Method for laser cleaning of painted metal scraps to improve classification accuracy during laser-induced breakdown spectroscopy based sorting.

Abstract

레이저 유도 붕괴 분광법(Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)은 레이저 조사로 발생하는 플라즈마를 측정하여 정량적 및 정성적 분석을 수행하는 기술입니다. 이 기술은 측정 시간이 매우 짧아 실시간 분석이 가능하며, 공기 중에서도 측정할 수 있고 다중 원소 분석이 가능하여 다양한 산업 연구 분야에서 활발히 연구되고 있습니다. 실제 LIBS기반 장비를 제작하였을 때 깨끗한 폐금속에서는 높은 순도 및 정확도로 재활용의 실현 가능성을확인 하였지만 표면이 오염으로 두껍게 덮인 샘플에서는 분류가 불가능 하였습니다. 이러한 표면 오염 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 대표적인 표면 오염 중 하나인 페인트를 대상으로, 페인트가 LIBS 신호에 주는 영향에 대해서 분석을 하였으며, 분류정확도 향상을 위한 laser cleaning 방법을 제시하였습니다. 대표적인 색상인 검은색 페인트와 흰색 페인트를 알루미늄, 구리, 스테인리스 스틸 3종 금속에 분사 시간을 다르게 하여 도장하여 LIBS 분석하였습니다. 검은색 페인트는 넓은 배경 신호, 목표 금속과 관련 없는 신호 측정, 목표 금속의 약한 신호 등으로 LIBS에 영향을 미쳤습니다. 흰색 페인트는 높은 투과율로 인하여 두께에 상관없이 한번에 laser shot 만으로도 금속표면이 노출되었습니다. LIBS신호는 검은색 페인트와 동일하게 넓은 배경 신호 및 목표 금속과 관련없는 신호들이 측정되었으나, 나노파티클의 효과로 검은페인트와는 다르게 목표 금속에서 강한 신호가 측정되었습니다. 이러한 영향을 줄이기 위해 신호 처리와 analysis shot보다 큰 spot size를 가지는 cleaning shot을 사용하였습니다. 검은색 페인트에서는 표면이 cleaning shot에 의하여 노출되었을 때 analysis shot을 쏘면 높은 분류 정확도를 얻을 수 있었습니다. Cleaning shot과 동시에 LIBS측정 할 때, 전체적으로 강한 신호가 측정되는 위치를 찾음으로써 페인트 두께에 상관없이 정확한 클리닝 샷을 쏠 수 있었습니다. 제안된 방법으로 분류했을 때, no-cleaning shot 조건보다 높은 정확도와 처리량을 얻을 수 있었습니다. 흰색 페인트는 높은 투과성과 나노 입자들에 의한 증폭 덕분에 2개의 laser shot만으로도 높은 분류정확도를 얻을 수 있었으며, cleaning shot을 조사할 필요가 없습니다. 이는 페인트 색상별로 다른 방식으로 LIBS측정을 하는 것이 효율적이라는 것을 확인할 수 있는 결과입니다. 본 연구를 통해 페인트와 같은 두꺼운 표면 오염이 존재하더라도 제안된 레이저 클리닝 방법을 사용하면 높은 분류 정확도로 분류가 가능함을 확인하였습니다. 또한, 페인트 색상에 따라 레이저 어블레이션 메커니즘과 LIBS에 미치는 영향이 다르기 때문에, 각 페인트 색상에 맞는 다른 클리닝 방식이 필요함을 밝혔습니다. 이를 통해 LIBS 기반 재활용 시스템의 분류 가능성을 입증하였으며, LIBS 기반 재활용 기술의 상용화 가능성을 시사합니다.|Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is a powerful analytical technique that enables both quantitative and qualitative analysis by measuring plasma generated through laser irradiation. Its advantages, including rapid measurement, real-time analysis, capability for multi-element detection, and operation in ambient conditions, make it highly relevant across various industrial and research fields. However, when implementing LIBS-based recycling equipment, while clean metal scraps demonstrated high purity and classification accuracy, samples with thick surface contamination, such as paint, proved difficult to classify. To address this issue, this study analyzed the effects of paint—a representative surface contaminant—on LIBS signals and proposed a laser cleaning method to improve classification accuracy. Black and white paints were applied to aluminum, copper, and stainless steel using varying coating times, and LIBS analysis was performed. Black paint showed broad background signals, non-target signals, and weak target metal signals, affecting LIBS accuracy. On the other hand, white paint, due to its high transmittance, exposed the metal surface with a single laser shot regardless of thickness. While both paints exhibited broad background and non-target signals, white paint showed strong target signals due to nanoparticle effects, differentiating it from black paint. To minimize these effects, signal processing and cleaning shots with larger spot sizes than the analysis shot were applied. In black paint samples, high classification accuracy was achieved by applying an analysis shot after surface exposure through cleaning shots. LIBS measurements conducted during cleaning shots allowed the identification of strong signal points, enabling precise cleaning shots regardless of paint thickness. The proposed method resulted in higher accuracy and throughput compared to the no-cleaning shot condition. For white paint, high classification accuracy was achieved with just two laser shots, thanks to its high transmittance and nanoparticle effects, eliminating the need for cleaning shots. This demonstrates that using different LIBS measurement strategies based on paint color is more efficient. In this study, it was confirmed that even in the presence of thick surface contamination such as paint, high classification accuracy can be achieved using the proposed laser cleaning method. Additionally, it was revealed that the laser ablation mechanism and its effect on LIBS vary depending on the paint color, highlighting the need for different cleaning methods for each paint color. This demonstrates the feasibility of classification in LIBS-based recycling systems and suggests the potential for the commercialization of LIBS-based recycling technology.