About Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy

본 연구에서 기름의 두께 측정을 위해서 도입한 방법은 성분이 다른 매질은 동일한 파장을 갖는 빛에 대해 서로 다른 흡수도를 갖으며, 동일한 매질에서라도 빛이 매질을 통과하는 길이에 따라서도 흡수되는 정도에 차이가 있다는 것이다.

즉 서로 다른 매질인 해수와 기름은 특정 파장의 빛에 대해서 서로 다른 흡수도를 갖고 있고, 이 차이가 크다면 이러한 흡광도의 차이를 이용하여 기름의 존재 유무를 확인할 수 있으며, 기름을 통과하는 길이(기름의 두께에 비례)에 따라 흡수도의 변화량이 크게 발생할 경우, 이러한 관계를 이용하여 기름의 두께를 빛의 흡광도 차이를 통해서 측정할 수 있다는 것이다. 이와 같이 빛이 통과하는 길이에 따라 빛의 세기의 감소되는 관계를 설명한 것이 Beer의 법칙이다(Friedman[2003]).

여기서 z = 빛의 이동거리(optical path length)

   I₀ = 빛의 초기 세기(initial intensity of light)

   a = 빛의 감쇠 계수(light absorption coefficient)

위의 관계식에서 빛의 감쇠 계수는 매질의 종류와 빛의 파장에 따라 달라진다. 즉 앞서 설명한 것과 같이 빛이 다른 종류의 매질을 통과할 경우, 빛의 진행함에 따라 감쇠되는 양상이 달라진다는 것이다. 또한 동일한 매질을 통과하더라도 빛의 파장에 따라 감쇠되는 양상의 차이가 난다는 것이다. 이러한 관계에 근거하여 만일 서로 다른 매질인 기름과 물에 대해서 차이가 큰 감쇠 양상을 갖는 광원을 이용할 경우 물과 기름의 존재를 구분할 수 있으며, 빛이 통과하는 길이에 따라 감쇠의 변화 정도가 큰 광원을 선택할 경우, 기름의 두께를 통과한 빛의 세기를 측정함으로써 두께를 추정할 수 있다는 것이다.

위와 제시한 탐지원리를 센서로 구현하기 위해서, 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 수표면 아래 부분에 레이저 광원을 위치시키고 해수와 기름층을 통과한 빛의 광량을 광전자 센서인 포토다이오드를 통해 측정할 수 있도록 해당 소자를 수표면에 배치하였다. 이러한 탐지장치에서 기름에 대해서 높은 흡수도를 갖고 있으며, 기름층에 따라서 흡수되는 양상이 선형적인 특징을 갖고 있는 파장대역의 레이저를 사용할 경우, 기름의 두께가 증감됨에 따라서, 포토다이오드에 입사되는 빛의 세기가 점차적으로 감소될 것이다. 따라서 기름의 두께에 따라 달라지는 포토다이오드의 출력신호를 측정함으로써, 해수 위에 존재하는 기름의 두께 정보를 측정할 수 있다.

Fig. 1. 
Schematics to describe a sensing mechanism.

해수와 물에 대해서 흡수되는 광도의 차이가 크며, 기름층의 두께가 증가함에 따라서 흡수되는 정도가 선형적으로 변화하는 파장대역의 레이저를 실험적으로 도출하기 위해서, 본 실험에서는 Fig. 2에서 제시한 것과 같이, 파장이 다른 세 가지의 레이저 광원을 이용하여, 각각의 광원에 대해서 기름의 두께를 증가하면서 투과된 레이저 빛의 세기를 포토다이오드를 통해서 측정하는 방법으로 실험을 진행하였다. 본 실험에 사용한 레이저 광원으로는 가시광선 대역의 레이저 중 대표적인 세 가지 파장대역인 파란색, 녹색, 빨간색 대역을 갖는 레이저를 선택하였고, 이들 레이저가 갖는 주 파장은 청색 레이저 473 nm, 녹색 레이저 532 nm, 적색 레이저 650 nm 이다. 레이저 광원의 빛에 대한 흡광 광도만을 포토다이오드로 측정하기 위해서, 본 실험은 자연광과 인공광과 같은 외부로 부터 입사되는 빛의 영향을 배제하기 위해서 암실에서 진행되었다. 물은 해수를 사용하였으며, 기름은 두 종류인 윤활유와 벙커 C유(type A)를 선택하였다. 본 실험에서 사용된 두 기름은 해상에서 선박 사고로 인해서 유출될 가능성이 크며, 유출될 경우 해양 환경에 미치는 영향이 큰 종류이다. 기름의 종류에 따라 빛의 세기 측정에는 두 종류의 포토다이오드가 사용되었다.

Fig. 2. 
Experimental setup for select a laser as an optimal wavelength light source for oil spill detection.

Fig. 3. 
Optical sensor used in the bunker C oil measurement.

Fig. 4. 
Optical sensor used in the lubricating oil measurement.

벙커 C유를 대상으로 한 실험에 사용된 광센서는 2×2 포토다이오드 어레이(Fig. 3)로 4개의 포토다이오드를 이용하여 감광면적을 넓히기 위한 목적으로 본 실험을 위해서 제작되었다. 벙커 C유를 통과한 빛은 투명한 종류의 기름을 통과한 빛에 비해 빛이 회절되는 정도가 크다. 따라서 본 연구에서는 투과한 빛의 회절성질을 고려하여 광센서의 감광면적을 넓히고자 하였다. 해당 센서는 빛의 세기에 비례하여 전압을 0.8 V에서 5.0 V 범위까지 출력으로 내보내며, 작동을 위한 공급전압은 5.0 V 이다. 해당 실험은 레이저 광원을 켠 상태에서 1) 물만 존재할 경우, 2) 물위에 기름이 0.5 mm 존재할 경우, 3) 물위에 기름이 1 mm 존재할 경우, 4) 물위에 기름이 1.5 mm 존재할 경우, 5) 물위에 기름이 2.0 mm 존재할 경우로 구분하여, 각각의 경우에 대해서 투과된 빛의 세기를 2×2 포토다이오드 어레이 센서를 통해 측정하였다. 광원과 물의 상층부(물-기름 분리층)와의 거리는 5 cm를 유지하였고, 동일한 조건에서 총 5번을 측정하여 그 결과를 기록하였다.

두 번째 실험인 윤활유를 대상으로 한 실험에서는 단일 소자로 구성된 광기전성 포토다이오드(Fig. 4)를 이용하여 액체를 투과한 빛의 세기를 측정하였다. 윤활유는 벙커 C유에 비해 기름 층의 두께가 두꺼워짐에 따라 감쇠되는 빛의 세기 변화량이 작다. 따라서 벙커 C유 측정 실험에서 사용한 광센서를 이용할 경우 분해능에 한계가 있어 빛의 세기 변화량을 측정할 수 없다. 따라서 본 실험에서는 고분해능을 갖고 있는 광센서인 광기전서 포토다이오드를 선택하였다. 해당 센서는 공급전압이 없는 조건에서 구동하며, 전류형태의 출력을 내보낸다. 실험에서의 기름 두께의 증분은 1 mm로 하여, 0 mm부터 4 mm 두께까지 총 5가지의 샘플에 대해서 5번 측정하여 그 결과를 기록하였다. 실험은 첫 번째 실험과 동일한 조건인 암실에서 진행되었으며, 물의 상층부와 광원과의 거리는 5 cm, 물의 상층부와 광센서와의 거리는 5 cm로 설정하였다.

벙커 C유의 두께 변화량에 따라 서로 다른 파장을 갖는 세 개의 레이저 광원의 투과된 광량 측정 실험 결과는 Fig. 5, 6, 7과 같다. 세 개의 레이저 광원의 경우, 모두 해수만 존재할 경우 투과된 빛의 광량과 기름이 0.5 mm 두께로 존재할 경우 투과된 빛의 광량의 차이가 큰 것으로 나타났다. 하지만 녹색 레이저와 적색 레이저를 이용한 실험에서는 기름층의 두께가 증가함에 따라 감쇠되는 정도의 차이가 크지 않고 관계가 선형적이지 않으므로 빛의 세기를 이용하여 기름의 두께를 측정할 수는 없었다. 그러나 이들 두 광원과는 다르게, 청색 레이제의 경우, 기름의 두께가 점차적으로 증가함에 따라 투과된 빛의 세기가 점차적이며 선형적으로 감소되는 경향을 보였다. 따라서 벙커 C유의 경우, 청색 레이저를 이용하여 투과된 빛의 세기를 측정함으로써 기름의 존재 뿐 만 아니라 기름의 두께도 측정할 수 있다고 판단된다.

Fig. 5. 
Sensor output results using a blue laser in bunker C oil.

Fig. 6. 
Sensor output results using a green laser in bunker C oil.

Fig. 7. 
Sensor output results using a red laser in bunker C oil.

두 번째 실험인 윤활유를 이용하여 두께가 변함에 따라 세 개의 레이저 광원의 투과된 광량 측정 실험 결과는 Fig. 8, 9, 10과 같다. 해당 실험 결과는 벙커 C유를 이용한 실험 결과와 다르게 녹색 레이저와 적색 레이저의 실험에서는 모든 구간에서 투과된 빛의 세기가 차이가 없는 것으로 나타났다. 하지만 청색 레이저의 경우, 첫 번째 실험결과와 동일하게 기름의 두께가 점차적으로 증가함에 따라 투과된 빛의 세기가 점차적이며 선형적으로 감소되는 경향을 보였다. 따라서 윤활유의 경우에도 청색 레이저를 이용하여 투과된 빛의 세기를 측정함으로써 기름의 존재 뿐 만 아니라 기름의 두께도 측정할 수 있다고 판단된다.

따라서 본 연구에서 수행한 실험을 통해서 473 nm 파장대역을 갖는 청색 레이저를 이용하면 기름의 두께에 따라 선형적으로 변하는 빛의 흡수도 차이를 이용하여, 기름의 존재 여부와 기름의 두께 측정할 수 있다.

Fig. 8. 
Sensor output results using a blue laser in lubricating oil.

Fig. 9. 
Sensor output results using a green laser in lubricating oil.

Fig. 10. 
Sensor output results using a red laser in lubricating oil.