 및 기타 높고 단단한 용기 같은 용도에서 탐지 확률을 최적화하기 위해 특정 용도에 맞게 조정될 수 있습니다.

하나의 발생기(분할 빔이라 함)에서 두 개의 X선 빔을 보내면 서로 다른 각도에서 동시에 두 개의 이미지를 생성하므로 오염물질 검출 확률이 높아집니다.

이는 금속 캔과 같이 캔의 바닥이나 측면 벽에 오염을 감지하기 어려운 포장재에 특히 유용합니다.

두 개의 별도 검출기를 타격함으로써 분할 이중 빔 시스템은 각 캔이 두 번 촬영되고 각 이미지가 서로 다른 시야각을 나타내므로, 컨테이너 내부의 커버리지를 높이고 탐지 확률을 높여 이 문제를 해결합니다.

두 개의 별도 발생기에서 나오는 이중 X선 빔도 서로 반대 방향의 두 각도에서 이미지를 제공하여 검출률을 높입니다.

유리병과 병에 포장된 제품은 바닥, 측면벽, 목 부분이 단일 엑스레이 빔으로 검사할 때 '사각지대'를 유발할 수 있어 검사가 가장 까다로운 제품 중 하나입니다. 수직과 수평 빔을 조합한 여러 X선 빔을 사용하면 탐지 확률을 높일 수 있습니다. 예를 들어, 한 개의 수직 X선 빔과 세 개의 수평 X선 빔이 제품을 동시에 스캔하여 다양한 각도에서 일련의 이미지를 생성하여 사각지대를 줄이고 검출을 최적화합니다. 빔의 방향은 용기 종류와 제품 종류에 맞게 각도별로 최적화될 수도 있습니다.

특정 용도에 맞는 빔 유형을 선택하는 것은 복잡한 결정이며, '하나의 해결책이 모두에게 적용되는' 옵션은 거의 불가능합니다. 따라서 경험 많은 제품 검사 전문가로부터 추가 조언을 구하고, 많은 경우 개별 제품 테스트가 완료되는 것이 권장됩니다.

제조업체들은 단순히 엑스레이 검사를 통해 오염물질을 감지하는 데 그치지 않습니다; X선 시스템은 동시에 다양한 인라인 제품 무결성 및 품질 검사를 수행할 수 있습니다.

엑스레이 시스템이 수행할 수 있는 추가 검사는 다음과 같습니다:

• 구역 및 총질량 측정
• 카운팅 구성 요소
• 누락되거나 파손된 제품 식별
• 충전 수준 모니터링
• 밀봉 무결성 검사
• 손상된 제품과 포장 상태 확인
• 맛과 분말 덩어리와 같은 응집체 감지
• 헤드스페이스 측정

식품 및 의약 안전 규제가 강화됨에 따라, 제품의 생명 주기 모든 단계에서 준수와 추적성이 중요해지고 있으며, 유명 브랜드 제조업체들이 오염된 제품을 검출하고 거부하는 데 엑스레이 검사를 점점 더 많이 사용하고 있습니다.

X선 검사 시스템은 느슨, 벌크, 펌핑, 포장된 제품의 모든 생산 단계에서 오염물질을 발견할 수 있지만, 기술의 효과는 제품의 밀도, 두께, 균질성에 달려 있습니다.

X선은 모든 재료를 같은 쉽게 통과하지 못하며, 제품과 오염물 간 흡수 차이를 측정하는 것이 엑스레이 검사에서 이물질 검출의 기초입니다. 재료의 X선에 대한 투명도는 대체로 밀도와 관련이 있습니다—제품이 밀도가 높을수록 더 많은 X선을 흡수하고, 유리, 뼈, 금속 같은 이물질 등 숨겨진 오염물질은 주변 제품보다 더 많은 X선을 흡수하기 때문에 나타나 회색조 이미지에서 더 어둡게 보입니다.

엑스레이 검사의 기본 원리는 같지만, 다재다능한 기술이며 다양한 응용 분야에 따라 서로 다른 엑스레이 시스템이 필요합니다. 적절한 시스템을 선택하는 것은 X선 검사의 성공에 매우 중요합니다. 왜냐하면 빔 각도부터 리젝트 메커니즘까지 각 요소가 라인과 제품에 맞게 선택되어야 오염물을 검출할 수 있기 때문입니다. 따라서 다양한 포맷과 오염 탐지 과제에 대한 적합성을 이해하는 것이 시스템 사양과 선택의 기반이 됩니다.

하지만 한 가지 확실한 점은, X선 검사 시스템을 성공적으로 통과한 제품은 식품 및 제약 제조업체들이 제품의 품질과 안전성에 대한 신뢰를 높여, 글로벌 식품안전이니셔티브(GFSI), 영국 소매 컨소시엄(BRC), 식품안전시스템 인증 22000(FSSC 22000), 중국 식품안전법, 국제 식품 특별 기준(IFS) 등 산업 표준을 준수하는 데 도움을 준다는 것입니다.