지표면에서 기화되는 화학오염운을 원거리 화학탐지기와 UAV에 탑재된 접촉식 화학탐지 센서를 동시에 운용하여 탐지하는 시나리오를 구현하기 위하여 Fig. 2(a)와 같이 실험을 구성하였다.

탐지 대상 오염물질은 신경작용제의 유사작용제인 DMMP(Sigma Aldrich, CAS 756-79-6)로서, 액상 DMMP 를 200 ℃로 가열된 핫플레이트에 에어로졸 상태로 분사하였다. 열에 의해 기화된 DMMP는 화학오염운을 형성하였는데, 이때 화학오염운에 미치는 바람의 영향을 최소화하기 위해 가로 × 세로 × 높이 약, 20 × 5 × 4 m의 바람막이 천막을 설치하였다. 실험시 환경은 기온 32 ℃, 상대습도 73.5 %, 풍속 1.5 m/s 이다.

DMMP 발생지점으로부터 약 30 m 떨어진 곳에 적외선 초분광분석장치를 지면으로부터 1.2 m 높이에 설치한 후 장치의 시야각 안에 DMMP 발생지점이 들어오도록 영상획득 방향을 조정하였다.

Fig. 2(b)에서 볼 수 있듯이 적외선 초분광 분석장치는 DMMP 발생지점 위 지면으로부터 1 m ~ 2 m, 너비 1 m 폭으로 시야를 확보하였다. 정전용량변화 검지형 센서는 UAV의 측면에 부착하였다. 매 실험에 앞서 2분간 화학오염운이 없는 곳에서 센서의 값을 확인하면서 안정화를 위해 대기하였다. 실험시작 후 DMMP를 발생시키고 적외선 초분광분석 장치로 확인하면서 접촉식 화학탐지 UAV를 화학오염운 방향으로 천천히 이동하였다. 이동 중 정전용량변화 검지형 센서의 탐지신호 발생 시 잠시 제자리에서 정지비행(hovering mode)을 하였다가 해당지역을 벗어나 센서를 회복시켰다.

이 과정을 3회 반복하여 실험하였고 DMMP 발생은 각각 실험 시작 후 120초, 240초, 360초에 이루어졌다.

DMMP 화학오염운 탐지를 위한 복합형 화학탐지실험 중 적외선 초분광분석 장치(HI-90)로 획득한 데이터를 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3(a)는 CCD 영상과 각 픽셀단위의 탐지결과이다. 영상 가운데에 사각형으로 표시된 영역이 시야각이다. 해당 영역에 대해서 픽셀단위로 흡수 스펙트럼을 분석하여 저장된 라이브러리와 비교한다. 이때 저장된 라이브러리 데이터와 탐지된 흡수 스펙트럼을 비교하는 알고리즘을 통하여 탐지된 물질을 식별하고, 탐지경보를 빨간색 점과 경보음을 이용하여 표시한다.

Fig. 3(b)는 경보가 울린 픽셀에서 탐지된 화학물질의 FT-IR 스펙트럼(red)을 라이브러리(blue)와 비교하여 도식화 하였다. 이때 측정 스펙트럼은 라이브러리에 있는 DMMP의 스펙트럼과 완벽히 일치하지는 않지만, 이는 확산농도, 습도 등 Library 작성 조건에서의 제어된 환경에서의 실험조건에 비하여 야외 측정환경이 다른 결과에 기인할 수 있다. 그러나 측정 목적으로 하는 DMMP에 대한 탐지결과로서 주파수 920 cm^-1와 1050 cm^-1 부근에서 주 피크가 정확히 탐지된 것은 탐지장비의 Library와 실제 실험결과를 비교하여 특정가스 존재여부를 판단하기에 충분한 결과라고 판단되는데, 실제 화생방 상황에서는 가스탐지 상황 시, 탐지대상을 수 종의 화학물질로 추정 및 확인하기 때문이다. 석유화합물과 같은 휘발성 유기물이 배경 물질로써 IR 탐지결과에 영향을 미칠 수 있으며 마찬가지로 접촉식 센서에도 영향을 미친다. 특정 화학작용제에 선택성을 갖는 다양한 소재의 접촉식 화학센서를 집합적으로 구성하는 배열형 탐지센서를 이용하여 식별능력을 높이는 연구가 진행되고 있으며^[18], 동시에 생성되는 다양한 탐지신호를 필터링하고 신호처리 하여 배경물질의 영향을 배제하고 특정가스를 식별해 내는 탐지신호 알고리즘 연구도 활발히 진행되고 있다^[19]. 따라서 본 논문의 운용개념에서 IR 영상탐지에 의해 오염운 존재를 확인 할 시 Libary로부터 즉시 가스종류를 식별하지 못하더라도 이어 뒤따르는 접촉식 탐지드론에 의한 2차 가스탐지 및 식별결과를 기대할 수 있다.

화학탐지 UAV의 정전용량변화 검지형 센서를 통하여 획득한 데이터를 Fig. 4에 챔버에서 실험한 참고 데이터와 함께 나타내었다. 그래프의 y축은 시간에 따른 정전용량 변화량(delta C, pF)을 의미한다. 실험에서 사용한 센서는 DMMP 접촉시 정전용량이 감소하는 특성이 있어, 아래로 향하는 피크가 있을 때, 탐지대상물질이 있다고 판단한다. Fig. 4의 (a) 그림에서 회색 아랫방향 화살표가 나타내는 지점은 DMMP 발생시점으로 각각 120초, 240초, 360초 이다. 그래프에서 회색 화살표 시점을 지나면 센서가 즉시 반응하기 시작하여 정전용량 값이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 그리고 노란색 화살표 지점은 화학오염운이 없는 곳으로 이동하기 시작한 시점으로, 노란 화살표 이후 정전용량값이 다시 회복되는 것을 알 수 있다. Fig. 4의 (b)에 나타낸 챔버 실험 데이터는 실험실용 소형 챔버에 센서를 놓고, 약 2 ppm의 DMMP 가스를 주입하여 측정한 결과이다. 챔버의 환경은 기온 25.5 ℃, 상대습도 26.8 %로 일반적인 실내의 상온이다. 야외실험을 진행했을 때의 환경과는 기온, 상대습도의 차이가 지만, 챔버 실험 데이터와 야외 실험 데이터를 비교하면, DMMP 접촉 시 하락했다가 화학오염 운으로 부터 벗어나면서 다시 회복하는 형태가 유사한 것을 확인할 수 있다. 그러나 Fig. 4의 (a)의 야외 실험 결과의 경우 측정 피크의 요동이 챔버 실험 결과와는 달리 상당한 요동이 있고 회복시간도 다소 지연되는 현상을 보이고 있다. 센서 신호의 요동은 UAV가 비행하며 발생하는 유동장 급변에 따라 센서에 접촉하는 화학오염운의 농도가 균일하지 않고 및 풍속에 의하여 센서 감도가 영향을 받는 것으로 보이며, 화학오염운 중심을 벗어났을 경우 센서 회복 시간이 챔버 실험의 경우보다 길어지는 것은, 챔버 실험의 경우 센서가 오염 환경에 노출된 후 비오염 환경으로 전환되어 센서의 성능회복이 신속하게 이루어지는 반면에 본 야외실험 환경의 경우, 유동하는 대기 및 UAV에 의하여 증기가 확산하여 오염 영역이 넓어지므로 제한된 실험 영역에서 오염 농도 차이는 있으나 오염/비오염 경계가 명확하지 않고 UAV의 비오염 지역으로의 이동에도 불구하고 화학오염운과 UAV에 탑재된 센서의 접촉이 일부 이루어지고 있는 결과로 추정된다. 상기의 탐지신호 요동 현상은, 오염운 크기가 매우 커서 탐지센서 주변 오염농도가 UAV에 의한 유동장 변화에도 불구하고 균일할 경우 감소될 것으로 판단되며, 탐지신호에 노이즈 필터링 기술 및 최근 활발하게 연구되고 있는 탐지신호 처리기술이 적용될 경우 가스 식별성 향상과 함께 깨끗하고 정확한 탐지피크 획득이 가능할 것으로 예상된다^[19]. 탐지센서의 반응시간은 야외실험과 챔버실험 모두 2초 이내로 즉각적 반응 결과를 나타났다. 한편, CNT 기반 가스탐지 센서는 습도와 온도의 영향을 받으므로 측정환경에 따라 탐지신호의 크기가 달라질 수 있는데, 특히 습도의 영향이 커서 습도 센서로 연구되기도 한다^[20∼22]. 그러나 측정환경에 따라 감도 및 신호 크기는 다를 수 있으나 오염 유/무 판단 및 탐지센서로 적용이 가능하다.

본 연구에서, 원거리와 접촉식 탐지방식을 이용하여 DMMP 화학오염운을 탐지한 결과, 두 가지 탐지방식 에 의한 DMMP 증기 탐지결과 모두 신속하고 명확한 탐지결과를 획득할 수 있었다. 특히 접촉식 화학탐지 UAV는 센서의 탐지결과와 GPS좌표 등 비행정보를 함께 전송하여 화학오염운의 정확한 위치를 실시간으로 확인할 수 있다.