I. LIBS 핵심 원칙

LIBS는 레이저 유도 파괴 분광법(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)의 약자입니다.

LIBS 기술은 고에너지 펄스 레이저를 여기 광원으로 사용하며, 이 레이저는 광학 시스템에 의해 집속되어 시료 표면에 조사됩니다. 집속된 레이저 빔은 시료 표면에서 높은 에너지 밀도를 가지며, 에너지가 절연 파괴 임계값을 초과하면 국부적으로 플라즈마가 생성되는데, 이를 레이저 유도 플라즈마(LIBS)라고 합니다. LIBS 플라즈마는 국부적으로 높은 온도와 에너지 밀도를 나타냅니다. 플라즈마가 냉각되는 과정에서 여기된 원자와 이온은 전자 에너지 준위 전이를 일으키며 특정 파장의 광자를 방출합니다. 분광기를 사용하여 방출된 광자를 수집하고 스펙트럼을 얻으면, 스펙트럼의 피크 위치, 피크 강도 및 기타 정보를 분석하여 시료의 원소 구성을 확인할 수 있습니다. LIBS 시스템의 개략도는 아래와 같습니다. 레이저는 렌즈에 의해 집속되어 시료 표면에 조사되고, 플라즈마를 여기시킵니다. 생성된 플라즈마 스펙트럼은 집광 렌즈를 통해 광섬유로 들어가고, 광섬유를 통해 분광기로 전달됩니다. 분광기는 스펙트럼 신호를 수집하고, 이 신호는 프로세서에 의해 처리된 후 데이터베이스와 비교되고 시료의 구성 원소를 분석합니다.

LIBS 시스템 개략도

LIBS 기술은 오랫동안 존재해 왔으며 주로 실험실용 모델로 사용되어 왔습니다. 최근 레이저와 분광기의 개발 및 소형화에 힘입어 휴대용 모델이 출시되었습니다. 레이저, 소형 분광기, 메인 컨트롤러 및 배터리를 총 모양의 본체에 통합함으로써 시료 연마 및 분해와 같은 전처리 없이 현장에서 비파괴적이고 신속한 검사가 가능해졌습니다.

휴대용 LIBS 분석기

II. 휴대용 LIBS 분석기의 핵심 장점 및 단점 (주류 휴대용 XRF 분석기와 비교)

이점
1. 경원소 검출 능력은 XRF보다 우수합니다. 탄소(C), 리튬(Li), 붕소(B), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 규소(Si)를 정확하게 검출할 수 있으며, 304/304L 재질, 탄소강의 탄소 함량, 리튬 양극재 등을 구분할 수 있습니다. XRF는 탄소와 리튬 원소를 거의 검출하지 못합니다.
2. 방사성 물질 없음: 레이저 안전 등급은 3B 등급으로 X선 방사선이 발생하지 않으므로 방사선 등록이나 환경 영향 평가 승인이 필요 없으며, 공장 간/사업장 간 사용에 대한 규제 제한도 없습니다.
3. 초고속 검출: 1~3초 내에 50~100μm 크기의 작은 광점을 검출할 수 있습니다. 납땜 접합부, 코팅, 작은 영역, 거칠고 부식된 표면 등을 검출할 수 있습니다.
4. 경미한 손상: 표면 침식이 마이크로미터 수준에 불과하여 문화재 및 정밀 부품을 손상 없이 선별할 수 있습니다.
5. 광범위한 측정 범위: 리튬부터 중금속까지 모든 원소를 측정할 수 있습니다.

불리
1. 전반적인 정량적 정확도는 XRF보다 떨어집니다.
2. 레이저와 소형 분광기의 비용이 높아 전체 판매 가격이 동일 등급의 휴대용 XRF보다 높습니다.

III. 휴대용 LIBS 분석기의 주류 응용 시나리오

1. 산업용 PMI 재료 검증 (최대 하류 단계, 약 45% 차지)
압력 용기, 파이프라인 용접부, 스테인리스강/합금강, 알루미늄 합금, 구리 합금 입고 재검사, 제철소 용광로 신속 선별, 특수 장비 결함 탐지
2. 폐금속 재활용 및 분류
혼합 고철, 알루미늄-마그네슘 폐기물 및 구리-니켈 불순물의 신속 선별을 통해 탄소 함유 합금강 선별의 문제점을 해결합니다.
3. 리튬 이온 신에너지 (가장 빠르게 성장하는 분야)
입고되는 부품에 대한 리튬인산철, 삼원계 물질, 리튬염, 알루미늄 호일 및 구리 호일 검사, 그리고 리튬 배터리 재활용 재료 식별
4. 지질 및 광물 탐사
야생 광석 등급의 신속한 선별 및 토양 중금속 오염의 현장 모니터링
5. 석유화학 에너지
파이프라인 내 부식 물질 식별, 발전소 합금 부품 검사 및 수소화 장치 내 실리콘 함량 검출
6. 문화재, 고고학적 유물, 안보 비상사태 및 특수 반입 자재 품질 검사

IV. 휴대용 LIBS 분석기의 개발 및 동향

현재 수입 모델은 가격이 비싸고, 고급 시장에서는 해외 브랜드가 정밀도, 안정성, 브랜드 장벽을 바탕으로 석유화학, 원자력, 항공 산업에서 높은 매출을 올리는 주문을 장악하고 있습니다. 중저가 시장에서는 국내 제품이 가격 경쟁력과 현지화된 사후 서비스라는 뚜렷한 장점을 앞세워 빠르게 성장하고 있습니다. 리튬 배터리, 신재생 에너지, 중소기업들이 점차 수입품을 대체하고 있습니다. 저가 시장은 주로 고철 선별 장비의 입문자 수요에 초점을 맞추고 있으며, 국내 모델이 시장의 대부분을 차지하고 있고, 이에 상응하는 해외 제품은 없습니다.

현재 LIBS는 기술 및 정책적으로 유리한 여건 속에서도 더딘 발전 단계를 거치고 있지만, 동시에 발전상의 병목 현상과 과제도 존재합니다.

기술적 및 정책적 이점:
1. XRF는 탄소/리튬 검출에 대한 시급한 요구를 충족할 수 없습니다.
신에너지 리튬 배터리, 탄소 함유 합금강, 그리고 316L 저탄소 스테인리스강은 의무적인 검사 대상이며, LIBS(리튬 이온 배터리 분광법)만이 현장에서 신속하게 검출할 수 있습니다. 이러한 장비들은 긴급 상황에서 없어서는 안 될 필수품입니다.
2. 재생 가능 자원의 정책적 이점
환경 보호 및 세금 감독을 위해 폐강철, 폐알루미늄, 비철금속의 재활용을 표준화하고 신속 선별 장비의 보급을 촉진해야 합니다.
3. 특수 장비에 대한 의무 안전 테스트
압력용기, 압력관 및 보일러에 대한 정기적인 PMI 재료 검증은 시장에서 대체재로서의 잠재력이 매우 큽니다.
4. 방사선 관련 규정 준수 외의 이점
XRF 방사선 보고 절차가 번거롭기 때문에 공장, 산업단지 및 지역 간 검사에서는 규제 비용을 피하기 위해 LIBS 장비 구매를 우선시합니다.
5. 국내 대체 정책
고급 과학 기기에 대한 특별 지원, 레이저 및 미세 분광 핵심 부품의 국산화 분야에서의 획기적인 발전, 그리고 전체 장비의 지속적인 비용 절감

개발 과정의 점검 지점 및 과제:
1. 핵심 부품 병목 현상
고성능 협대역 펄스 레이저, 고정밀 회절 격자 및 냉각 감지기는 여전히 수입에 크게 의존하고 있어 비용이 증가하고 성능 한계가 제한됩니다.
2. 정량적 정확도의 한계
매트릭스 효과 및 표면 간섭 보정 알고리즘의 난이도가 높아 데스크톱 직접 판독 분광법 및 실험실 ICP와 경쟁하기에는 여전히 어려움이 있습니다.
3. 시장 인식 부족
대부분의 단말기는 여전히 성숙한 휴대용 XRF 장비 사용을 우선시하며, LIBS 보급 및 교육 비용은 상대적으로 높습니다.
4. 불완전한 산업 표준
LIBS 현장 시험 국가 표준 및 계측 추적 시스템은 XRF만큼 완벽하지 않으며, 일부 제3자 시험 기관의 신뢰도는 제한적입니다.
5. 높은 가격
동일 구성의 가격이 XRF보다 높아서 중소 고객의 초기 구매 부담이 큽니다.

V. 휴대용 LIBS에 적용된 레이저 기술의 한계 극복

리얼라이트 당사는 항상 LIBS 산업의 발전에 관심을 가져왔습니다. Thermo Fisher Scientific 및 Thermo Fisher Scientific과 같은 해외 고급 휴대용 LIBS 모델의 레이저 파라미터를 참고하고, 자사의 기술적 강점을 결합하여 소형화된 제품을 출시했습니다. 고에너지 나노초 레이저 반복률은 최대 50Hz이고 단일 펄스 에너지는 5mJ 이상입니다. 원자 램프 본 시스템은 엔드 펌프 기술을 채택하고 있으며, 엔드 펌프 방식의 레이저 볼륨은 사이드 펌프 방식의 약 3분의 1 수준으로, 휴대용 모델의 소형화 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 펌프 소스는 적층형 어레이 광원을 사용합니다. 리얼라이트필요에 따라 고도로 맞춤화할 수 있고 외부 펌프 소스가 필요 없어 비용 효율성이 매우 뛰어납니다. 적층형 어레이 광원은 여러 개의 반도체 막대를 쌓아 올려 형성하는 표면 광원으로, 최대 출력을 크게 향상시키고 크기를 소형화할 수 있습니다.

엔드 펌핑용 RealLight 적층형 어레이 광원

끝단 펌핑 구성: 작은 단면적으로 휴대용 LIBS 장비에 적합합니다.

측면 펌프 방식: 단면적이 커서 휴대용 LIBS 장치에는 적합하지 않음

이 레이저는 Nd:YAG와 Cr:YAG 결정 접합을 이용한 수동형 Q 스위칭 방식을 채택하고 있습니다. 이러한 기술 경로는 마이크로칩 레이저의 특징과 일치합니다. 리얼라이트당사는 관련 공정에 대한 심도 있는 기술 축적을 통해 긴 수명, 높은 안정성, 넓은 작동 온도 범위와 같은 특성을 구현할 수 있습니다. 접합 결정은 환경 적응성이 뛰어나 휴대용 기기가 자주 이동하고 진동에 노출되는 환경에 적합하며, 낙하 및 파손 위험에도 견딜 수 있습니다.

이 레이저는 반도체 냉각기를 장착하고 있어 실외의 고온 및 저온 환경에 관계없이 일정한 온도를 유지하며 작동할 수 있습니다.

이 레이저는 또한 병렬 밀봉 기술을 채택하여 불활성 가스 환경에서 밀봉되므로 레이저의 수명을 연장하는 데 도움이 되며 나사가 필요하지 않아 부피를 더욱 줄입니다.

RealLight 레이저는 휴대용 LIBS 장치에 최적화되어 있습니다.

휴대용 LIBS 장치에 최적화된 RealLight 레이저의 매개변수:

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