염수환경에서의 구리 농도 평가를 위한 Time Domain Reflectometry 프로브 개발 Development of Time Domain Reflectometry Probe for Evaluation of Copper Concentration in Saline Environment원문보기
전자기파는 주변 매질의 전기전도도와 유전율에 민감한 영향을 받기 때문에 지반의 특성을 평가하는데 널리 이용되고 있다. 본 연구에서는 염수환경에서도 다양한 농도의 중금속을 검측하기 위하여 시간영역반사법을 이용한 전자기파 측정 프로브를 제작하였다. 중금속으로는 구리를 사용하였으며, 실내 실험을 통해 구리 농도에 따라 적용 가능한 프로브를 선정하였다. 실내 실험에서는 염도 3%의 염수에 용해된 구리의 농도가 0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 5, 그리고 10mg/L가 되도록 8단계로 용액을 조성하였다. 프로브는 염수에서도 전자기파를 측정할 수 있도록 5가지의 각기 다른 절연재로 코팅하여 비교하였다. 코팅재로는 에폭시, 탑코트, 바니쉬, 아크릴페인트, 히팅튜브를 사용하였으며 코팅재에 따른 전자기파의 신호 특성을 분석하였다. 실험 결과, 아크릴페인트와 히팅튜브로 코팅된 프로브는 구리 농도에 따른 신호 변화가 관측되지 않았으며, 에폭시, 탑코트, 바니쉬의 경우 구리 농도가 증가함에 따라 반사된 전자기파의 전압의 크기가 감소하는 것으로 나타났다. 에폭시로 1회 코팅한 프로브와 탑코트로 코팅한 프로브는 구리의 농도가 5mg/L 이하일 때 민감한 반응을 보였으나 에폭시로 2회 코팅한 경우, 구리의 농도가 5mg/L보다 클 때 더 민감하게 반응하였다. 본 연구의 결과는 절연재로 코팅된 시간영역반사법을 이용한 전자기파 측정 프로브가 염수에 녹아있는 중금속의 농도를 평가하는데 활용될 수 있음을 보여준다.
전자기파는 주변 매질의 전기전도도와 유전율에 민감한 영향을 받기 때문에 지반의 특성을 평가하는데 널리 이용되고 있다. 본 연구에서는 염수환경에서도 다양한 농도의 중금속을 검측하기 위하여 시간영역반사법을 이용한 전자기파 측정 프로브를 제작하였다. 중금속으로는 구리를 사용하였으며, 실내 실험을 통해 구리 농도에 따라 적용 가능한 프로브를 선정하였다. 실내 실험에서는 염도 3%의 염수에 용해된 구리의 농도가 0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 5, 그리고 10mg/L가 되도록 8단계로 용액을 조성하였다. 프로브는 염수에서도 전자기파를 측정할 수 있도록 5가지의 각기 다른 절연재로 코팅하여 비교하였다. 코팅재로는 에폭시, 탑코트, 바니쉬, 아크릴페인트, 히팅튜브를 사용하였으며 코팅재에 따른 전자기파의 신호 특성을 분석하였다. 실험 결과, 아크릴페인트와 히팅튜브로 코팅된 프로브는 구리 농도에 따른 신호 변화가 관측되지 않았으며, 에폭시, 탑코트, 바니쉬의 경우 구리 농도가 증가함에 따라 반사된 전자기파의 전압의 크기가 감소하는 것으로 나타났다. 에폭시로 1회 코팅한 프로브와 탑코트로 코팅한 프로브는 구리의 농도가 5mg/L 이하일 때 민감한 반응을 보였으나 에폭시로 2회 코팅한 경우, 구리의 농도가 5mg/L보다 클 때 더 민감하게 반응하였다. 본 연구의 결과는 절연재로 코팅된 시간영역반사법을 이용한 전자기파 측정 프로브가 염수에 녹아있는 중금속의 농도를 평가하는데 활용될 수 있음을 보여준다.
As electromagnetic waves are affected by electrical conductivity or permittivity, they are widely used to evaluate geotechnical characteristics. In this study, a probe for measuring electromagnetic waves using a time domain reflectometry is manufactured to evaluate heavy metal concentration in salin...
As electromagnetic waves are affected by electrical conductivity or permittivity, they are widely used to evaluate geotechnical characteristics. In this study, a probe for measuring electromagnetic waves using a time domain reflectometry is manufactured to evaluate heavy metal concentration in saline water. In the experiments, a copper is used as a heavy metal, and a probe is demonstrated with the concentration of copper. Solutions were set for 8 different copper concentration (0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 5, 10 mg/L) in saline water with 3% salinity. The probe is coated by electrical insulating materials such as epoxy, top-coat, varnish, acrylic paint, heat-shrinkage tube to measure electromagnetic waves in saline water. The measured signals are compared according to coating material. As results, for probes coated with acrylic paint and heat-shrinkage tube, signal variation is not detected. For epoxy, top-coat, and varnish coated probes, the voltage decreases with an increase of copper concentration. Probes coated by epoxy at once and top coat can estimate under 5 mg/L of copper concentration and the probe coated by epoxy twice can estimate over 5 mg/L of copper concentration. This study shows that the probe using the time domain reflectometry can be used to evaluate the concentration of heavy metal in saline water by coating the probe with insulating material.
As electromagnetic waves are affected by electrical conductivity or permittivity, they are widely used to evaluate geotechnical characteristics. In this study, a probe for measuring electromagnetic waves using a time domain reflectometry is manufactured to evaluate heavy metal concentration in saline water. In the experiments, a copper is used as a heavy metal, and a probe is demonstrated with the concentration of copper. Solutions were set for 8 different copper concentration (0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 5, 10 mg/L) in saline water with 3% salinity. The probe is coated by electrical insulating materials such as epoxy, top-coat, varnish, acrylic paint, heat-shrinkage tube to measure electromagnetic waves in saline water. The measured signals are compared according to coating material. As results, for probes coated with acrylic paint and heat-shrinkage tube, signal variation is not detected. For epoxy, top-coat, and varnish coated probes, the voltage decreases with an increase of copper concentration. Probes coated by epoxy at once and top coat can estimate under 5 mg/L of copper concentration and the probe coated by epoxy twice can estimate over 5 mg/L of copper concentration. This study shows that the probe using the time domain reflectometry can be used to evaluate the concentration of heavy metal in saline water by coating the probe with insulating material.
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문제 정의
본 논문에서는 염수환경에서 다양한 농도의 중금속을 검측하기 위해 3개의 전극봉으로 구성된 TDR 프로브를 제작하였다. 전극봉은 길이 100mm, 직경 2mm의 스테인레스 강봉으로 제작되었다.
본 논문에서는 해양 환경에서도 다양한 농도의 중금속 오염을 즉각적으로 평가할 수 있는 방법을 개발하기 위하여 다양한 종류의 전기 절연재로 코팅한 TDR 프로브를 제작하였다. 프로브는 다섯 가지 종류의 절연재로 코팅하여 제작되었으며, 코팅재의 종류별로 중금속이 녹아있는 염수에서의 오염물 검측실험을 수행하였다.
1mg/L 이하 정도로 기준치가 상당히 미량의 값으로 적용되고 있다. 본 연구에서는 염수 조건에서 미량의 농도를 포함한 다양한 농도의 중금속을 검측할 수 있는 시간 영역반사법(TDR: Time Domain Reflectometry)을 이용한 전자기파 측정 프로브(이하 TDR 프로브)를 개발하고자 한다.
중금속으로는 구리를 사용하였다. 연구결과를 바탕으로 TDR 프로브가 염수 조건에서 프로브의 코팅재에 따라 다양한 중금속 농도를 검측하는 기법으로 활용될 수 있음을 보이고자 하였다. 본 논문은 전송선(transmission line)과 시간영역반사법(time domain reflectometry)에 관한 이론적 배경, 실험의 구성, 실험 결과, 결과 분석, 그리고 요약 및 결론으로 구성된다.
제안 방법
전극은 총 3개로 길이 100mm, 직경 2mm인 스테인리스 강봉을 사용하였다. 각 전극은 케이블의 내･외부케이블과 연결되며, 내부케이블과 연결되는 가운데 전극은 신호경로(signal path)로 사용하고 외부케이블은 두 가닥으로 나누어 남은 두 전극에 연결하여 귀환경로(return path)로 사용하였다. 연결된 전극봉들의 간격은 직경과 비교하였을 때 10배 이상의 간격을 가져야 하므로(Knight, 1992; Noborio, 2001), 직경(2mm)의 10배인 20mm로 결정하였다.
연구결과를 바탕으로 TDR 프로브가 염수 조건에서 프로브의 코팅재에 따라 다양한 중금속 농도를 검측하는 기법으로 활용될 수 있음을 보이고자 하였다. 본 논문은 전송선(transmission line)과 시간영역반사법(time domain reflectometry)에 관한 이론적 배경, 실험의 구성, 실험 결과, 결과 분석, 그리고 요약 및 결론으로 구성된다.
3과 같이 TDR 프로브를 제작하였다. 본 연구에서는 time domain reflectometer로부터 발생된 신호와 프로브에 전송되는 신호를 50Ω의 특성 임피던스를 가지는 동축 케이블(RG58C/U)을 이용하여 전송한다. 따라서, 동축 케이블과 프로브 사이에 발생하는 전기장의 적절한 전환을 위하여 프로브는 3개의 전극(또는 전극봉)으로 구성된 전송선로로 제작되었다(Spaans & Baker, 1993).
, 2004). 본 연구에서는 코팅재로 5가지 재료(에폭시, 탑코트, 바니쉬, 아크릴페인트, 히팅튜브)를 선정하였으며 히팅튜브를 제외한 4가지 재료들은 Fig. 4와 같이 원통형 튜브를 이용해 코팅을 진행하였다. 원통형 튜브에 전극을 하나씩 담갔다 뺀 뒤 자연건조하는 방법을 이용하였으며, 건조 시 코팅 두께는 0.
시간영역반사법을 이용하여 염수에 녹아 있는 구리의 농도에 따른 전자기파의 전파 특성을 평가하기 위해 Fig. 3과 같이 TDR 프로브를 제작하였다. 본 연구에서는 time domain reflectometer로부터 발생된 신호와 프로브에 전송되는 신호를 50Ω의 특성 임피던스를 가지는 동축 케이블(RG58C/U)을 이용하여 전송한다.
전자기파 신호를 발생시키고 획득하기 위해 14μs의 펄스폭(pulse width)과 200ps의 상승 시간(rising time)을 지닌 스텝 펄스(step pulse)를 발생시키는 time-domain reflectometer(HL1101, Hyperlabs)를 사용하였다. 신호의 획득 데이터 수는 데이터 중첩을 통한 노이즈 제거를 목표로 하기 때문에 128회의 충분한 횟수로 설정하였다. 실험 용액은 염도 3%인 1L의 염수를 사용하였으며, 용액 온도는 섭씨 19도로 설정하였다.
염수와 중금속은 전도성이 큰 물질이기 때문에 5가지의 절연재(에폭시, 탑코트, 바니쉬, 아크릴페인트, 히팅튜브)를 선정하여 프로브의 전극봉을 코팅하였다. 실내 실험은 염도 3%인 1L의 염수에 구리 농도를 8단계(0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 5, 10mg/L)로 조성한 뒤 time domain reflectometer로 전자기파 신호를 측정함으로써 수행되었다.
각 전극은 케이블의 내･외부케이블과 연결되며, 내부케이블과 연결되는 가운데 전극은 신호경로(signal path)로 사용하고 외부케이블은 두 가닥으로 나누어 남은 두 전극에 연결하여 귀환경로(return path)로 사용하였다. 연결된 전극봉들의 간격은 직경과 비교하였을 때 10배 이상의 간격을 가져야 하므로(Knight, 1992; Noborio, 2001), 직경(2mm)의 10배인 20mm로 결정하였다.
전극봉의 간격은 전극봉 직경의 10배인 20mm가 되도록 배치하였다. 염수와 중금속은 전도성이 큰 물질이기 때문에 5가지의 절연재(에폭시, 탑코트, 바니쉬, 아크릴페인트, 히팅튜브)를 선정하여 프로브의 전극봉을 코팅하였다. 실내 실험은 염도 3%인 1L의 염수에 구리 농도를 8단계(0, 0.
4와 같이 원통형 튜브를 이용해 코팅을 진행하였다. 원통형 튜브에 전극을 하나씩 담갔다 뺀 뒤 자연건조하는 방법을 이용하였으며, 건조 시 코팅 두께는 0.15mm로 측정되었다. 에폭시는 추가로 2회 코팅도 진행하였으며 2회 코팅 시 두께는 0.
전자기파 신호를 발생시키고 획득하기 위해 14μs의 펄스폭(pulse width)과 200ps의 상승 시간(rising time)을 지닌 스텝 펄스(step pulse)를 발생시키는 time-domain reflectometer(HL1101, Hyperlabs)를 사용하였다.
실험 용액은 염도 3%인 1L의 염수를 사용하였으며, 용액 온도는 섭씨 19도로 설정하였다. 측정 오염물은 국내 폐기물 소각장 바닥재의 시료분석에서 최다 검출된 구리를 이용하였으며, 이온화된 상태를 모델링하기 위해 구리 표준 용액의 농도를 0mg/L에서 10mg/L까지 8단계(0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 5, 10mg/L)로 변화시키며 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 해양 환경에서도 다양한 농도의 중금속 오염을 즉각적으로 평가할 수 있는 방법을 개발하기 위하여 다양한 종류의 전기 절연재로 코팅한 TDR 프로브를 제작하였다. 프로브는 다섯 가지 종류의 절연재로 코팅하여 제작되었으며, 코팅재의 종류별로 중금속이 녹아있는 염수에서의 오염물 검측실험을 수행하였다. 중금속으로는 구리를 사용하였다.
대상 데이터
9(b))는 아크릴페인트와는 반대로 반사된 신호의 전압값이 모두 입력 전압값인 +250mV로 나타났다. 본 연구에서 사용한 히팅튜브는 폴리올레핀(polyolefin) 재질로 체적 저항(volume resistance)이 1014Ω･cm이상으로 매우 높다. 그러므로 이유로 염수와 구리로 인한 전류 손실이 거의 발생하지 않아 전압의 감소가 나타나지 않은 것으로 사료된다.
신호의 획득 데이터 수는 데이터 중첩을 통한 노이즈 제거를 목표로 하기 때문에 128회의 충분한 횟수로 설정하였다. 실험 용액은 염도 3%인 1L의 염수를 사용하였으며, 용액 온도는 섭씨 19도로 설정하였다. 측정 오염물은 국내 폐기물 소각장 바닥재의 시료분석에서 최다 검출된 구리를 이용하였으며, 이온화된 상태를 모델링하기 위해 구리 표준 용액의 농도를 0mg/L에서 10mg/L까지 8단계(0, 0.
본 논문에서는 염수환경에서 다양한 농도의 중금속을 검측하기 위해 3개의 전극봉으로 구성된 TDR 프로브를 제작하였다. 전극봉은 길이 100mm, 직경 2mm의 스테인레스 강봉으로 제작되었다. 전극봉의 간격은 전극봉 직경의 10배인 20mm가 되도록 배치하였다.
따라서, 동축 케이블과 프로브 사이에 발생하는 전기장의 적절한 전환을 위하여 프로브는 3개의 전극(또는 전극봉)으로 구성된 전송선로로 제작되었다(Spaans & Baker, 1993). 전극은 총 3개로 길이 100mm, 직경 2mm인 스테인리스 강봉을 사용하였다. 각 전극은 케이블의 내･외부케이블과 연결되며, 내부케이블과 연결되는 가운데 전극은 신호경로(signal path)로 사용하고 외부케이블은 두 가닥으로 나누어 남은 두 전극에 연결하여 귀환경로(return path)로 사용하였다.
프로브는 다섯 가지 종류의 절연재로 코팅하여 제작되었으며, 코팅재의 종류별로 중금속이 녹아있는 염수에서의 오염물 검측실험을 수행하였다. 중금속으로는 구리를 사용하였다. 연구결과를 바탕으로 TDR 프로브가 염수 조건에서 프로브의 코팅재에 따라 다양한 중금속 농도를 검측하는 기법으로 활용될 수 있음을 보이고자 하였다.
성능/효과
아크릴페인트로 코팅한 경우(Fig. 9(a)), 아크릴페인트가 물에 녹아나 신호가 전기적인 쇼트(short circuit) 상태로 나타났다. 이와 같은 이유로 아크릴페인트로 코팅한 프로브의 경우 농도별 신호차이를 관찰할 수 없었다.
Fig. 10(a)와 같이 TDR 프로브로 에폭시, 탑코트, 바니쉬로 코팅한 경우 구리 농도가 증가함에 따라 반사된 신호의 전압값이 감소하는 것으로 나타났다. 구리 농도 1mg/L 이하의 영역을 정확히 판별하기 위해 에폭시, 탑코트, 바니쉬로 코팅한 경우에 대하여 구리 농도에 따른 전압값을 Fig.
TDR 프로브로 측정한 결과, 구리의 농도가 증가할수록 신호의 크기가 감소하였고 이는 유전 특성이 증가하는 경향으로 해석할 수 있다. TDR 프로브로 측정한 신호가 전해질의 농도가 증가할수록 감쇠하는 현상은 여러 문헌들에서도 관찰되었다(Chen et al.
실험결과, 아크릴페인트로 코팅한 프로브는 코팅재가 물에 녹아나며 전류 누설이 발생하여 중금속 검측에 적합하지 않은 것으로 나타났다. 히팅튜브는 전기적 차폐능력이 높아 구리 농도에 따른 신호의 변화가 거의 관찰되지 않았다.
히팅튜브는 전기적 차폐능력이 높아 구리 농도에 따른 신호의 변화가 거의 관찰되지 않았다. 에폭시, 탑코트, 바니쉬의 경우 모두 구리 농도가 증가함에 따라 반사전압값이 점차 감소하는 경향을 보였다. 에폭시로 1회 코팅한 경우는 10mg/L 이하에서, 2회 코팅한 경우는 5mg/L 이상에서 구리 농도의 추정이 가능할 것으로 평가되었으며, 탑코트로 코팅한 경우는 0.
에폭시, 탑코트, 바니쉬의 경우 모두 구리 농도가 증가함에 따라 반사전압값이 점차 감소하는 경향을 보였다. 에폭시로 1회 코팅한 경우는 10mg/L 이하에서, 2회 코팅한 경우는 5mg/L 이상에서 구리 농도의 추정이 가능할 것으로 평가되었으며, 탑코트로 코팅한 경우는 0.1mg/L 이하의 저농도에서도 농도평가가 가능하였다. 바니쉬로 코팅한 경우, 전체 구간에서 전압값을 통한 대략적인 농도추정은 가능하지만 정밀한 농도평가에는 이용되기 어려운 것으로 사료되었다.
6(a)에 나타내었다. 측정 결과, 1mg/L 이하의 구리 농도에서는 구리 농도가 증가함에 따른 전압값의 감소 경향이 일정하지 않게 나타났다. 또한 전압의 변화가 구리 농도 5mg/L까지는 큰 변화를 보이지 않는다.
7(a)에 나타내었다. 측정 결과, 구리 농도가 증가함에 따라 반사된 신호의 전압값이 감소하고 있음을 볼 수 있다. 그러나 구리 농도 0.
5(a)와 같다. 측정된 신호를 보면 구리의 농도가 증가함에 따라 반사된 신호의 전압값이 감소하는 것으로 나타난다. 그러나 구리 농도가 5mg/L일 때까지는 농도가 감소하여도 반사된 신호가 나타났으나 구리의 농도가 10mg/L일 때에는 신호가 완전히 감쇠된 것을 볼 수 있다.
5(a)와 같이 구리 농도 10mg/L에서 신호가 전기적인 쇼트 상태일 때와 비슷하게 나타나므로 10mg/L 이상의 농도는 평가할 수 없을 것으로 사료된다. 탑코트로 코팅한 경우는 0.1m/L 이하의 저농도에서는 전압값이 감소하는 경향을 보이지만,0.1mg/L에서 10mg/L 구간에서는 전압값의 변화가 뚜렷하지 않아 구리 농도 0.5mg/L 이하일 때 적용하기에 적합할 것으로 사료된다. 바니쉬로 코팅한 프로브는 구리 농도가 증가함에 따른 전체적인 전압값의 감소 경향은 나타나나 특정 농도 변화 구간에서는 감소 경향이 일정하지 않아서 정확한 농도 평가에 이용되기에는 적합하지 않은 것으로 사료된다.
후속연구
물질의 유전특성에 영향을 주는 중금속의 성질과, 코팅재에 따른 프로브의 특성을 고려하여 시간영역반사법을 이용한다면 염수환경에서도 다양한 범위의 중금속 농도평가가 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전자기파의 특징은 무엇인가?
전자기파는 주변 매질의 특성에 민감하게 반응하는 전파 특성을 가지고 있다. 이와 같은 이유로 지반공학분야에서 전지기파를 이용한 연구가 활발히 수행되고 있다.
매립장의 침출수는 어떤 문제를 야기하는가?
매립시설에서 침출수는 주변 환경에 가장 유해하게 작용하는 요소로, 유출 시 지반 및 지하수 오염과 같이 치명적이며 지속적인 문제로 작용한다. 일반적으로 매립장의 침출수에 대한 모니터링을 위해 침출수 집배수 시설이나 누출검지 시스템, 처리시설 등을 사용하고 있으며 추가적으로 이에 의한 오염을 방지하기 위해 차수막을 설치하도록 하고 있다.
시간영역반사법이란 무엇인가?
전송선에 전자기파가 전파할 때 전송선에 전기적인 임피던스 변화가 발생하면 신호가 반사된다. 이렇게 반사된 신호를 측정하는 기술을 시간영역반사법이라고 한다. 전송선은 전원과 전기적 부하를 이어주는 연결선으로 유전체를 사이에 둔 두 개의 전선 구조를 의미하며, 대표적으로 동축 케이블(coaxial cable)이 있다.
참고문헌 (26)
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