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초록
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본 연구에서는 단일 파장의 빛이 기름과 해수로 구성된 혼합물을 투과하는 과정에서 굴절과 산란으로 인해 감쇠되는 빛의 세기를 평가하는 방법을 통해, 물위에 존재하는 기름의 두께를 측정할 수 있는 새로운 광학적 기름 탐지 방법론을 제시한다. 단일 파장의 광원으로 직진성이 좋고 단색광의 빛을 발산할 수 있는 레이저를 이용하였으며, 기름-물 혼합물을 투과한 빛의 세기를 정량적으로 측정하기 위해서 광 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 광전자소자인 포토다이오드를 선택하였다. 기름의 두께가 증가함에 따라서 투과된 빛의 크기가 점차적으로 감쇠되는 성질을 가진 광원의 파장 대역을 실험적으로 도출하기 위해서, 3개의 서로 다른 파장대역을 갖는 레이저를 이용하여 기름의 두께별로 투과된 광량을 측정하여 감쇠되는 경향을 비교하는 실험을 진행하였다. 해당 실험을 통해서 470 nm 파장을 갖는 청색 레이저를 이용하였을 경우, 기름의 두께가 증가함에 따라 투과된 광량의 세기가 점차적으로 감쇠되는 현상을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 수행한 실험 결과를 통해서 레이저 광원에 대한 기름의 흡광 광도를 분석하는 방법으로 해수위에 존재하는 기름의 두께를 정량적으로 측정할 수 있는 가능성을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this research, a novel optical measuring methodology for the measurement of oil thickness in seawater is suggested by evaluating the light absorption which is occurred in the process of penetrating through oil layer on seawater. Laser having monochromatic wave is used as a light source and photod...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 기존에 제안된 유출유 탐지 방법의 한계점들을 극복하기 위해서, 반복적 탐지가 가능하고, 저전력으로 구동되며 저가의 탐지 부품들로 구성된 유출유 탐지 방법을 제안하였다. 반복적 탐지를 위해서 탐지 대상물인 기름과는 비접촉되는 형태로 센서를 구성하였으며, 저전력으로 구동되는 광전자소자인 레이저 광원과 포토다이오드 센서를 주요 탐지 부품으로 선정하였다.
  • 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.
  • 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 외부로부터 입사되는 빛의 영향을 배제하기 위해서 암실에서 진행되었다. 물은 해수를 사용하였으며, 기름은 두 종류인 윤활유와 벙커 C유(type A)를 선택하였다.
  • 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.
  • 본 연구에서는 해양에 유출된 기름의 두께를 측정하기 위한 탐지센서를 개발하기 위해서, 기름의 두께에 따라 변하는 특정 파장대역의 빛의 흡수도의 차이를 측정원리로 한 탐지방법을 제안하였다. 기름의 두께 증가에 따라 흡광도가 점차적이고 선형적으로 변화하는 광원을 실험적으로 도출하기 위해 세 개의 다른 파장대역을 갖는 레이저 광원을 이용하여 기름의 두께 변화에 따른 흡광도를 두 종류의 기름에 대해서 각각 측정하였고 이를 평가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
본 연구에서 기름의 두께 측정을 위해서 도입한 방법은 무엇인가? 본 연구에서 기름의 두께 측정을 위해서 도입한 방법은 성분이 다 른 매질은 동일한 파장을 갖는 빛에 대해 서로 다른 흡수도를 갖으 며, 동일한 매질에서라도 빛이 매질을 통과하는 길이에 따라서도 흡 수되는 정도에 차이가 있다는 것이다.
기름의 두께에 따라 달라지는 포토다이오드의 출력신호를 측정함으로써, 해수 위에 존재하는 기름의 두께 정보를 측정할 수 있는 이유는 무엇인가? 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.
기름의 탐지방법에 있어 다수 개의 부품으로 구성된 센서의 단점은 무엇인가? 이러한 탐지방법을 기반으로 한 센서들은 기름의 농도와 성분을 분석할 수 있는 장점을 갖고 있으나, 탐지센서 내부에 장착되는 고가의 부품들(자외선 소스, 주파수 발생기, 스펙트럼 분석기 등)이 필요하므로 전체 센서의 단가가 높아지는 경제적 한계점을 갖고 있어 유실 가능성이 높은 해양 환경에 여러 곳에 설치하기에는 적합하지 않다. 또한 기름의 탐지방법에 있어 다수 개의 부품으로 구성된 센서의 경우, 해당 시스템을 구동하기 위해 필요한 전력 요구량이 크므로, 유선의 전력 공급원이 존재하지 않는 해양 환경에 단독적으로 운용되는 센서 플랫폼의 형태로 기름 탐지 센서를 구현하기에는 어려운 측면이 많다. 이러한 센서들이 갖고 있는 경제적 한계점을 극복하고자, 폴리머 물질이 기름과 접촉하였을 경우 발생하는 물리적인 변화량을 탐지원리로 하는 유출유 탐지 센서에 대한 연구 결과가 발표되었으나(MacLean[2003], Oh[2011]), 이러한 접촉식 방법의 경우, 반복적 탐지 성능 부분에 문제가 있고, 기름의 종류와 두께 등 상세한 정보를 탐지할 수 없어 실제 해양 환경에 적용하기에는 부분적인 한계점을 갖고 있다.
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참고문헌 (9)

  1. A. MacLean, C. Moran, W. Johnstone, B. Culshaw, D. Marsh, P. Parker, 2003, "Detection of hydrocarbon fuel spills using a distributed fibre optic sensor", Sensors and Actuators A, vol. 109, 60-67. 

  2. C. Henry, P.O. Roberts, 2001, "Background fluorescence values and matrix effects observed using smart protocols in the Atlantic ocean and Gulf of Mexico", International Oil Spill Conference, Florida, 1203-1207. 

  3. E. Friedman, J. Miller, 2003, Photonics Rules of Thumb, 1st ed., SPIE Press, McGraw Hill, 220-240. 

  4. G. Griffiths, 2005, "Review of oceanographic equipment and sensors for the detection and measurement of pollutants", Southhampton Oceanography Center Research and Consultancy Report, No. 99, 1-24. 

  5. G. Reeves, 2000, "Introduction to hydrocarbons and monitoring", Arjay Engineering Ltd., Common HydroSense Questions and General Information Guide, 2-8. 

  6. H. Denkilkian, R. Ohannessian, M. Joujou, A. Chehab, I. Elhajj, 2009, "Wireless Sensor for Continuous Real-Time Oil Spill Thickness and Location Measurement", IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, Vol. 58, No. 12, 4001-4011. 

  7. J. Andrews, 1997, "Automated marine oil spill detection system development update", Marine Environmental Update, 97(1), US Navy SPARWAR Systems Centre. 

  8. Oh, S., Lee, M., Choi, H., 2011, "Development of Hydrocarbon Oil Detection Sensor using the Swelling Property of Silicone Rubber", Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, Vol. 14, No. 4, 280-286. 

  9. Oh, S., Lee, M. 2012, "Oil Spill Detection Mechanism using Single-wavelength LED and CCD", Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, Vol. 15, No. 4, 323-329. 

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