Introduction
Materials and Methods
실험 재료
실험설비
실험 장치
실험 방법
Results and Discussion
최적 전극판 간격 구명
금속 종류별 최적 전기장 강도
Conclusion
Introduction
분말 농산물 가공품은 농산물의 저장성이 우수하며, 직접 섭취하거나 물에 희석하여 간편하게 소비할 수 있고, 분말 형태로 휴대성이 뛰어나다는 장점을 가지고 있다(Cárcel-Carrasco et al., 2022). 코로나19 팬데믹 이후 건강과 면역력 증진에 대한 관심이 증가하면서, 자기관리의 중요성이 대두되고 있으며, 이러한 변화는 분말 농산물 가공품의 수요 증가로 이어지고 있다(Lee et al., 2020). 하지만 최근 몇 년간 분말 농산물 가공품에서 기준치의 수십 배에 달하는 금속성 이물이 검출되었다는 보도가 이어지며, 소비자들 사이에서 품질 및 안전성에 대한 불안감이 증가하고 있다(Lee, 2019). 세계적인 금속 검출 시스템 제조업체인 Mettler Toledo의 보고서에 따르면, 스테인리스강은 주로 분쇄 공정 중 롤밀이나 칼날과의 마찰로 인해 미세한 철분(Fe) 이물이 발생하며, 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 과 같은 비철금속의 경우에는 원재료 포장재 내부에서 자주 발견되는 것으로 보고되었다(Mettler Toledo, 2023). 이처럼 가공 공정 또는 원료 단계에서 혼입된 금속성 이물은 분말 농산물의 전처리 및 제조과정에서 완전히 제거되지 못한 채 제품에 잔류할 수 있으며, 출하 후 품질 저하와 소비자 건강상의 위해를 유발할 수 있다. 실제로, 스테인리스 입자 섭취로 인한 인체 내 금속 이온 용출과 관련한 위해성을 다룬 연구(Demont et al., 2012), 구리 섭취 시 구토, 메스꺼움, 신장 질환, 설사 등의 증상이 보고된 연구(Alqahtani et al., 2021), 금속성 이물에 의해 유발된 급성 맹장염 사례(Kim et al., 2015) 등은 금속 이물이 식품 내 잔류할 경우 초래될 수 있는 건강 위해 가능성을 뒷받침하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 자기장 기반의 금속 검출기 및 분리 장치가 상용화되어 식품 가공 공정에 적용되고 있으며, 특히 분말형 농산물 제품의 품질관리 시스템 구축을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다. Balanced Coil(Haimovich et al., 2020), Multi-Scan(Gavin et al., 2021) 방식은 코일에 의해 생성된 고주파 교류 자기장을 기반으로 작동한다. 생성된 교류 자기장 범위 내에 금속성 이물이 있다면, 금속성 이물에 와전류(eddy currents)가 유도된다. 이를 감지하여 금속성 이물의 존재 여부를 파악하고 출하 과정에서 제품을 배제하여 금속성 이물을 제거하는 방식이다. 하지만 이러한 장비들은 규모가 크고 고가로, 소규모 가공 경영체에서는 높은 장비 비용과 기술 부족으로 해당 장비를 도입하기 어렵다(Choi et al., 1997). 또한 와전류가 유도되어 감지되기 위해서는 금속성 이물의 크기가 작을수록 감지되는 와전류 신호가 작아져 검출이 어려워지게 된다(Smetana et al., 2018). 이러한 이유로 소규모 가공경영체 에서는 주로 자기 분리기(magnetic saparators)를 도입하고 있다. 이 장치는 10,000 Gauss 강도를 가진 영구자석 또는 전자석으로 구성되며 강자성체(ferromagnetic) 성질을 가진 금속성 이물을 직접 끌어당겨 식품과 분리하는 방식이다(Jung, 2009). 특히 포장 전 공정에서 금속성 이물을 물리적으로 제거 할수 있어 구조가 직관적이고 검출 정확도가 높은 것으로 알려져 있다. 그러나 이 방식은 공정 도중 자석에 부착된 금속성 이물을 수작업으로 제거해야 하며, 생산 공정을 중단할 수밖에 없어 생산성과 효율성이 저하되는 문제가 있다(Park et al., 2020). 또한 자석 방식은 철과 스테인리스와 같은 특정 금속 이물에 국한되며, 비철금속은 자성을 띠지 않아 검출이 어렵다(Um et al., 2009). 이러한 기술적 한계는 식품 업체가 이물 저감화를 위한 노력을 기울이고 있음에도 불구하고, 농산물 원료 공급업체의 영세성과 더불어 이물 발생의 잠재적 위험성을 완전히 배제하지 못하는 주요 요인으로 작용하고 있다(Kim et al., 2012). 소규모 가공업체의 영세성과 현재 사용되고 있는 자석에 의한 금속성 이물질 검출 및 제거 방식의 문제점, 그리고 포장 이후 도입되는 금속 검출 장치의 한계 등의 문제를 해결하기 위해 새로운 금속성 이물질 검출 및 제거 기술이 필요하다 판단된다. 따라서 본 연구에서는 전기장을 이용한 새로운 금속성 이물 검출 및 제거 시스템을 개발하기 위한 기초 연구로서 전기장내에서 알루미늄, 스테인리스를 포함한 다양한 금속 이물에 대한 반응도를 분석하였으며, IGBT기반의 전원장치를 구축하여 효율적인 전기장을 형성하고자 하였다.
Materials and Methods
실험 재료
본 연구에 선정된 금속은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리이며, 각 금속을 가공하는 과정에서 생성되는 부산물인 칩을 수집하여 사용하였다. 균일한 크기 및 형상을 위하여 크기와 형상이 일정하지 않은 칩을 추가 분쇄하여 2 mm 이하의 크기로 가공하였으며, 최종적으로 실험에 사용된 각 금속 입자들은 Fig. 1과 같다. 실험 마다 금속 입자는 10 g씩 사용하였으며, 각 금속 시료는 다름 금속과 혼입되지 않도록 분리하여 사용하였다.
실험설비
실험 장치는 크게 분말 이송관과 전기장 생성 장치로 구분되며 Fig. 2와 같이 설비를 제작하여 실험을 진행하였다. 먼저 분말 이송관은 총 300x300x960 mm 크기의 수직 낙하형으로 제작하였으며, Polycarbonate (PC)를 사용해 지름 100 mm의 투명한 배관을 사용하여 육안으로도 전기장내에서 금속이 반응하는 현상을 시각적으로 확인할 수 있도록 하였다. 전기장 생성 장치는 Polylactic acid (PLA)를 사용하여 전극판의 틀을 제작하였으며 전극부는 0.8 mm 두께의 스테인리스 강 판을 사용하였으며, 전극의 간격(1~4 mm)에 따라 각각 20~48개의 전극이 들어 갈수 있도록 설계하였다. 동일한 형태의 전극부가 2개로 구성되어, 각각 (+)극과 (-)극을 연결하고, 상단과 하단에 교차시켜 격자 형태로 설치되었다.
실험 장치
금속 이물 검출을 위한 전기장 생성 장치의 경우 고주파의 펄스 구형파를 생성하도록 IGBT 기반 전원 공급 장치를 통해 전원을 공급하였으며 이를 통해 전원이 인가된 전극판에 의해 형성된 전기장의 강도에 따른 금속 검출 성능을 도출하여 최적의 전기장 강도를 구명하고자 하였다. 전원 공급장치의 구성 및 회로도는 Fig. 3과 같다. 자체 제작된 (4) IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) Module 과 (2) DC Power supply(RD6024, RIDEN, KOREA), (1) Function Generator(33220A, Agilent, USA), (3) High voltage switching transformer(FLYLABURN, Information Unlimited, USA)를 이용하여 전원 공급부를 구성하였다. DC power supply를 통해 IGBT에 인가된 전압을 Function generator를 사용하여 주파수(최대 20 kHz) 및 Duty cycle을 조정하여 펄스 구형파의 형태로 출력되도록 설계하였으며 High voltage switching transformer를 통해 최대 2,000 V의 고전압으로 전극판에 출력될 수 있도록 설계하였다. 공급되는 전압은 (7) Differential Probe(PR-60, B&K Precision, USA)으로 측정되었으며 전극판에 흐르는 전류는 (6) Current Monitor(Model 150, Pearson, USA)로 측정하였다. 처리 전압(V)과 전류(A) 데이터는 PC와 연결된 (5) Oscilloscope(DPO 4034, Tektronix, USA)를 이용하여 수집하였다.
실험 방법
본 실험에서는 먼저 스테인리스 분말 10 g을 사용하고 1,000 V의 전압을 전원으로 인가하여, 금속의 종류와 관계없이 2 mm이내 크기의 금속 분말 입자가 효과적으로 이동할수 있는 전극판의 간격을 구명하고자 하였다. 다음으로 250 V, 500 V, 1,000 V 의 전압을 인가하여 형성된 전기장내에서 스테인리스, 구리, 알루미늄의 반응도를 분석하였다. 분석 기준은 각 전압을 인가하여 전극판에 흐른 전류를 기준으로 급격히 증가하는 경우를 금속 입자에 의한 것 으로 판단하여 금속 입자의 특성에 따른 전류 변화 값을 확인하였다. 또한 전류 증가 횟수를 기준으로 검출 정확도를 판단하여 각 금속에 대한 최적의 전기장 강도를 구명하고자 하였다.
Results and Discussion
최적 전극판 간격 구명
최적의 전극판의 간격을 구명하기 위한 실험의 결과는 Fig. 4와 같다. Fig. 4(a)의 경우1 mm 전극판의 결과로, 금속 분말 10 g을 통과 시켰을때 일부 뭉치는 현상이 발생하였으며 전류의 변화 폭은 0.15 A 로 동일하였다. 하지만, 전극판을 통과하지 못하고 쌓인 스테인리스 강 입자에 의해 양(+)극판과 음(-)극판이 스테인리스 분말 입자에 의해 연결되어 전기적 단락(Short Circuit)현상이 발생하였다. 저항이 낮은 스테인리스의 특성으로 인해 전류가 급격히 증가하였으며, 이에 따라 전압은 반비례적으로 감소하는 양상을 나타냈다. 이러한 전류–전압의 상호 관계는 Fig. 4(a)에 나타난 빨간색 전압 곡선을 통해 확인할 수 있다. 따라서 1 mm간격의 메쉬(Mesh)형태의 전극판은 적합하지 않음을 알 수 있다. Fig. 4(b)의 경우 2 mm전극판의 결과로, 일부 금속 분말의 뭉치는 현상이 생기며 전기적 단락 현상에 의해 급격히 상승한 전류(0.15 A)가 일정시간 유지되었다가 다시 감소하는 경향을 보이며 이에 따라 반비례적으로 전압은 감소하는 양상을 보이며 Fig. 4(a) 와 유사한 그래프 곡선을 나타냈다. Fig. 4(a)와 (b)를 통해 전기적 단락 현상이 발생할 경우 전류가 불안정한 양상을 보이는 것을 확인 할수 있으며, 전압 또한 감소하며 검출부에 적합하지 않음을 알 수 있다. Fig. 4(c)의 경우 3 mm전극판의 결과로, 금속 분말의 뭉치는 현상 없이 안정적인 전류의 변화 양상을 보였다. 전류의 변화 폭은 각각 0.08 A의 변화를 보였다. Fig. 4(d)의 경우 4 mm 전극판의 결과로, 금속분말의 뭉치는 현상은 없었으나 전기장, 전극판 과 반응하지 않고 낙하하여 누락되는 스테인리스 분말 입자가 많았다. 그래서, 정확한 전류의 변화 양상을 보이지 않았으며, 전류의 변화 폭 또한 0.05 A로 미약한 변화의 폭을 보여 4 mm간격의 메쉬(Mesh)형태의 전극판 또한 적합하지 않음을 알 수 있다.
금속 종류별 최적 전기장 강도
전극판의 간격은 3 mm로 선정하였으며, 3 mm간격의 전극판에 대해 각 금속 입자별 최적 전원 조건 구명을 위한 입력 전압 V, 검출 판단을 위한 Threshold, 각 경우별 검출 횟수에 대한 정리는 Table 1과 같다.
Table 1.
Results of the response for each metallic particle.
스테인리스의 반응도 결과는 Fig. 5와 같다. 먼저, 250 V의 전압을 인가하여 전기장을 형성하였을 때, 8 mA의 낮은 전류의 변화 폭을 보이며 반응함을 확인하였다. 10 g의 금속 분말에 대해 6회의 검출율을 보여 정확도가 낮은 것으로 판단되었다(Fig. 5(a)).
500 V의 전압을 인가하여 전기장을 형성하였을 때, 그 변화의 폭이 0.1 A이내에서 관측되었으며, 10 g의 금속 분말에 대해 10회의 검출율을 보여 정확도가 낮은 것으로 판단되었다(Fig. 5(b)).
다음으로, 1,000 V의 전압을 인가하여 전기장을 형성하여 실험을 진행하였다. 250 V와 500 V의 전압을 인가한 전기장의 결과와 달리, 1,000 V를 인가한 전기장에 의한 전류의 경우, 0.15 A 의 큰 변화폭을 보이며 전류가 급격히 상승하였다. 또한 10 g의 금속 분말에 대해 22 회의 검출율을 보이며 2배 높은 정확도를 보임을 확인하였다(Fig. 5(c)). 본 실험의 결과로 스테인리스의 경우 1,000 V의 전압을 인가하여 전기장을 형성 하였을 때 정확한 금속성 이물의 검출이 가능함을 확인 하였다.
구리의 반응도 분석 결과는 Fig. 6과 같다. 250 V를 인가하였을 때, 최소 0.3 mA 에서 최대 1.0 mA의 변화 폭을 보이며 전기장내에서 반응함을 확인하였다. 또한 10 g의 구리 분말 입자에 대해 14번의 전류 상승을 보이며 높은 정확도를 보임을 알 수 있다(Fig. 6(a)). 다음으로 500 V를 인가하였을 때, 최소 0.4 mA에서 최대 0.8 mA의 변화 폭을 보이며 전기장 내에서 반응함을 확인하였다. 또한 10 g의 구리 분말 입자에 대해 13번 전류 상승을 보이며 250 V를 인가한 전기장내에서의 반응도와 유사함을 알 수 있다(Fig. 6(b)). 마지막으로 1,000 V를 인가한 전기장 내에서는 1.5 A의 큰 전류의 변화폭을 보이며 반응함을 알 수 있다. 하지만 10 g의 구리 분말 입자에 대해 6번의 전류 상승을 보이며 다소 낮은 정확도를 보이는 것을 확인하였다(Fig. 6(c)). 본 실험의 결과로 구리의 경우 250 V의 전압을 인가하여 전기장을 형성하여도 정확한 금속성 이물 검출이 가능함을 확인 하였다.
다음으로, 알루미늄의 경우 결과는 Fig. 7과 같다. 먼저 250 V를 인가하였을 때, 0.03 A의 전류 변화 폭을 보이며 전기장내에서 반응함을 확인하였다. 또한 10 g의 알루미늄 분말 입자에 대해 12번의 전류상승을 보이며 구리와 달리 250 V의 낮은 전압을 인가 하였을 때, 충분한 정확도를 보이지 못함을 확인 하였다(Fig. 7(a)). 다음으로 500 V를 인가하였을 때, 0.08 A의 전류 변화폭을 보이며 전기장내에서 반응함을 확인하였다. 10 g의 알루미늄 분말 입자에 대해 18번의 전류상승을 보이며 전기장에 인가하는 전압이 증가함에 따라 검출 정확도가 높아짐을 확인하였다(Fig. 7(b)). 마지막으로 1,000 V를 인가하였을 때, 0.15 A의 전류 변화폭을 보이며 전기장내에서 반응함을 확인하였다. 10 g의 알루미늄 분말 입자에 대해 9번의 전류상승을 보이며 전기장에 인가하는 전압에 비례하여 검출 정확도가 증가하지 않는 다는 것을 확인하였다(Fig. 7(c)). 본 실험의 결과로 알루미늄의 경우 500 V의 전압을 인가하여 전기장을 형성하였을 때 정확한 금속성 이물 검출이 가능함을 확인 하였다.
Conclusion
본 연구는 전기장을 이용한 금속성 이물질 검출 및 제거 기술 개발을 위한 기초 연구로서, 스테인리스 강, 구리, 알루미늄 입자의 전기장 내 반응도를 분석하였다. 실험 결과, 각 금속에 따라 최적의 전기장 강도가 상이하게 나타났으며, 이를 통해 금속 검출의 정확도를 높일 수 있는 최적 조건을 구명하였다. 본 연구에서 설계한 전극판의 전극 간격이 3 mm일 때 분말의 뭉침이 최소이면서 반응도가 활발한 것으로 확인하였다. 또한 각 금속입자를 검출하기 위한 최적의 전원 조건은 스테인리스 강은 1,000 V, 구리는 250 V, 알루미늄은 500 V일 때 가장 높은 검출 빈도를 보이는 것으로 확인하였다. 이는 전기장을 활용한 금속 이물 검출 기술의 효율성을 증명하고, 스테인리스와 구리, 알루미늄과 같은 주요 금속 이물질 검출을 위한 기초 데이터를 제공한다는 점에서 의의가 있다. 또한, 소규모 가공업체에서도 적용 가능한 기술 개발의 토대를 마련하여, 기존 장비의 경제적, 기술적 한계를 극복할 수 있는 방향을 제시하였다. 향후 연구에서는 다양한 금속 입자와 이송 라인에서의 실제 적용을 위한 실험을 확대하여 전기장의 상용화 가능성을 검증할 필요가 있다. 이와 더불어, 검출 정확도를 향상시키기 위한 전극판 구조와 전기장 강도의 최적화를 지속적으로 연구함으로써, 금속 이물질 제거 시스템의 효율성을 더욱 강화할 것으로 기대된다.
