펨토초 테라헤르츠 펄스 레이저를 이용한 건조균열 관측
Observation of Desiccation Cracks Using Femto Second Terahertz Pulse-Laser
Article information
, 권태혁Abstract
일정기간 비가 오지 않아 가뭄현상이 발생되며 이로 인한 피해를 예방하기 위해 가뭄을 모니터링하고 분석하는 연구가 수행되어 왔다. 하지만 대부분의 연구는 기상학, 수문학적 관점에서의 연구가 주로 수행 되어왔고 가뭄으로 인해 발생되는 지반변화관측에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 지속된 가뭄으로 인해 발생되는 건조균열로 인한 농작물 수확량 감소, 농민의 피해 및 구조물 피해를 최소화 또는 예방하기 위해 테라헤르츠 영역의 전자기파를 이용하여 지반의 상태를 학인하고 지반의 적절한 수분 유지 관리를 통한 지반 건조균열예방을 위한 연구를 수행하였다. 모래, 실트, 흙의 수분함량에 따라 테라헤르츠파에 대한 투과율, 반사율, 흡광도, 흡광계수를 구하였으며, 테라헤르츠파에 대한 흙의 건조균열 이미지를 측정하였다.
Trans Abstract
Studies for analysis and monitoring to prevent drought have been conducted. However, most of the studies carried out mainly from the meteorological and hydrological perspectives, and there is a lack of research on the observation of soil changes caused by drought. Therefore, in order to minimize or prevent the crop damage caused by desiccation cracks caused by persistent drought, and damage to farmers and to structures, electromagnetic waves in the terahertz region was used to investigate the moisture condition of the soil materials using femto second terahertz pulse-laser. Transmittance, reflectance, extinction, and extinction coefficient of the soil samples with water content for terahertz frequencies were calculated and THz images of desiccation cracks of the clay were measured.
1. 서론
최근 10년 대비 여름철 강수량이 31.5% 정도 감소하였으며 (Table 1) 가뭄으로 인한 농사피해가 점점 급증하고 있다. 이에 따른 농사피해에 대한 재해보험금 지급을 비롯한 경제적 손실 또한 커지고 있다. Dracup et al.(1980)의 가뭄의 여러 정의에 대한 검토 논문에 따르면 공통적으로 특정기간 동안 강수량이 부족하여 수분부족이 발생하는 것을 가뭄이라고 하는 것을 알 수 있다. 그리고 Wilhite and Glantz(1985)가 6가지 범주(기상학적, 기후학적, 대기학적, 농학적, 수문학적, 물관리적 측면)에 대해 가뭄을 정의하였다. 가뭄에 의한 피해를 막기 위해 2000년 이후 가뭄을 모니터링하기 위한 여러 연구가 수행되어 왔다(Park and Kim, 2009). 가뭄 모니터링과 예측을 위해서 위성영상이 주로 사용되고 있으며 고정밀 위성영상은 대체로 1m급 해상도를 가지고 있어 지표면의 부분적인 정밀 관측이 어렵다. 또한 가뭄을 예측하
Annual and Seasonal Domestic Rainfall (Statistics Korea)
고 예방하기 위해 주변지역의 식생지수를 사용하는 연구가 주로 이루어 졌으나, 직접적인 지표면 관찰이 아닌 간접적인 관찰이기 때문에 정확한 지표면 상태를 확인 하는 것이 아니라는 단점이 있다. 이외에 주로 수문학적인 관점에서 가뭄에 대한 분석과 모니터링에 대한 연구가 이루어졌으며 (Lee et al., 2003; Kyoung et al., 2007; Lee et al., 2006) 지반에 대한 직접적인 변화관측 모니터링에 대한 연구가 부족한 실정이다.
가뭄이 지속되면 지표면이 마르고 균열이 생기게 되는데 이를 건조균열이라고 하며 건조균열 발생으로 인해 농작물 피해뿐만 아니라 농작지의 훼손이 발생한다. 더 나아가서는 지반에 세워진 구조물도 건조균열로 인해 피해를 받게 된다 (Shin and Santamarina, 2011). 건조균열은 물이 증발하고 흙이 건조되는 과정에서 인장파괴에 의해 발생한다 (Lachenbruch, 1962; Morris et al., 1992).
전자기파 영역 중 테라헤르츠(Terahertz; THz; 1012 Hz)주파수 영역은 마이크로(Micro) 주파수 영역보다 에너지가 크며 적외선(Infrared) 주파수 영역보다 파장이 길기 때문에 적외선 보다 투과성이 더 우수하다. 테라헤르츠 영역은 금속에서 반사되고 나무, 플라스틱 등 비이온화 물질을 투과하는 성질이 있으며 특히, 물에 흡수되는 성질이 있다. 이러한 THz 파는 물을 감지하는데 유용한 주파수 영역이다.
본 논문에서는 가뭄에 의한 농사피해 및 농작지와 주변 구조물에 대한 피해를 최소화하거나 이를 사전에 예방하기 위해 수분 분포 및 변화를 자세히 관측하기 위한 목적으로 테라헤르츠 펄스레이저 투과셋업을 이용하여 지표면 상태를 지속적으로 관찰하고, 관측 결과를 통해 적절한 시기에 적당한 물을 공급하여 최적의 지표면 상태를 유지하고 다가올 가뭄에 대비할 수 있는데 기여할 수 있는 실험결과를 보여주고 있다.
2. 시험 절차
2.1 샘플준비
본 연구에서는 THz 펄스 레이저의 샘플에 대한 투과 반사측정을 위해 크게 모래, 실트, 흙 3가지 종류의 지반매질에 대해 각 매질 당 6가지 함수비에 따른 샘플을 사용하였다 (Table 2). 샘플은 1 mm 두께의 홈이 파진 Polycarbonate plate에 1 mm 두께의 홈이 파진 부분에 채워 넣고 HDPE판 위에 올려두고 반사 및 투과 측정을 하였다. 이미지 측정을 위해서는 초기 함수비가 50%인 kaolinite 흙시료를 직경 50 mm 플라스틱 용기에 두께 1 mm로 채워서 사용하였다. 측정시간은 시험시작과 동시에 한번 측정 후 1.5시간 후, 9시간 후 총 3번 측정을 하였다.
Sample Conditions for Transmission and Reflection Measurement
2.2 시험장비 설치 및 측정
2.2.1 지반매질에 대한 투과 반사 측정
실험장비는 Menlo Systems의 레이저 발생장치와 Fico사의 Zomega 제품을 이용하여 Terahertz time-domain system 기반 THz 펄스 레이저 장비를 구축하였다(Fig. 1). 본 구축 장비는 Pump-probe 방식을 이용하여 발생시킨 레이저빔을 지연시켜 디텍터에서 convolution을 통하여 파의 형상을 얻는 방식이다. Menlo Systems의 oscillator를 통해 발생된 펨토초 레이저를 THz 박스 안으로 조사시킨 후 beam splitter를 이용하여 pump beam과 probe beam으로 나누게 된다. pump beam은 측정 대상을 거치기 때문에 probe beam보다 큰 에너지를 가지게 된다. pump beam은 에미터 안에서 안테나를 통해 THz 펄스로 바뀌고 THz 펄스 레이저가 stage위의 High density polyethylene (HDPE) 판위에 놓인 샘플에 조사 된다. stage는 x축, y축으로 동일 평면상에서 좌우로 이동 가능하며 리시버의 위치에 따라 투과 또는 반사 실험을 할 수 있다. 측정 주파수 범위는 0.2 THz ~ 1 THz 영역이다.
Test Setup
2.2.2 지반매질의 이미지 측정
50% 초기 함수비의 kaolinite 샘플이 담긴 용기를 stage위의 HDPE판 위에 올려놓고 투과셋업에서 디텍터가 감지한 신호를 이용하여 지반 매질의 이미지 측정을 하였다. 이미지 크기는 가로×세로 60 mm이며 픽셀 크기는 가로 세로 0.2 mm 이며 총 픽셀 수는 90,000개 이다. 하나의 픽셀 스캔
시간은 약 0.06초가 소요되었으며 전체 픽셀 스캔 시간은 90분 정도 소요되었다.
2.3 흡광계수 및 분석 파라미터 계산
샘플에 조사된 THz 펄스 레이저가 샘플을 투과하고 리시버로 가기까지의 과정을 Fig. 2와 같이 나타내었다. 샘플을 투과하고 디텍터로 들어온 파의 Time domain 값에서 역으로 지반매질을 투과하고 polycarbonate plate를 투과하기 직전의 THz 펄스에 대한 흡광계수(Extinction coefficient)를 구하였다. ISample은 샘플을 투과하고 플레이트를 투과하기 직전의 파의 강도값이며(Eq. (3)), 샘플로 들어가는 경계면에서의 반사를 RAS, 샘플에서 플레이트로 들어갈 때의 투과를 TSP, 샘플과 플레이트 사이의 경계면에서의 반사를 RSP, 플레이트에서 공기로 들어갈 때의 투과를 TPA, 플레이트와 공기의 반사를 RPA, 라고 하였으며, 이 때 HDPE 플레이트에 대한 투과 및 반사는 Reference 값으로 고려하였다. Reference의 강도 값은 샘플이 있는 자리에 공기로 채워진 상태에서 계산된다(Eq. (4)). RSP와 RPA를 구하기 위해 사용된 굴절률, n은 흡광계수, α는 최종적으로 Eq. (5)와 같이 구해진다. 이때, x는 샘플의 두께를 나타낸다.
Calculation Mechanism of Extinction Coefficient of Samples
RSP와 RPA는 굴절률, n에 관한 식으로 아래와 같이 계산된다 (Eqs. (6), (7)).
샘플의 굴절률 n은 Eq. (8)에 의해 계산되었으며 polycarbonate의 굴절률은 Naftaly and Miles(2007) 논문에 나온 값을 사용하였고 공기의 굴절률은 nAir=1로 사용하였다.
반사율은 전체 파의 강도, IReference와 반사측정을 통해 샘플에서 반사되어 리시버로 들어온 파의 강도, IReflected의 비로 나타냈으며 아래와 같이 나타낼 수 있다.
흡광도(Exinction)는 전체 파의 강도에서 샘플을 투과한 강도와 반사된 파의 강도와의 차로 아래와 같이 나타낼 수 있다.
3. 시험 결과 및 분석
3.1 지반매질의 포화도에 따른 영향
모래의 경우, 투과율이 주파수에 따라 급격히 감소하는 경향을 보였으며 포화도가 높을수록 투과율이 낮게 나왔다. 반사율은 주파수에 따라 3% 아래로 나왔으며 포화도가 반사율에 미치는 영향은 미비하였다. 흡광도의 경우 주파수가 증가함에 따라 증가하는 경향이 나타났으며 포화도가 40% 이상인 경우 주파수에 따라 파의 80% 이상이 소멸되는 것으로 나타났다. 흡광계수는 주파수와 포화도가 증가함에 따라 증가하였고 포화도가 80% 이상에서는 포화상태인 경우와 비슷한 값을 보였다.
실트의 경우, 건조 상태에서는 모래에 비해 비교적 높은 투과율을 보였으나 포화도 20% 이상에서는 오히려 모래보다 낮은 투과율을 보였으며 반사율과 흡광도가 모래보다 높게 나왔다. 흡광계수는 건조 상태일 때 모래의 경우보다 낮게 나왔으며 포화도가 20% 이상인 경우에는 모래의 경우보다 더 높은 흡광계수 값을 보였다.
흙의 경우, 건조 상태에서는 모래보다는 투과율이 높게 나왔으나 실트보다는 낮은 투과율을 보였다. 포화도가 20% 이상에서는 모래의 경우보다 높은 투과율을 보였으나 실트와 마찬가지로 반사율과 흡광도가 높게 나왔다. 흡광계수는 건조 상태일 때 실트보다 더 크게 나왔지만 모래보다는 작게 나왔으며, 포화도의 증가에 따라 흡광계수가 상승하는 것을 알 수 있다.
모래에서보다 흙에서 노이즈가 더욱 심하게 나왔으며 이는 Mie 산란의 영향력이 평균입자크기가 140 μm인 모래에서보다 평균입자크기가 6.5 μm로 모래보다 더 작은 흙에서 더 크기 때문일 것으로 판단할 수 있다.
3.2 건조균열 관측
Fig. 4를 보면 초기 함수비 상태일 때와 1.5시간이 지난 후 THz 펄스 레이저 투과를 통해 얻은 이미지에서는 물에 의한 THz 파의 흡수에 의해 시각적인 차이를 보기 어려웠다. 초기 함수비가 50%일 때 THz 이미지상에는 검게 표시되어 있으며 9시간이 지난 후에는 눈으로 관찰하였을 때 보이는 것과 같이 THz 이미지에도 균열이 나타났다. 건조균열은 0.5 THz와 0.8 THz에서 얻은 이미지에서 뚜렷하게 관찰할 수 있었다. THz파의 에너지와 파장은 주파수에 따라 다르며 물질마다 바닥상태의 전자가 들뜬상태의 전자로 되는데 필요한 에너지가 다르기 때문에 특정 주파수에서 투과가 잘 일어나게 된다. 0.8 THz의 이미지를 보면, 안쪽이 가장자리 보다 음영이 더 진한 걸 확인 할 수 있으며, 이로써 가장자리에서부터 물이 더 많이 증발되었다는 것을 알 수 있다. 샘플의 동일한 부분에서의 THz 주파수별 이미지의 Gray value를 살펴보면, Fig. 5와 같이 0.5 THz와 0.8 THz 사이에서 가장 투과율이 높은 것을 알 수 있다. 샘플의 특정 부분을 좀 더 자세히 살펴보면 음영을 통해서 샘플에서의 수분 분포를 확인할 수 있다.
Gray Value of the Certain Part of the Sample Over Time with Frequency
Transmittance, Reflectance, Extinction, and Extinction Coefficient of the Samples with Different Saturations
THz Image of the Sample Over Time with Frequency
이때 균열 부분에서 투과된 파의 강도가 낮게 나타났으며, 이는 균열틈에서의 산란현상과 균열틈보다 파장이 더 길기 때문에 회절현상이 일어나게 되어 리시버로 파가 들어오지 못했기 때문이다. Fig. 6에서도 0.8 THz에서 수분분포가 가장 잘 확인되는 것으로 나타났다. Fig. 6을 보면 디지털이미지로 관측이 안 되는 미세한 균열도 THz 이미지로 확인이 가능하다.
Moisture Distribution on THz Image with Frequency
4. 결론
본 연구를 통해 지반매질에 따른 각기 다른 수분상태에서의 THz파에 대한 성질을 확인하였으며 수분에 따른 흡광계수의 증가와 흡광도, 투과율, 반사율을 통하여 지반의 수분확인이 가능해질 것으로 판단된다. 또한 건조균열 관측을 통하여 겉으로는 보이지 않는 작은 균열까지 THz파로 관측이 가능하였으며 지반 모니터링에 적절한 THz 주파수 영역대 (0.5 THz ~ 0.8 THz)를 확인하였다. 본 연구는 THz파를 이용한 지반의 실시간 모니터링으로 가뭄으로 인한 건조균열을 사전에 예방하고 농작지의 수분상태를 적절히 유지시키는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.