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문제 정의
- 이러한 방법을 사용하는 기존의 Open path FT- IR(본체)과 광원을 원거리에서 정렬하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라 정량 분석을 하는 데 거리별 보정 방법에 있어 많은 오차로 현재에는 주로 정성적인 방법을 많이 사용하고 있으며, 정량적인 측정은 가능하지만 오차가 커 실용적인 접근이 어려웠다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결 하고 정밀도와 정확도를 높여서 현장에 적용이 용이하도록 Open path FT-IR spectrometer에 align 전용 모듈을 같이 부착한 후 다변량 보정 방법을 통한 오차율을 최소화 하는 분석을 시도하였다.
- 몇 가지 중규모의 화재실험을 통해 분석재현성을 확보하여 실제 주택화재에서 발생하는 가스에 대하여 실시간 검출을 분석하였다. 이번 실험을 통하여 대공간에서 별도의 가스시료의 샘플링없이 분석할 수 있는 분석을 시도하여 분석 가능성을 검증하였다.
제안 방법
- 이 계산된 가중치를 사용하여 보정한다. 20meter 검량식에 30, 40, 50meter를 측정한 후 그 결과 값에서 거리와 30, 40, 50meter의 air reference의 세기 그리고 습도 등을 변수로 지정한 뒤 보정한다. 몇 가지 변량을 변수로 연산하여 최종 정량 분석값으로 출력한다.
- 약 66m2 규모의 단독주택의 1층에 화재를 일으켰으며 실내에는 가구, 소파, 주방기구, 냉장고, 침대 등으로 일상적으로 사용되는 물품으로 구성되었다. Fig. 9와 같이 실제 주택 화재로부터 발생되는 가스에 대하여 개방형 적외선 분광분서기를 사용하여 원거리 분석을 시도하였다.
- 7은 분석하고자 하는 가스에 대한 교정작업모습으로 독성가스의 특성상 산소통과 방호장비를 착용하여 실험을 진행하였다. 각 가스 중에서 CO는 2108에서 2175 cm-1까지 파장을 선택 한 후 농도를 각각 100, 1,000, 1,450ppm으로 하여 정량 분석하였다. CO는 상관 계수가 0.
- 각각 농도를 가진 가스들(CO, CO2, NO, NO2, HCN, HCl, HBr, HF)에 대한 흡수 광 정보를 확보한 후, 이 흡수광을 가지고 농도와 상관 계수를 확인하였다. Fig.
- 개방형 적외선분광분석기를 사용하여 실제 화재에서 발생되는 가스의 원거리 검출을 시도하기 위하여 인천 가정동의 재개발 지구의 주택을 대상으로 실물화재실험을 수행하였다. 인천 가정동 일대는 재개발을 위해 주민이 모두 이주한 상태이며, 인천소방안전본부와 함께 진행하였다.
- 예를 들면, Open path FT- IR spectrometer에서 기준이 되는 거리(20meter)에서 정량 분석을 위해 표준가스(농도를 알고 있는 독성가스)들에 대해서 측정한다. 그리고 각 표준가스에 대한 검량선을 작성한 후 30, 40, 50meter의 거리에 따른 보정식을 적용하는데 보정 식을 다변량 방법을 사용한다. 다변량 분석법은 보정식을 적용할 때 하나의 변수, 즉 거리에 따른 Reference 세기 변화만 확인하는 것이 아니라 이 reference 세기이외에 대기 중 FT-IR spectrometer에 영향을 주는 CO2 와 H2O(습도)에 대한 부분도 변수로 지정하여 보정 처리하는 방법이다.
- 이를 위하여 FT- IR spectrometer에 고출력 헬륨 레이저와 레이저 파워공급장치를 설치한 alignment 장치를 구성하여 보다 정확하게 두 장비를 일치하도록 하는 측정 장치를 개발하였으며, 또한 거리에 따른 정량 방법에 있어 거리 인자인 일변량 보정 방법이 아닌 거리와 air reference 그리고 습도 등에 따른 다 변량 보정 방법을 채택하여 원거리에 따른 편차를 최소화 하는 보정방법을 개발하였다. 그리고 이러한 보정 방법과 같이, 각 가스 정량 분석을 위한 Open path 전용 Flow cell을 개발하여 정량 분석할 수 있도록 교정에 사용하였다. Fig.
- 그러나 개방형 적외선분석기의 경우 경로에 노출되는 대공간이 가스셀 역할을 하기 때문에 표준가스를 사용한 검량작업을 대공간을 사용할 수 없는 한계를 가진다. 따라서 검출기 전단에 검량을 위해 제작된 가스 셀을 설치하여 검량작업을 하였다. 제작된 가스셀은 가스 정량 분석을 위하여 전면과 후면에는 적외선 통과형 Window로 구성되는데, 이 Window 재질은 적외선을 노이즈없이 통과시킬 수 있는 ZnSe재질로 구성하였으며, 몸체는 알루미늄 재질을 구성하였다.
- 본 연구에서는 개방형 적외선분석기를 이용하여 대공간에서 발생되는 가스를 검출하기 위하여 레이져 정렬방법을 사용하고, 검량용 가스셀을 만들어 다변량보정법을 구축하였다. 몇 가지 중규모의 화재실험을 통해 분석재현성을 확보하여 실제 주택화재에서 발생하는 가스에 대하여 실시간 검출을 분석하였다. 이번 실험을 통하여 대공간에서 별도의 가스시료의 샘플링없이 분석할 수 있는 분석을 시도하여 분석 가능성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 개방형 적외선분석기를 이용하여 대공간에서 발생되는 가스를 검출하기 위하여 레이져 정렬방법을 사용하고, 검량용 가스셀을 만들어 다변량보정법을 구축하였다. 몇 가지 중규모의 화재실험을 통해 분석재현성을 확보하여 실제 주택화재에서 발생하는 가스에 대하여 실시간 검출을 분석하였다.
- 2m 이격되어 정렬하였으며, 주택까지의 거리는 약15m 거리에서 측정되었다. 실물 주택화재실험이 진행되는 약 20분 동안 10초 간격으로 스펙트럼을 수집하여 측정하였다. 측정을 통해 실험시간 동안 연속적인 분석이 수행되었으며 일산화탄소, 이산화탄소 및 염화수소가스가 측정되었다.
- 따라서 원거리 유해 가스 분석에 있어 FTIR spectrometer와 대구경 IR 램프와의 정확하게 정렬(alignment)하는 것이 중요하다. 이를 위하여 FT- IR spectrometer에 고출력 헬륨 레이저와 레이저 파워공급장치를 설치한 alignment 장치를 구성하여 보다 정확하게 두 장비를 일치하도록 하는 측정 장치를 개발하였으며, 또한 거리에 따른 정량 방법에 있어 거리 인자인 일변량 보정 방법이 아닌 거리와 air reference 그리고 습도 등에 따른 다 변량 보정 방법을 채택하여 원거리에 따른 편차를 최소화 하는 보정방법을 개발하였다. 그리고 이러한 보정 방법과 같이, 각 가스 정량 분석을 위한 Open path 전용 Flow cell을 개발하여 정량 분석할 수 있도록 교정에 사용하였다.
- 적외선 램프로 대구경 IR 램프를 사용하였다. 일반 IR 램프에서 대구경 렌즈를 사용하여 렌즈를 통해서 원거리까지 적외선 광원에 주사할 수 있도록 구성되었으며 정량 분석을 위하여 적외선 통과형 window을 가진 원통형 Flow cell도 제작하였다.
- 실물 주택화재실험이 진행되는 약 20분 동안 10초 간격으로 스펙트럼을 수집하여 측정하였다. 측정을 통해 실험시간 동안 연속적인 분석이 수행되었으며 일산화탄소, 이산화탄소 및 염화수소가스가 측정되었다.
- 측정의 규모가 커질경우 대기오염물질 모니터링 등의 목적으로 개방형적외선분광분석기(Open Path FT-IR) 분석 장비가 사용하고 있는데, 주로 기존 정렬 방식은 검출기가 있는 FT-IR 본체와 IR lamp에 망원경을 사용하여 단순하게 중심 위치만 확인 방법과 육안으로 확인하는 방법을 사용하였다. 이러한 방법을 사용하는 기존의 Open path FT- IR(본체)과 광원을 원거리에서 정렬하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라 정량 분석을 하는 데 거리별 보정 방법에 있어 많은 오차로 현재에는 주로 정성적인 방법을 많이 사용하고 있으며, 정량적인 측정은 가능하지만 오차가 커 실용적인 접근이 어려웠다.
대상 데이터
- 본 연구에서 Fig. 2와 같이 개방형 푸리에 변환 적외선 분광 분석 장치를 사용하였다. 개방 경로형 퓨리에 변환 적외선 분광 분석 장치(AM system, MIDAC, USA)는 정밀도와 재현성이 높은 푸리에 변환 간섭계와 개방 경로에 측정할 수 있는 대구경 측정렌즈(Material: ZnSe lens)로 구성되어 있으며, 적외선 광원은 원거리 측정이 가능하도록 적외선 램프와 집속반사경으로 적외선에 전달을 위하여 표면에는 금으로 전체반사경이 코팅되었다.
- 5cm-1이다. 적외선 램프로 대구경 IR 램프를 사용하였다. 일반 IR 램프에서 대구경 렌즈를 사용하여 렌즈를 통해서 원거리까지 적외선 광원에 주사할 수 있도록 구성되었으며 정량 분석을 위하여 적외선 통과형 window을 가진 원통형 Flow cell도 제작하였다.
- 따라서 검출기 전단에 검량을 위해 제작된 가스 셀을 설치하여 검량작업을 하였다. 제작된 가스셀은 가스 정량 분석을 위하여 전면과 후면에는 적외선 통과형 Window로 구성되는데, 이 Window 재질은 적외선을 노이즈없이 통과시킬 수 있는 ZnSe재질로 구성하였으며, 몸체는 알루미늄 재질을 구성하였다. 그리고 입 출력 포트가 있어 이 입 출력 포트를 통해서 가스가 주입되고 가스가 배출될 수 있도록 하였다.
성능/효과
- 각 가스 중에서 CO는 2108에서 2175 cm-1까지 파장을 선택 한 후 농도를 각각 100, 1,000, 1,450ppm으로 하여 정량 분석하였다. CO는 상관 계수가 0.9, HF는 0.99, CO2는 0.97로써 이 조립 단면도로 높은 상관 계수를 확인할 수 있었다. 이후 NO2는 1560에서 1654 cm-1 그리고 HF는 3984에서 4726 cm-1의 영역을 선택하여 정량 분석을 실시하였으며 검량선 결과는 Fig.
- 실험시작에서 실험 종료시까지 연속하여 측정하였으며, 최전성기 화재에서 최고 1200ppm의 염화수소가 검출되었다. 가연물 중 고분자화합물에서 발생된 것으로 추측할 수 있으며 연속적으로 발생된 염화수소가스는 매우 강한 자극성 가스로서 재실자의 피난에 치명적인 영향을 주며, 누적하여 계산하면 %농도에 달하는 매우 많은 양이 검출되었다.
- 12는 적외선 2700cm-1에서 3100cm-1에서 발생된 스펙트럼의 모습과 본 연구를 통해 구축된 정량 method를 적용하여 정량한 염화수소 농도를 나타낸다. 실험시작에서 실험 종료시까지 연속하여 측정하였으며, 최전성기 화재에서 최고 1200ppm의 염화수소가 검출되었다. 가연물 중 고분자화합물에서 발생된 것으로 추측할 수 있으며 연속적으로 발생된 염화수소가스는 매우 강한 자극성 가스로서 재실자의 피난에 치명적인 영향을 주며, 누적하여 계산하면 %농도에 달하는 매우 많은 양이 검출되었다.
- 11은 적외선 2000cm-1에서 2300cm-1에서 발생된 스펙트럼의 모습과 본 연구를 통해 구축된 정량 method를 적용하여 정량한 일산화탄소 농도를 나타낸다. 실험시작에서 실험 종료시까지 연속하여 측정하였으며, 최전성기 화재에서 최고 6500ppm의 일산화탄소가 검출되었다.
- 13은 적외선 2300cm-1에서 2400cm-1에서 발생된 스펙트럼의 모습과 본 연구를 통해 구축된 정량method를 적용하여 정량한 이산화탄소 농도를 나타낸다. 실험시작에서 실험 종료시까지 연속하여 측정하였으며, 최전성기 화재에서 최고 8000ppm의 일산화탄소가 검출되었다.
후속연구
- 향후 다양한 현장 적용이 가능할 것으로 보이며, 정량method의 추가 연구를 통해 화재발생가스외에 휘발성유기물질 등 다양한 화학종의 검출이 가능할 것으로 기대하며 후속연구를 수행하고자 한다.
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