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적용분야

정밀 온도 계측 기술이 활용되는 다양한 산업 및 공정 영역을 소개합니다.

  • Challenge

    제약 콜드체인 전 과정에서 정밀한 온도 제어를 유지하는 것은 매우 중요합니다. 온도 편차가 발생할 경우 의약품의 효능과 안전성이 저하될 수 있기 때문입니다. 기존의 접촉식 센서는 오염 위험을 수반하며, 주변 온도 측정만으로는 특히 소독 후 유리 용기에서 제품 품질에 영향을 미치는 핵심적인 온도 구배를 감지하지 못하는 경우가 많습니다.

  • Solution

    비접촉식 적외선 센서는 컨베이어 벨트 위에서 냉각되는 과정 중, 열 소독 후 각 유리 용기의 실제 온도를 측정합니다. 캐비티 효과(cavity effect)를 활용함으로써 측정 정확도를 높이고, 충전 공정 전에 용기가 안전한 온도에 도달했는지를 확실히 검증할 수 있습니다. 이를 통해 센서 접촉으로 인한 오염 위험 없이 잔열로 인한 제품 변질을 예방할 수 있습니다.

  • Benefits

    • 충전 전 용기의 적정 냉각 상태를 검증하여 의약품 품질의 일관성 확보
    • 부적절하게 냉각된 용기를 공정 초기에 감지하고 차단하여 제품 폐기 방지
    • 센서 직접 접촉을 제거함으로써 운영 안전성과 위생 수준 향상
    • 규제 준수를 위한 시각적 온도 기록을 통해 체계적인 품질 문서화 가능
    • 생산 라인에서 온도 이상을 즉시 감지·대응하여 가동 중단 시간 감소

제약 콜드체인에서 비접촉식 온도 제어의 필요성

의약품은 엄격한 생산 기준을 충족해야 하며, 이를 위해 정밀하고 신뢰할 수 있는 측정 방법이 요구됩니다. 제약 콜드체인 모니터링은 제품이 출발지에서 최종 목적지에 도달할 때까지 전 과정에서 특정 온도 조건을 유지하는 것을 의미합니다. 이는 온도에 민감한 의약품, 백신, 바이오의약품의 품질, 효능, 안전성을 보존하는 데 필수적이며, 부적절한 온도에 노출될 경우 효능이 저하되거나 인체에 유해해질 수 있습니다. 영국 의약품·의료제품 규제기관(MHRA)에 따르면, 의약품 보관 및 운송 과정에서 발생하는 중대 및 주요 결함의 약 3분의 1이 온도 제어 및 모니터링과 관련되어 있으며, 온도 문제는 전체 결함의 30%를 차지해 다른 품질 관리나 문서화 실패보다 높은 비중을 보입니다. 이러한 문제는 저온 보관이 필요한 의약품(콜드체인 제품)뿐만 아니라 25 °C 이하에서 보관해야 하는 의약품(상온 관리 제품)에도 동일하게 적용됩니다. 온도 모니터링을 통해 기업은 온도 이탈이 발생한 운송 물량을 식별하고 적절히 관리할 수 있습니다.

기존의 온도 센서는 생의학 제품이 가공·보관·운송되는 환경의 주변 온도를 모니터링하는 데 주로 사용됩니다. 그러나 적외선 이미징을 통해 확인해 보면, 센서가 제품과 직접 접촉하지 않더라도 온도 센서와 제품 사이에는 열 구배(thermal gradient)가 존재할 수 있습니다. 오염 위험과 공정 특성상, 각 의약품을 개별적으로 접촉식 온도 센서로 측정하는 것은 현실적으로 어렵습니다. 비접촉식 적외선 온도 센서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 대안으로, 오염 위험 없이 각 의약품의 실제 온도를 정확하게 측정할 수 있습니다.

권장 온도 범위를 벗어날 경우, 온도에 민감한 의약품과 백신의 화학적 조성, 안정성, 그리고 효능이 손상될 수 있습니다. 안전성과 품질을 확보하기 위해, 이 공정에서는 백신 바이알이 소독 후 충전 단계에 들어가기 전에 최대 25 °C까지 충분히 냉각되어야 합니다. 유리 용기의 온도가 25 °C를 초과하면, 열에 민감한 특성으로 인해 백신은 사용이 불가능해집니다. 따라서 주변 온도를 25 °C 이하로 유지하는 것이 필수적이며, 고온 열 소독을 거친 유리 용기에 충분히 냉각되지 않은 상태로 의약품을 충전할 경우 해당 제품은 모두 폐기될 수밖에 없습니다.

제약 콜드체인에서 비접촉식 온도 제어의 필요성
적외선을 활용한 소독부터 충전까지: 생의학 제품의 안전 온도 유지

충전 용기는 유리로 만들어집니다. 이 용기들은 소독을 위해 열 처리된 후 컨베이어 벨트를 통해 이동합니다. 따라서 소독이 충분히 이루어졌는지를 확인하고, 정해진 열 임계값에 도달했는지를 검증하기 위해 용기의 온도를 반드시 점검해야 합니다. 소독 공정이 끝난 직후에는 유리 용기의 온도가 매우 높아, 온도에 민감한 생의학 제품을 바로 충전할 수 없습니다. 유리 용기는 충전 스테이션으로 이동하는 동안 컨베이어 벨트 위에서 점차 냉각됩니다. 만약 컨베이어 벨트의 속도가 너무 빠르거나 열 소독 온도가 지나치게 높게 설정된 경우에는, 충분한 냉각 시간을 확보하기 위해 유리 용기의 이동을 일시적으로 멈춰야 합니다.

유리 용기의 온도 모니터링은 비교적 간단합니다. 이 응용에서는 캐비티 효과(cavity effect)가 나타나기 때문에, 유리의 방사율(emissivity)은 크게 고려하지 않아도 됩니다. 적외선 센싱에서의 캐비티 효과란, 작은 밀폐 공간 내부에 적외선 복사가 갇혀 여러 번 반사되면서 열 감지가 강화되는 현상을 의미합니다. 이 효과는 유리 용기 내부 표면의 겉보기 방사율을 증가시켜, 온도 측정의 정확도와 민감도를 향상시킵니다. 또한 이 공정에서는 비교적 낮은 온도를 측정해야 하므로, 8 µm~14 µm 범위의 장파장 적외선 센서를 사용하는 것이 요구됩니다. Optris의 제품 포트폴리오에는 장파장 적외선 카메라를 탑재하고, 고정 설치에 적합한 콤팩트한 디자인의 Xi 카메라 시리즈가 포함되어 있습니다.

설치 공간은 매우 제한적이며, 또한 클린룸 환경에 위치해 있어 열화상 카메라에도 높은 수준의 청정도가 요구됩니다. Xi 카메라는 스테인리스 스틸 부품을 사용하여 이러한 청정도 요구 사항을 충족합니다. 디자인은 매우 콤팩트하며, 망원 렌즈부터 광각 렌즈까지 여러 가지 고정형 광학 옵션을 제공해, 다양한 컨베이어 벨트 폭에 적합한 솔루션을 제공합니다.

함께 제공되는 무료 PIX Connect 소프트웨어에는 적외선 이미지에서 가장 높은 온도 값을 자동으로 감지하는 핫스폿 검색 기능이 포함되어 있습니다. 이 기능은 컨베이어 벨트 전체를 모니터링하며, 알람이 발생할 경우 컨베이어 벨트가 정지되고 작업자는 열화상 이미지를 통해 과열된 유리 용기를 식별할 수 있습니다. 이를 위해 온도 데이터는 적외선 카메라의 4–20 mA 아날로그 출력 신호를 통해 PLC(프로그램형 논리 제어기)로 전달되며, PLC는 충전 공정을 제어합니다. 또한 소프트웨어는 공정 중 영상 및 이미지 기록 기능을 제공하여, 온도가 기준치를 초과하는 이벤트를 기록할 수 있습니다. 더 나아가, 생산 중 정기적인 기록을 통해 품질 보증(QA) 목적으로도 활용할 수 있습니다.

충전 전의 빈 유리 용기뿐만 아니라, 제품이 충전된 유리 용기 역시 측정할 수 있어 이중 확인(중복 안전성)을 확보할 수 있습니다.

적외선을 활용한 소독부터 충전까지: 생의학 제품의 안전 온도 유지
적외선 온도 모니터링을 통한 온도 민감 의료 제품의 제약 안전성 및 품질 확보

요약하자면, 적외선 카메라는 제약 제품을 안전하게 처리하는 데 필요한 핵심적인 온도 정보를 제공할 수 있습니다. 제약사는 제조 공정에 비접촉식 적외선 온도 측정을 올바르게 도입하기 위해 몇 가지 기본 지침을 따를 수 있습니다. 먼저, 측정 대상 물질이 적외선 복사를 얼마나 효율적으로 방출하는지, 즉 방사율(emissivity)을 이해하는 것이 중요합니다. 본 적용 사례에서는 빈 유리 용기의 깊이가 상단 개구부보다 6배 이상 깊어, 용기 내부에서 완벽한 캐비티 반사 효과(cavity bounce effect)가 형성되었으며, 이로 인해 용기 내부의 겉보기 방사율이 크게 향상되었습니다. 반면, 유리 바이알의 외부 표면을 측정할 경우, 원격 적외선 장비가 인접한 열원으로부터 영향을 받아 측정 오차가 발생할 수 있습니다. 이러한 경우에는 유리 표면 측정에 최적화된 다른 파장대의 센서를 사용하는 것이 권장됩니다. 또한 금속 캡이나 알루미늄 코팅된 박리형 씰은 반사율이 매우 높아(방사율이 낮아) 주변 온도를 그대로 반사하는 특성이 있습니다.
아울러 작은 대상이나 좁은 개구부를 측정할 때는 적외선 장비의 스폿 사이즈 한계를 반드시 고려해야 합니다. 일부 단일 스폿 센서는 센서의 스폿 크기가 바이알의 직경보다 커서, 유리 바이알 내부 온도를 정확하게 측정하지 못할 수 있습니다. 다행히도 적외선 카메라는 수천 개의 적외선 픽셀로 이미지를 생성하므로, 매우 작은 영역까지도 측정이 가능합니다. 또한 적외선 카메라의 광학 렌즈, 카메라의 분해능, 그리고 측정 대상과의 거리를 모두 고려하는 광학 계산기(optics calculator)를 활용하는 것이 중요합니다. 마지막으로, 제조 공정의 열역학적 특성이 컨베이어 시스템의 서로 다른 위치에 어떻게 온도 변화를 유발하는지도 이해해야 합니다. 온도는 다양한 요인에 따라 달라질 수 있으며, 적외선 카메라로 빠르게 스캔하면 물리적 위치에 따라 달라지는 전체 온도 범위를 정확히 반영할 수 있도록 측정 커서의 위치를 최적화하는 데 도움이 됩니다.

적외선 온도 모니터링을 통한 온도 민감 의료 제품의 제약 안전성 및 품질 확보

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