이산화탄소는 지구 온난화와 기후 변화의 주범으로, 2050 탄소 중립을 목표로 현재 전세계에서 이산화탄소 감축을 위한 연구가 다수 진행 중이다. 그 중 이산화탄소를 포집하여 지중에 저장하는 carbon capture and storage (CCS) 방법이 이산화탄소의 총량을 줄이는 방법으로서 최근 전세계적으로 각광받고 있다. CCS 방법은 이산화탄소를 방출하는 다양한 발생원에서 이산화탄소를 포집한 후 이송 시설을 이용하여 육지 또는 해양 지각에 저장하는 방법으로, 대규모의 이송 및 저장 시설이 필요하며 이 과정에서 발생할 수 있는 누출을 감시하는 체계를 갖추는 것이 필수이다.

현재 가스상 물질의 누출 감지 및 농도 측정을 위한 다양한 방법이 이미 개발되어 있으며, 대부분의 가스 측정 방법은 자연 대류나 포집 방법을 사용한다. 가스 측정 센서를 이용한 방법은 가격이 저렴하고 정확도가 높다는 장점이 있으나, 측정 가스가 측정 센서에 도달해야만 측정이 가능하며 외부 공기의 흐름에 많은 영향을 받아 측정이 불가능한 경우가 발생한다는 단점을 갖는다. 또한 CCS 이송 및 저장 시설과 같은 대규모 시설에서는 누출 감지를 위하여 수많은 센서를 그물망 형태로 설치하여야 하므로 설치, 유지 및 보수 관리에 많은 어려움이 있다.

라만 라이다 장치는 빛의 라만 산란 현상을 이용한 라이다 장치로서, 빛의 발진 선상의 모든 지점에서 측정 물질의 종류, 위치 및 농도를 원격으로 계측할 수 있다는 장점을 지닌다^[1-7]. 가스 측정 분야에 사용되는 라만 라이다 장치는 펄스 형태의 레이저 빔을 사용하기 때문에 외부 공기의 흐름에 관계없이 측정 가스의 종류, 위치 및 농도의 원격 계측이 가능하다는 장점을 지닌다^[4-9]. 특히 수소 가스의 경우 강한 라만 산란 파장을 갖고 있어, 2004년 V. E. Privalove에 의한 수소 가스의 원격 계측 가능성이 이론적으로 처음 제안된 이래^[1,2], 미국의 Ball, 일본의 Ninomiya 등이 수소 가스 원격 계측이 가능한 라만 라이다 시스템을 개발함으로써 라만 산란 현상을 이용해 가스 원격 측정이 가능함을 증명하였다^[3-7]. 국내에서는 한국원자력연구원에서 수소 가스 원격 계측용 라만 라이다 시스템을 개발하여 약 50 m 거리에서 원격 계측을 성공시킨 바 있다^[8,9].

본 논문에서는 이산화탄소 원격 계측용 라만 라이다 장치의 개발을 연구하였다. 우선 장치의 소형화를 위하여 공랭식 펄스 레이저와 6인치 크기의 광학 수신기를 결합한 라만 라이다 장치 헤드를 개발하였으며, 이를 2축 스캐닝 장치와 결합하여 대기 중의 이산화탄소 측정이 가능한 스캐닝 방식의 라만 라이다 장치를 개발하였다. 이후 개발된 라이다 장치의 성능 검증을 위하여 가스 농도 유지 및 변환이 가능한 가스 챔버와 87 m 떨어진 거리에 개발된 라이다 장치를 설치하여 이산화탄소 농도 측정 실험을 실시하였다. 그 결과 약 0.67–40 vol%의 이산화탄소의 농도 구간에서 라만 라이다 장치를 이용하여 측정한 라만 산란 신호가 선형성을 나타냈으며, 선형 추세선과의 상관관계를 나타내는 결정 계수(R²) 값이 높음(0.9999)을 확인하였다. 또한 각 농도에서의 측정 오차 평균은 0.1202 vol%에 불과하여 신뢰성이 높음을 확인하였다.

2.1. 라만 산란 현상

빛의 산란(scattering) 현상이란, 빛이 어떤 매질을 통과할 때 매질이 빛과 상호작용함으로써 빛의 파장이 변하며 빛의 일부가 진행 방향에서 이탈해 다른 방향으로 진행하는 현상을 말한다. 라만 산란(Raman scattering) 현상은 특정 물질에 조사된 빛이 물질에 의해 에너지를 얻거나 잃어서 다른 파장의 빛으로 산란되는 현상을 말하며, 라만 라이다 장치는 라만 현상을 측정하는 라이다(light detection and ranging, lidar) 장치를 말한다^[5-9].

2.2. 라만 산란 신호를 이용한 가스 원격 측정 원리

그림 1은 각각의 가스에 355 nm 파장의 레이저 빔을 조사하였을 때 발생하는 라만 산란 신호의 파장 및 세기를 나타낸 것이다^[1-3,10]. 그림에서 보는 것과 같이 이산화탄소(CO₂)에서는 371.6 nm, 373 nm 파장의 빛이 산란되며, 질소(N₂)는 386.7 nm, 메탄(CH₄)은 395.7 nm, 수소(H₂)에서는 416 nm 파장의 빛이 산란된다. 따라서 355 nm 파장의 빛을 조사한 후 수신되는 빛을 가스별로 분리하면 다수의 가스 위치 및 농도의 원격 측정이 동시에 가능함을 알 수 있다^[1-4,10].

Figure 1. Raman shift wavelength and amplitude at 355 nm excitation^[10].

3.1. 라만 라이다 하드웨어 개발

2.2절에서 설명한 원리를 이용해 대기 중 이산화탄소 농도를 원격으로 계측하기 위하여 광 계수 방식의 라만 라이다 장치를 구성하였다. 그림 2는 광 계수 방식의 라만 라이다 장치의 광학 헤드의 송수신 광학계의 구조를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 것과 같이 라만 라이다 장치는 레이저 빔의 송신 축과 광학 신호 수신 축이 일치하는 동축(on–axis) 형태로 구성하였다.

Figure 2. Schematic diagram of the developed Raman lidar system.

이산화탄소의 라만 산란 신호 측정을 위해 먼저 라만 산란 단면적을 고려하여 적절한 파장을 가진 레이저를 선정하여야 한다. 공기 분자에 의한 탄성 산란 신호에 비해 이산화탄소에 의한 라만 산란신호는 다소 약한데, 이 점을 이용하여 이산화탄소만 따로 계측할 수 있다. 단, 라만 산란 단면적은 사용된 빛의 파장(λ)에 반비례(λ⁻⁴)하기 때문에 파장이 짧을수록 유리하지만, 파장이 너무 짧으면 공기분자에 의한 탄성 산란(Rayleigh scattering) 또한 같은 이유로 파장에 반비례하여 커진다. 때문에 라만 라이다 장치를 이용하여 이산화탄소를 측정하기 위해서는 두 산란이 적절한 비율을 이루는 파장을 선택하여야만 최대 측정 거리를 늘릴 수 있다.

본 연구에서는 펄스 반복율이 1 kHz, 펄스 당 에너지는 216 μJ이며 파장은 355 nm인 레이저(Changchun New Industries Optoelectronics Tech. Co., Ltd. (CNI Laser), Jilin, China)를 사용하였다. 선정된 레이저 빔을 조사할 때에도 가능한 발산각을 줄여서 조사하여야 하는데, 이를 위하여 일반적으로 빔 확대기(beam expander)를 이용한다. 본 연구에서는 5배율의 빔 확대기를 사용하여 발산각을 0.6 mrad로 줄였다. 망원경의 관측 시야(field of view, FOV)는 작을수록 태양광에 의한 영향이 조사된 레이저를 효율적으로 수신할 수 있지만, 이와 동시에 대기의 온도 차이에 의한 빛의 굴절, 회절, 광학적 안정성을 함께 고려하여야 한다. 따라서 최종적으로는 관측 시야가 레이저의 발산각과 같거나 약간 커야 하며, 본 연구에서는 2–60 mrad 사이에서 가변하도록 관측 시야를 설정하였다.

수신 광학계는 대기 중에서 후방 산란된 탄성 산란 신호와 라만 산란 신호 중에서 이산화탄소에 의한 라만 신호(371.6 nm), 질소에 의한 라만 신호(387 nm)를 선택적으로 수신할 수 있도록 구성하였다. 아울러 이산화탄소와 질소에 의한 라만신호에 레이저 파장에 해당하는 탄성 산란 신호(355 nm)가 입력되지 않도록 해당 파장만을 제거하는 노치 필터(notch filter)를 사용하였다. 이산화탄소 라만 채널과 질소 라만 채널에는 투과율이 97% 이상인 대역 통과 필터(band pass filter; Alluxa, CA, USA)를 각각 사용하였다. 또한 레이저가 발진하는 순간에는 전체 전원의 접지가 변하게 되는데, 이 현상은 수신 장치의 ADC 또는 센서의 전원 등에 미세한 영향을 주기 때문에 광자계수기를 이용하여 이러한 효과를 배제하고자 하였다. 센서는 측정효율을 극대화하기 위해서 UV 영역에서 40% 정도로 높은 효율을 보이는 R9880U-210 photo-multiplier tube (PMT; Hamamatsu Photonics K. K., Shizuoka, Japan)를 사용하였다. 표 1은 개발된 이산화탄소 라만 라이다 구성품의 사양을 나타낸 것이다.

Table 1 . Parts list and specification of the Raman lidar system.

Component	Specification
Transmitter	Wavelength (nm)	355
	Repetition Rate (kHz)	1
	Pulse Width	4.06 ns @ 355 nm
	Energy	216 μJ @ 355 nm
	Beam Divergence (mrad)	0.6 (×5 Beam Expansion)
Receiver	Telescope	6 inch, Achromatic, Focal Length: 400 mm
	Field of View (mrad)	2–60 (Variable)
	CO2 Filter (F.2)	97% Transmitted at 372 nm, FWHM: 0.5 nm, OD: 8
	N2 Filter (F.3)	97% Transmitted at 387 nm, FWHM: 0.5 nm, OD: 8
	H2 Filter (F.4)	97% Transmitted at 416 nm, FWHM: 0.5 nm, OD: 8
	Channel 1	Elastic (Measuring Wavelength: 355 nm)
	Channel 2	CO2 (Measuring Wavelength: 372 nm)
	Channel 3	N2 (Measuring Wavelength: 387 nm)
	Channel 4	H2 (Measuring Wavelength: 416 nm)
	Sensor	R9880-U210 Photo-Multiplier Tube (PMT) at UV Enhanced (Hamamatsu Photonics K. K., Shizuoka, Japan)

그림 3은 대기 중 가스를 원격 측정하기 위한 스캐닝 방식의 라만 라이다 장치의 3D 모델링 및 개발 장비 사진을 나타낸 것이다. 본 장비는 라만 라이다 헤드를 2축 스캐닝 장치와 결합하여 pan/tilt가 가능하도록 설계되었으며, 대기 중의 원하는 지점으로 레이저 빔을 조사하여 라만 산란 신호를 계측할 수 있다.

Figure 3. 3D modeling of the developed scanning Raman lidar system.

3.2. 라만 라이다 제어 프로그램 개발

라만 라이다 장치는 레이저, 스캐닝 모터, 광 계수기, 광학 정렬을 위한 액추에이터(actuator) 및 광 증배기의 증폭 효율 제어를 위한 고전압 공급회로 등으로 구성된다. 각 장치는 RS–232 및 USB 통신 인터페이스를 갖추고 있어 컴퓨터를 통해 제어할 수 있다. 그림 4는 라만 라이다 제어 알고리즘을, 그림 5는 이를 구현한 제어 프로그램 인터페이스를 나타낸 것이다.

Figure 4. Raman lidar control algorithm.

Figure 5. Raman lidar control program interface.

가스 위치 및 농도 등을 원격계측하기 위해서는 단위 펄스당 발생하는 라만 산란 신호를 계측해야 한다. 따라서 레이저 발진 장치와 광 계수기 간의 동기화를 위하여 레이저 발진 장치의 Q–switching 신호를 광 계수기의 트리거 신호로 사용하였으며, 사용자가 입력한 펄스 신호의 개수에 도달할 때까지 각 채널에서 임곗값을 넘는 라만 산란 신호의 개수를 누적하도록 알고리즘을 구성하였다. 또한 반복 측정 횟수를 입력해 같은 농도 조건에서 측정값의 변화를 관측할 수 있도록 알고리즘을 구성하였으며, 측정이 완료됨과 동시에 레이저 발진을 종료하고 고전압 공급 장치에서 광 증배기의 공급 전압을 차단한 뒤 제어 프로그램을 종료하도록 알고리즘을 구성하였다.

3.3. 가스 챔버 장치 개발

개발된 라만 라이다 장치의 성능을 검증하고 교정하기 위해 가스 농도를 실제로 측정하였다. 우선 측정할 가스의 농도 유지를 위해 가스 챔버 장치를 개발하였다. 가스 챔버는 원기둥 구조로 길이 3 m, 직경 8인치이며, 6인치 뷰 포트(view port)가 설치 가능하도록 제작되었다. 또한, 가스 챔버에 설치된 뷰 포트는 300–500 nm 파장의 빛을 99% 이상 투과하도록 제작되어, 라만 라이다 장치에서 발진되는 355 nm 파장의 빛과 이산화탄소에 의한 라만 산란 파장을 측정할 수 있도록 하였다. 가스 주입 포트는 상단에 4개 배치하고, 높은 압력과 다양한 온도에서 사용할 수 있는 락 피팅(lok fitting)을 통하여 챔버에 연결하였으며, 챔버 내부에 주입된 가스는 가스분석기를 통해 이산화탄소(CO₂), 수소(H₂), 메탄(CH₄), 암모니아(NH₃), 산소(O₂), 질소(N₂)의 농도를 측정 가능하도록 하였다. 또한 챔버 외부에 열선 시트를 부착하고 스티로폼, 단열재 등으로 단열 작업함으로써 가스 챔버 내부의 온도를 유지하도록 하였고, mass flow controller (MFC)를 이용하여 가스 챔버 내부의 기체 양을 조절할 수 있도록 하였다. 그림 6에 개발된 가스 챔버의 3D 모델링 및 실물을, 표 2에 가스 챔버 구성 장치의 사양을 나타내었다.

Figure 6. 3D modeling and photograph of the developed gas chamber system.

Table 2 . Specification of the gas chamber system.

Parameter	Specification
Gas Chamber Length (m)	3
View Port	Diameter 6-Inch, 99.75% Transmitted at 300–500 nm
Pressure (Torr)	0.001–1,500
Humidity (%RH)	0–100
Vacuum Pump	62 L/min × 2 ea

4.1. 실험 방법

가스상 물질은 공기의 흐름에 의하여 확산 또는 이동 현상이 발생하므로 농도 유지가 어려우며, 고농도일 때 인체에 피해를 입힌다는 특징을 가지고 있다. 따라서 라만 라이다 장치의 원격 농도 측정 실험 시 가스 농도 유지 및 피해 방지를 위하여 레이저 빔을 투과하는 가스 챔버 장치를 이용하였다.

그림 7은 본 논문에서 제안한 라만 라이다 장치와 가스 챔버를 설치한 사진을 나타낸 것이다. 라만 라이다 장치로부터 약 87 m 거리에 가스 챔버를 설치하였으며, 라만 라이다 장치에서 발진된 레이저 빔이 가스 챔버 내부를 통과할 수 있도록 실험 장치를 구성하였다. 실험에 사용된 가스 챔버는 길이 3 m, 직경 8인치 크기의 원기둥 형태로 레이저 파장이 300–500 nm일 때 99%의 투과율을 갖는 뷰 포트를 설치하였으며, 가스 챔버 내부에 측정 가스의 주입 및 배출이 가능하도록 밸브를 설치하였다.

Figure 7. Photograph of the Raman lidar experiments for remotely measuring carbon dioxide gas.

표 3은 가스 챔버 내부의 가스 주입 조건을 나타낸 것이다. 각 조건에서 레이저 펄스에 의한 이산화탄소 라만 산란 신호를 30,000번 측정하였으며, 이를 10회 반복하여 측정 오차를 구했다. 또한 광 계수기의 거리 분해능을 0.48 m로 설정하여 라만 산란 신호를 측정할 수 있도록 하였다.

Table 3 . Experimental condition to verify the developed Raman lidar system.

Partial Pressure (Torr)	Converted Gas Concentration Value (vol%)	Remark
5.1	0.6711	Measurement Time: 30 s (30,000 pulses) No. of Repeated Measurements: 10 times Bin Time: 4 (0.8 ns × 4 × 0.15 m/ns = 0.48 m)
10	1.3158
25	3.2895
50	6.5789
100	13.1579
150	19.7368
200	26.3158
310	40.7895

4.2. 실험 결과

그림 8은 가스 챔버 내 가스가 없을 때의 이산화탄소 라만 산란 신호를 나타낸 것으로 가스 챔버의 앞면과 뒷면에서 높은 신호가 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 가스 챔버에 사용된 뷰 포트의 빛 투과율이 99% 이상임에도 불구하고 투과되지 못한 일부 빛이 있어, 이로 인해 가스챔버 앞뒷면의 유리에서 탄성 산란이 발생하기 때문이다. 또한 자연 상태에서는 이러한 인공적인 산란이 발생하지 않기 때문에, 실제 사용 시에는 뷰 포트에서 발생하는 산란에 영향을 받지 않은 지점의 값을 사용하여야 한다. 아울러 산란에 영향을 받지 않은 값을 구할 때, 가스 챔버 내 가스 농도 증가에 비례해 라만 산란 신호의 세기가 증가하기 때문에 농도가 높아짐에 따라 뷰 포트의 영향도 줄어들어 마치 없어진 것처럼 보일 수 있지만, 실제로 없어지지는 않는다는 점 또한 고려하여야 한다. 그림 8에 나타낸 결과에 따르면 두 피크 신호의 사이의 거리는 약 3 m로 가스 챔버의 길이와 일치하며, 뷰 포트에서 발생하는 산란의 영향을 받지 않아 신호가 거의 검출되지 않는 지점은 약 87 m임을 알 수 있다.

Figure 8. Carbon dioxide Raman signals at 5.1 Torr (0.67 vol%).

일반적으로 기체의 압력은 온도와 부피가 일정할 때 분자량의 영향을 받는다. 가스 챔버는 일정한 온도와 부피를 유지하므로, 분압의 변화는 가스 챔버 내 가스의 분자량 변화, 즉 가스의 농도 변화를 의미한다. 따라서 1기압(760 Torr)을 기준으로 가스 챔버 내 가스 분압을 각 농도에서 측정한 라만 산란 신호 값과 비교하고, 이를 수식으로 만들면 라만 산란 신호를 통해 농도를 역산하는 것도 가능하다.

그림 9는 이산화탄소의 압력 변화에 따른 라만 산란 신호의 변화를 나타낸 것이며, 표 4는 분압을 농도로 변환하였을 때 각 농도별 라만 산란 신호의 측정 결과를 나타낸 것이다. 그림 9와 같이 챔버 내 가스의 농도가 증가함에 따라 라만 산란 신호의 세기가 점차 증가하는 것을 볼 수 있다. 그림 10은 뷰 포트에 의한 영향이 없는 가스 챔버 중앙 약 87 m 지점에서의 이산화탄소 농도별 라만 산란 신호의 변화 그래프를 나타낸 것이며, 표 5는 그림 10 그래프에서 측정한 이산화탄소 농도 및 측정 오차를 나타낸 것이다. 그림 10을 통해 이산화탄소의 농도와 라만 라이다 장치를 이용하여 측정한 농도가 선형성을 나타냄을 알 수 있다. 또한 두 값의 선형 추세선 기울기가 1에 가깝고, 두 값의 상관관계를 나타내는 결정 계수(R²) 값은 0.9999이다. 따라서 각 농도별 측정 오차 평균이 0.1202 vol%로 측정 정확도가 높음을 확인하였다.

Figure 9. Carbon dioxide Raman signals at 5.1 to 310 Torr.

Figure 10. Carbon dioxide concentration measured by using the Raman lidar system at 87.36 m.

Table 4 . Averaged measurement data of the carbon concentration by using the Raman lidar system according to the distance.

Measuring Distance (m)	Carbon Concentration (vol%)
	0.6711	1.3158	3.2895	6.5789	13.1579	19.7368	26.3158	40.7895
84	2.6	2.5	1.6	1.9	2	1.9	1.6	2.7
84.48	2.1	1.7	2.1	2.5	1.6	2.3	1.4	2.6
84.96	106.8	145.8	145	167.5	176.8	187.4	189	208.3
85.44	323.4	323.6	386.3	478.1	613.5	754.1	890.8	1,161.9
85.92	164.1	167	235.7	348.3	540.4	741.9	941.2	1,365.1
86.4	62.7	78	137.8	244.4	448.4	660.2	861.5	1,305.1
86.88	37.5	51.8	110	214.8	417.5	624.4	809.2	1,257.4
87.36	26.1	45.5	100.3	200.1	411.7	599.3	813.9	1,227.9
87.84	61.8	96.3	150.2	245	440	644.8	823.1	1,249.5
88.32	337.3	337.2	396.2	485.3	573	683.4	825.7	1,038.9
88.8	225.1	182.6	224.2	253.2	278.1	303.8	345.3	401.5
89.28	71.3	60.8	75.1	89.2	80.4	92.1	101.9	106.4
89.76	30.8	25.5	32.3	34.1	34.9	29.2	38.4	38.3
90.24	15.7	12.9	15.7	17	15.6	15.8	20.5	22.6

Table 5 . Error rate of the carbon dioxide concentration measured by using the Raman lidar system.

Carbon Dioxide Concentration (vol%)	Photon Counting No.	Measured Carbon Dioxide Concentration (vol%)	Standard Deviation (%)	Absolute Error Rate (vol%)
0.6711	37.5	0.7289	0.2267	0.0578
1.3158	51.8	1.1987	0.2868	0.1171
3.2895	110	3.1109	0.2987	0.1786
6.5789	214.8	6.5541	0.3555	0.0248
13.1579	417.5	13.2139	0.7911	0.0560
19.7368	624.4	20.0117	0.7895	0.2748
26.3158	809.2	26.0833	0.5722	0.2325
40.7895	1257.4	40.8091	0.9791	0.0196
Average	-	-	0.4883	0.1202

이산화탄소는 지구 온난화와 기후 변화에 영향을 미치는 주요 인자 중 하나로서, 이를 감축하기 위한 많은 방법이 전 세계적으로 연구되고 있다. 특히 이산화탄소의 총량을 줄일 수 있어 최근 각광받고 있는 CCS 공법의 경우, 대규모 이송 및 저장 시설이 필요하며 포집된 이산화탄소의 누출을 감지할 수 있는 방법이 필수이다.

본 연구에서는 이산화탄소의 대규모 이송 및 저장 시설에서 발생하는 누출을 감지할 수 있는 소형 라만 라이다 장치를 개발하였다. 개발된 라이다 장치의 성능 검증을 위하여 가스 챔버를 이용한 이산화탄소 원격 측정 실험을 실시하였으며, 그 결과 약 87.36 m 거리에서 0.67 vol%의 이산화탄소의 원격 농도 측정이 가능하였고, 선형 추세선과의 상관관계를 나타내는 결정 계수(R²) 값이 0.9999로 매우 높은 선형성을 나타냈다. 또한 측정 오차 평균이 0.1202 vol%에 불과해 매우 높은 정확도를 가짐을 실험적으로 증명하였다.

본 연구는 2022년도 중소벤처기업부의 기술개발사업지원(S3289298)의 지원을 받아 수행되었습니다.

중소벤처기업부 기술개발사업지원(S3289298).

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

본 연구의 결과 분석 및 생성된 데이터는 모두 본 논문 내 명시되어 있으며, 데이터에 접근하거나 사용하고자 하는 이는 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 득해야 사용 가능하다.