[논문]비접촉식 지표면 화학 오염 탐지용 라만 분광시스템 설계 및 성능확인

고영진

doi:10.9766/kimst.2019.22.3.433

비접촉식 지표면 화학 오염 탐지용 라만 분광시스템 설계 및 성능확인
The Design and Test of the Stand-off Surface Chemical Contaminant Detection System based on Raman Spectroscopy 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.3, 2019년, pp.433 - 440

고영진 (국방과학연구소 제4기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to detect toxic chemical spread on field ground, we developed stand-off Raman spectrometer system which employed a deep UV laser. In this paper, the design and specification of various components in the spectrometer system are described. Some results when the detection system was tested on ...

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Sensor module design
표 Table 1. Specifications of KrF excimer laser
그림 Fig. 2. Beam shaping optics design
그림 Fig. 3. Telescope design
그림 Fig. 4. Result of the telescope efficiency simulation
그림 Fig. 5. Spectrograph module design
그림 Fig. 6. Fiber bundle design
그림 Fig. 7. Result of the indoor test
표 Table 2. System requirements
그림 Fig. 8. Field test setup
그림 Fig. 9. Result of the field test
그림 Fig. 10. Comparison of Raman spectrum according to test conditions (a) MES, (b) PTFE

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이러한 사유에 의해, 차량 탑재 후 지표면에 누출된 독성 화학물질을 비접촉식으로 신속히 탐지하기 위한 장비로써 248 nm의 단자외선 파장을 유도광원으로 하는 라만 분광시스템을 설계 및 제작하였다. 본 논문에서는 개발된 장비를 기반으로 실제 시스템 구성, 장비의 성능을 확인하기 위해서 수행한 시험 및 결과에 대해 기술하였으며, 최종적으로 개발된 장비의 야외탐지에 대한 적용 가능성을 확인하였다.

제안 방법

2장과 같이 설계 및 최적화를 통해 지표면 비접촉식 화학탐지용 라만 분광시스템 시제품을 최종 제작 하였다. 제작된 시제품의 성능은 시스템 성능시험, 기본 스펙트럼 획득 시험 및 야외 스펙트럼 획득 시험 을 통하여 입증하였다.
본 연구에서는 차량에 탑재되어 장비 운용자의 안 전을 확보하면서 실시간으로 지표면에 오염된 화학작 용제 등 독성 화학물질을 탐지할 수 있는 장비인 라 만 분광시스템을 제안하였다. 248 nm 단자외선 레이 저를 적용한 라만 분광시스템을 설계 및 제작하였고, 시스템 성능시험 및 기본 스펙트럼 획득 시험을 통하 여 제작된 라만 분광시스템의 성능을 확인하였다.
이러한 사유에 의해, 차량 탑재 후 지표면에 누출된 독성 화학물질을 비접촉식으로 신속히 탐지하기 위한 장비로써 248 nm의 단자외선 파장을 유도광원으로 하는 라만 분광시스템을 설계 및 제작하였다. 본 논문에서는 개발된 장비를 기반으로 실제 시스템 구성, 장비의 성능을 확인하기 위해서 수행한 시험 및 결과에 대해 기술하였으며, 최종적으로 개발된 장비의 야외탐지에 대한 적용 가능성을 확인하였다.
펄스레이저에 의해 라만 산란광은 백 ns 이내에 발생하므로, 검출기는 나노초 급의 고속 게이팅이 가능한 intensified charge-coupled device(ICCD)를 적용하였다. 사용한 ICCD는 Andor사의 DH320T-25F 모델이었다

대상 데이터

펄스레이저에 의해 라만 산란광은 백 ns 이내에 발생하므로, 검출기는 나노초 급의 고속 게이팅이 가능한 intensified charge-coupled device(ICCD)를 적용하였다. 사용한 ICCD는 Andor사의 DH320T-25F 모델이었다
세부 실험을 위해 내화학성의 폴리카보네이트 소재의 실험용 챔버를 제작하였고, 실험실 내에서 후드와 연결하여 안전성을 확보한 후 실험을 수행하였다. 챔버 상단에 설치한 라만 분광시스템으로부터 약 60 cm 하단에 마이크로피펫을 이용하여 1 μL의 시료 화학물 질을 점적하였다.
순도 97 % 이상의 methyl salicylate(MES), dimethyl methylphosphonate(DMMP), cyclohexane을 사용하였다. MES는 화학작용제 중 수포작용제 distilled mustard (HD)의 모의작용제, DMMP는 신경작용제 sarin(GB)의 모의작용제로 널리 사용된다^[12].
탐지기는 라만 산란광을 유도하는 레이저 광원부, 레이저 빔을 지표면까지 전달하는 송광계, 레이저 빔에 의해 시료에서 발생한 미약한 라만 산란광이 들어오는 수광계, 탐지기를 제어하는 제어보드 및 하우징으로 구성된다. 탐지기의 구성은 Fig.

이론/모형

송광계 중 각종 렌즈로 구성된 송광장치는 레이저의 진행 과정 중 초점이 형성되지 않는 갈릴레이형을 사용하여 설계하였다. 총 3장의 렌즈를 사용한 송광장치는 레이저로부터 발진된 빔이 측정면에서 φ 3 mm 안에 레이저의 에너지 중 50 % 이상이 포함되도록 설계하였다.
화학물질의 특 성을 나타내는 라만 스펙트럼의 파수 범위는 350~3800 cm_-1, 분해능은 단위 픽셀당 4 cm_–1가 되도록 설계하 였다. 차량 탑재를 고려하여 분광장치의 크기를 최소 화하기 위해 3600 gr/mm인 회절격자와 folded CzernyTurner 형식의 분광기를 적용하여 설계하였다^[10].

성능/효과

본 연구에서는 차량에 탑재되어 장비 운용자의 안 전을 확보하면서 실시간으로 지표면에 오염된 화학작 용제 등 독성 화학물질을 탐지할 수 있는 장비인 라 만 분광시스템을 제안하였다. 248 nm 단자외선 레이 저를 적용한 라만 분광시스템을 설계 및 제작하였고, 시스템 성능시험 및 기본 스펙트럼 획득 시험을 통하 여 제작된 라만 분광시스템의 성능을 확인하였다. 그 리고 야외 스펙트럼 획득 시험과 결과분석으로부터 지표면 비접촉식 화학 오염 탐지에 대한 제작된 라만 분광시스템의 적용 가능성을 확인하였다.
248 nm 단자외선 레이 저를 적용한 라만 분광시스템을 설계 및 제작하였고, 시스템 성능시험 및 기본 스펙트럼 획득 시험을 통하 여 제작된 라만 분광시스템의 성능을 확인하였다. 그 리고 야외 스펙트럼 획득 시험과 결과분석으로부터 지표면 비접촉식 화학 오염 탐지에 대한 제작된 라만 분광시스템의 적용 가능성을 확인하였다.
9는 야외 시험을 통해 획득한 레이저 펄스 1 회 조사 시의 라만 스펙트럼 결과이다. 기동 간에 획득한 지표면 위 MES의 라만 스펙트럼 분석을 통하여 실시간 MES의 탐지가 가능함을 확인하였고, 얻어진 라만 스펙트럼은 참조물질인 PTFE와 지표면인 background 의 스펙트럼과도 뚜렷한 차이가 있음을 확인하였다.
68 nm(n=3)로 확인되었다. 에너지 미 터로 측정한 레이저의 반복률은 20 Hz 이상, 최대 80 Hz까지 가능함을 확인하였다. Polytetrafluoroethylene (PTFE)를 측정한 라만 스펙트럼을 통해 계산한 분광 계의 최대 라만분광범위는 3386.

후속연구

향후 독성 화학물질의 농도별, 용량별 변화에 따른 스펙트럼 분석을 통한 정량분석 연구를 추가적으로 실시하여 연구의 폭을 넓힐 계획이다. 또한 하드웨어 개선 및 화학물질 데이터베이스 확장, 탐지알고리즘 개발 등 지표면 화학물질 탐지 가능성을 높이는 관련 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.
향후 독성 화학물질의 농도별, 용량별 변화에 따른 스펙트럼 분석을 통한 정량분석 연구를 추가적으로 실시하여 연구의 폭을 넓힐 계획이다. 또한 하드웨어 개선 및 화학물질 데이터베이스 확장, 탐지알고리즘 개발 등 지표면 화학물질 탐지 가능성을 높이는 관련 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비접촉식 지표면 화학 탐지장비 의 개발 필요성은 무엇인가?	화생방 작전 하에서 살포된 화학작용제의 탐지를 위해 개발된 현용 화생방정찰차는 지표면에 누출된 화학작용제를 탐지하기 위해 두 개의 실리콘 바퀴로 구성된 연속시료공급장치와 질량분석기 기반의 탐지 장비를 이용한다. 이때, 바퀴에 묻혀진 시료는 질량분 석기에 직접 접촉하여 시료를 공급함으로써 바퀴 굴림으로 인한 정찰속도 제한, 실리콘 바퀴의 잦은 교체, 분석장비의 오염 등의 문제점이 있다. 따라서 이러한 단점 극복과 화학전 하에서의 전장 오염회피 및 기동성 향상을 위한 비접촉식 지표면 화학 탐지장비 의 개발 필요성이 대두되고 있다[4].
	Raman spectroscopy란 무엇인가?	비접촉식 장비의 기반 기술 중, Raman spectroscopy 는 화학물질에 광원 조사 후 발생되는 물질 고유의 산란 스펙트럼을 분자지문으로 활용하는 만큼 다양한 화학물질을 분석할 수 있고, 수분에 의한 영향성이 적 어 야외환경에 적합하다[5]. 더불어, 최근 라만 산란을 유도하기 위한 광원으로 태양광 간섭 및 지표면 존재 생물물질에 의한 형광 간섭을 회피할 수 있는 단자외 선(deep UV) 레이저를 이용하는 연구가 진행되고 있 다[6-8].
	지표면 비접촉식 화학탐지용 라만 분광시스템의 핵심 구성은 무엇인가?	지표면 비접촉식 화학탐지용 라만 분광시스템의 핵심 구성은 레이저를 조사하여 지표면에 존재하는 화학물질로부터 라만 산란광을 발생시키고 이를 수집하 는 탐지기와 전달된 라만 산란광을 공간적으로 분해 하여 물질별 고유 정보를 제공하는 라만 스펙트럼을 획득하는 분광기로 되어 있다.

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