일본산업뉴스요약

Start Up Innovation / Science
레이저광으로 수중 계측
해양 자원 탐사 및 시설 점검에 활용

바다나 하천 등 수중을 센싱하는 기술 개발이 추진되고 있다. 기존에는 카메라나 음파 등을 이용하는 것이 일반적이었지만, 거리를 측정할 수 있어 3차원 계측이 가능한 레이저를 이용하는 연구가 확대되고 있다. 인프라 점검에 활용하는 등 새로운 시장 창출에 대한 기대도 높아지고 있다.

일본의 영토 면적은 세계 약 60위이지만, 영해와 배타적 경제수역(EEZ)의 바다 면적을 합칠 경우 6위로 뛰어오른다. 해저에는 메테인하이드레이트와 희소금속 등의 자원도 매장되어 있다.

수중 센싱에 이용되는 센서는 일장일단이 있다. 영상을 얻을 수 있는 카메라는 근거리에는 유용하지만, 탁한 수중이나 먼 거리까지 계측하는 것은 어렵다. 어군 탐사 등에 이용되는 음파의 경우 먼 곳까지 계측할 수는 있지만 해저 등의 형상을 상세하게 파악하는 것은 어렵다.

이 두 가지 단점을 보완할 수 있는 방법으로서 개발이 추진되고 있는 것이 라이다(LiDAR)이다. 전파 대신 레이저광을 이용하는 레이더를 가리킨다. 거리를 측정할 수 있어 3차원 계측이 가능한 것이 특징이다.

-- 가스를 발견 --
공익재단법인 레이저기술종합연구소(오사카 시)의 소메카와(染川) 상석연구원은 바다 속에 녹아있는 가스나 해저에서 뿜어져 나오는 가스를 측정하는 장치를 시작(試作)했다. 황화수소 및 메탄가스가 존재하는 곳은 각각 열수광상(Hydrothermal Deposit)이나 메테인하이드레이트가 존재할 가능성이 있어 그 장소들을 효율적으로 찾아내기 위함이다.

연구팀은 물질에 빛을 조사하면 물질에 따라 파장이 다른 미약한 빛이 반사되는 점에 착안. 가스에 레이저광을 조사해 반사된 빛의 파장과 강도로 가스의 종류와 농도를 측정할 수 있다고 보고, 계측용 라이다 시스템을 만들었다. 이를 통해 탄산수가 들어있는 패트병에 20m 떨어진 장소에서 레이저광을 조사한 결과, 물에 녹는 CO₂를 특정. 물에 어느 정도 포함되어 있는지도 알 수 있었다.

2018년 2월에는 오키나와의 이시가키(石垣)섬 가까이에 있는 다케토미(竹富)섬 주변의 수심 20m 지점에서 나오는 메탄이 포함된 화산성가스를 관측. 적외선이 나오는 라이더를 선박에 탑재해 해상에서 관측했다. 장치는 약 천만 엔으로 앞으로는 태양광과 파도로 인한 영향 등을 최소화할 계획이다.

시스템은 CO₂를 회수∙저장하는 CCS에도 대응할 수 있을 것으로 보인다. 소메카와 상석연구원은 “해저에 저장되어 있는 CO₂가 새어 나오지 않는지 등의 관리에 이용할 수 있다”라고 말한다. 연구팀은 10년 이내의 실용화를 목표로 하고 있다.

수중 센싱을 통해 자원 탐사 등과 함께 유망한 것이 항만시설과 댐, 교각 등의 점검용이다. 고도 성장기에 지어진 50년 이상 지난 인프라는 노후화 정도를 조사해 보수할 필요가 있어 다이버 등에 의존하지 않고 낮은 비용으로 점검할 수 있는 기술에는 수요가 있다. 실용화된다면 양식장에서 물고기의 생육 상황을 조사하는 등 수요도 확대될 것으로 기대되고 있다.

-- 3차원 계측 가능 --
스타트업 기업인 트리마티스(지바 현)를 중심으로 수중 라이다와 수중 광무선통신기술 등의 개발을 추진하고 있는 곳이 ‘ALAN컨소시엄’이다. 일반사단법인 전자정보기술산업협회(JEITA)의 지원을 받고 있다. 컨소시엄에서 개발하고 있는 수중 라이다는 청색 레이저광을 이용. 이것을 원격 조작형 무인잠수함(ROV)과 결합시켰다.

올 8월에 국립연구개발법인 해양연구개발기구의 가나가와(神奈川) 현 요코스가(橫須賀) 시에 있는 다목적 수조에서 실험이 진행되었다. 내경(內徑) 20.5cm, 길이 44cm의 원통형 내압 용기 안에 수백만 엔을 들여 제작한 라이다를 넣어 ROV에 탑재. 수심 2m의 장소에 나열된 코끼리 장식물 5개의 모양을 3차원으로 계측할 수 있었다.

앞으로는 빛이 용기의 창에 반사되지 않도록 하고, 데이터 분석 정밀도를 향상시키는 등 개선할 계획이다. 트리마티스의 스즈키(鈴木) 매니저는 “3년 후에 기술을 확립해 비즈니스를 전개해나가고 싶다”라고 말한다. 우선 측정서비스를 100만엔에 제공할 예정이다.

저렴함을 무기로 많은 고객을 확보한다는 전략과 선을 분명히 긋고 있는 곳이 미쓰비시덴키(三菱電機) 자회사인 미쓰비시덴키토키(三菱電機特機)시스템(도쿄)이다. 개발한 수중 라이다 ‘U4LE’는 “수천만 엔으로 고가이지만, 성능으로 승부하고 싶다”라고 사이토(斎藤) 신사업추진전문부장은 강조한다.

조금 탁한 물속에서도 이용이 가능하도록 녹색 레이저광을 채택. 수심 50m 떨어져 있는 물체를 탐지한 실적을 가지고 있다. 고감도 센서인 광전자증배관(Photomultiplier Tube)을 탑재해 관측 거리에 따라 수신신호의 증폭률이 달라지는 시스템도 도입했다. 광범위하게 상세한 데이터를 수집해 신속하게 분석할 수 있다.

미쓰비시덴키토키시스템은 해양연구개발기구와 공동연구를 실시해 자매품을 해양연구개발기구에 납품. 자율형 무인잠수기(AUV) 등에 탑재되어 사용되고 있다. 미쓰비시덴키토키시스템은 연안 경비와 항만 공사, 댐 점검 등의 용도를 상정해 정부 및 건설회사에 제안하고 있다.

해양연구기구 연구플랫폼운용개발부문의 요시다(吉田) 차장은 “일본에게 바다 자원의 이용은 중요하다. 수중, 특히 얕은 여울에 시장이 있다. 심해 등에서 이용할 수 있는 라이다 기술이 발전한다면 플라스틱 쓰레기 구별 등 이용 범위도 확대될 것이다”라고 말한다. 

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