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[기고] 양자기반 가스누출 영상화 시스템 소개
바람 등 외부 ·영향없이 미세 가스누출 실시간으로 확인

기사승인 [1472호] 2021.02.23  23:14:03

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- 오정석 한국가스안전공사 책임연구원

기존 검지방식보다

편리성·직관성 높아

멀티 가스 감지·영상화

기업체 협력 통해 추진

   
 
   
▲ 오정석 한국가스안전공사 책임연구원

가스 누출 감지에 사용되는 감지기 및 방식은 근접 감지와 원격 감지로 분류되며 근접 감지는 확산식과 흡입식으로 나누어지며, 주변에서 흔히 볼 수 있는 가스 감지기는 대부분 여기에 포함된다.

원격 감지의 경우에는 ‘가스가 누출될 때의 온도차를 이용하는 방식, 가스를 통과한 태양광의 적외선을 관측하는 방식, 빛을 조사하여 흡수되는 양을 측정하는 방식’ 등으로 나뉜다.

근접 감지 방식의 경우에는 가스의 누출 가능성이 있는 부위에 근접하여 설치해야 하기 때문에, 방대한 탐지 영역에서는 다수의 감지기를 설치하여야 하며, 바람의 영향에 따라 감지 성능이 좌우된다는 단점이 존재한다. 따라서, 대단위 면적에 적용 가능한 원거리 가스 농도의 측정에 대한 요구가 커지고 있다.

원거리 가스 감지를 위한 기존 제품 중 자연 방출되는 태양광을 이용해 가스를 통과한 적외선(MWIR)을 관측하는 감지기는 눈에 보이지 않는 가스 누출을 영상으로 보여줌으로서 직관적인 가스 누출에 대한 관측이 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 미세 누출 감지가 불가능하고, 자연 방출되는 적외선으로 농도 환산을 위한 기준이 없어 농도 측정이 불가능하다는 단점을 가지고 있다.

다음은 가스를 측정하기 위하여 눈에 보이지 않는 적외선 파장의 레이저를 조사하여, 흡수되는 양을 측정(TDLAS) 이를 농도로 환산하여 가스의 누출 및 양을 판별하는 방식이 있다.

미세누출 감지 및 저농도 측정이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 영상으로 보여주는 것이 아닌 한 점에 대한 누출 여부를 감지하는 것이어서 ‘사용자가 누출 가능 부위를 사전에 인지한 상태에서 측정을 수행하여야 한다’는 단점이 존재한다. 이 때문에, 가스 누출에 대한 비교적 전문적인 지식을 가진 사용자가 필요하다.

양자기반 가스 영상 장치는 기존 제품의 이러한 단점들을 보완한 제품으로, 저농도/미세 가스 누출 및 농도 측정이 가능하며, 영상을 통한 직관적 가스 누출 관측이 가능한 시스템으로, 가스 누출시 가스 누출 부위를 추적가능하도록 하는 시스템이다. 이 시스템은 기존에 이용하고 있는 파장 가변 레이저 흡수 분광법(TDLAS)와 ToF(Time of Flight)를 이용하는 LiDAR의 방식을 융합해 제작됐다.

   
 

LiDAR는 자율주행 산업 발전의 영향으로 대부분의 분들이 많이 알고 계시지만, 물질의 특성 및 종류를 판단하기 위한 분광법에 대해서는 모르시는 분들이 많아 이론적 배경에 대해 간략히 설명이 필요하다.

우선, 분광(分光) 이라는 한자어에서 알 수 있듯, 우리 눈에 보이는 색은 태양광 중 가시광선이 물질에 반사될 때 특정 색의 파장을 흡수하고 나머지 빛이 반사되어 보이는 것을 의미한다. 이처럼 빛을 쪼개어 보면 쪼개어지지 않는 빛으로 나눠지게 되는데, 이를 스펙트럼이라고 한다.

잠시 분광학의 역사를 살펴보자면, 1966년-1972년 무렵 태양빛이 어떻게 구성되어 있는지를 연구하여 발견한 뉴턴(Isaac Newton, 1642-1727)의 연속 스펙트럼이 분광학의 유래라고 할 수 있다. 1750년경 스코틀랜드 천문학자 멜빌(Thomas Melvill, 1726-1753)에 의해 특정 원소를 태울 때 노란색이 관찰되는 실험 결과에 의해 방출 스펙트럼이 발견됐다. 특정 원소는 나중에서야 ‘나트륨’으로 밝혀졌지만, 방출 스팩트럼은 각각의 원소마다 다르게 나타나기 때문에, 원소의 지문과 비유되기도 한다.

1814년 어느 날, 프라운호퍼((Joseph Ritter von Fraunhofer, 1787 - 1826)는 실험 중 태양빛의 스펙트럼 속에서 검은 선 (dark line)을 찾아내게 되고, 흡수 스펙트럼을 발견하게 된다. 흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼은 기체에 빛이 흡수되는냐, 빛이 방출되느냐의 차이만 존재한다. 따라서 흡수 스펙트럼 또한 원소의 지문이라 할 수 있으며 이러한 흡수 스펙트럼을 이용한 것이 흡수 분광법이다.

양자기반 가스 누출영상화 시스템은 반사형 가스 검출 시스템으로 광송수신기가 동일 장비에 있으며 물체를 맞고 반사된 후방산란 빛을 감지하여 가스농도를 검지하는 방식이다.

양자기반 가스누출 영상화 시스템은 크게 가스 농도를 검출하는 양자 가스광학부와 영상화를 위한 카메라부, 시스템 운영 및 신호처리를 하는 제어부, 데이터 전송을 위한 통신부 그리고 가스누출을 모니터링하는 서버 및 UI 부분으로 구성된다.

한국가스안전공사 가스안전연구원은 2019년부터 중소벤처기업부가 추진하는 ‘충북 스마트안전제어 규제자유특구 사업’을 통해 양자센싱 전문기업인 ㈜퀀텀센싱과 양자기반 가스 누출 영상화 장치 개발을 진행해 왔었으며 퀀텀센싱이 병행해서 진행하였던 SKT와 협업하여 2020년 9월 15일 ‘양자 기반 가스 센싱 솔루션 기술 및 제품 검증’을 위한 서면 업무협약을 체결했다.

향후, 가스안전연구원은 본 사업의 기술 및 제품에 대한 제도 기반 기술을 검토하고, SKT는 내재화 된 양자 기술을 바탕으로 비즈니스 모델 발굴, ㈜한국플랜트관리와 ㈜퀀텀센싱은 양자기반 가스센싱 장치 및 산업용 사물인터넷 기반 모니터링 시스템을 추진하여 단계적으로 싱글 가스(메탄) 가스 감지/영상화 시스템, 멀티 가스 감지/영상화 시스템, 수소 가스 감지/영상화 시스템을 개발할 계획이다.

   
 

가스신문 kgnp@gasnews.com

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