스위스, 미국 등에서 드론 이용 가스누출 검사
많은 국가와 기업들이 드론 활용 가스장비 개발
현장에서 활용될 수 있도록 성능·가격 부합돼야

I. 서 론

무인 항공기(unmanned aerial vehicle, UAV)는 조종사가 탑승하지 않고 무선전파 유도에 의해 방행과 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터의 모양의 무인기를 뜻하는 데, '벌이 날아다니며 웅웅대는 소리‘에 착안해 ’드론(Drone)‘으로 불리어지고 있다고 한다.

드론과 관련 기술은 4차 산업혁명 시대에 인공지능(AI, Artificial Intelligence)과 함께 가장 이슈가 되고 있는 기술 분야 중의 하나이다. 어쩌면 세상을 바꿀 기술이 아닌가 생각해 본다.

초기에는 군사용으로 감시, 정찰 및 정밀 타격 등으로 개발되었던 드론은 대중적인 취미뿐만 아니라 4차 산업혁명과 더불어 안전관리 분야 등 다양한 산업에서 활용되고 있다. 예를 들면, 미국의 의약품 및 구호품 전달, 월마트의 블록체인 기반 배송용 드론, 애틀랜타 공항의 활주로 관리용 드론, 중국의 드론 택시, 아마존의 머신러닝을 이용한 소음감시 드론, 기상 및 농업용 드론, 스포츠 중계 드론, 서핑 드론, 재난현장에서의 탐사보도 및 가스누출 측정 드론들과 수직이착륙 드론, 수소연료전지를 이용한 장거리 비행가능 드론, 수중부유 드론, 수중 드론, 주행과 비행이 가능한 드론, 태양광을 이용한 잠자리 드론, 무게 18g인 노르웨이의 군사용 나노드론까지 너무나 다양한 용도와 형태의 드론이 등장하고 있다.

한편 산업안전관리 분야에서는 드론에 열 영상 카메라를 장착하여 전기 철탑의 열과 손상 부위를 감시하거나 대형 공장시설 굴뚝의 유해물질 감시, 가스・오일 분야에서는 대형 파이프라인의 가스누출 상태, 석유화학플랜트의 외관손상상태와 열 분포 상태를 감시하고 있다. 요즈음은 타 드론의 접근과 감시를 위한 드론 레이더와 불법 드론을 탐지 및 식별하고 무력화하는 안티드론도 개발되고 있다.

드론의 용도와 종류, 크기가 더욱 세분화 되고 있으며 향후 지금보다 더 다양한 용도와 종류로 확대될 것으로 전망된다.

이러한 드론의 세계시장 규모는 해외드론 전문 통계기관(Drone Report)에 의하면 2024년까지 431억 달러(약 50조)에 이를 것으로 전망하고 있다. 드론과 함께 배터리, 센서, 카메라, 짐벌 등의 기술 발달과 세계시장규모도 주목할 만하다.

II. 본 론

드론 산업이 4차 산업의 뜨거운 열기와 함께 날마다 성장하고 있는 이때 본고에서는 드론을 이용한 체공 상태에서 원거리 가스누출검사 기술과 개발에 대하여 기술해 보고자 한다. 가스안전관리 분야에서는 교량첨가 배관, 고층 건물의 입상배관, 대형 가스플랜트의 배관이나 밸브, 고지대에 설치된 가스시설이나 광범위하게 설치되어 있는 가스저장탱크 등의 외관 손상 상태와 가스누출 검사 및 점검은 직접 검사에 의한 한계가 있어 드론을 활용한 가스안전검사 방법을 활용할 경우 매우 효율적일 것이다.

1)드론을 이용한 가스누출 검사 기술 동향

드론을 이용한 가스누출 검출 장비에 대한 국외 기술 동향은 스위스 Pergam사에서 일본산 원거리 레이저 가스검지기를 드론에 장착한 ’Gascopter‘를 시판하고 있으며, 블루투스 통신을 이용하여 스마트기기에서 가스누출 데이터를 확인하고 있다. 무게는 600g, 배터리 수명은 5시간 지속 된다고 홍보하고 있다.

Bridger Photonics사는 드론을 이용한 메탄누출 검지기를 개발하여 미국 남캘리포니아 가스저장탱크 시설을 검사하고 있다. 미국 DOE(Department of Energy)의 천연가스 생산지에서 2%가 누출상태로 낭비되고 있다고 보도하며 드론을 이용한 메탄누출 검사장비에 후원을 하고 있다. 이 장비의 사양은 다음과 같다.

미국 Viper Drones LLC에서는 FLIR G300a 광학가스 이미징 카메라를 드론에 탑재하여 체공 상태에서 가스누출탐지를 수행하는 드론을 출시하고 있다.

2)드론을 활용한 가스누출 검사장비 개념 및 설계 방향

위와 같이 세계 주요 나라에서 드론을 이용하여 가스누출 상태를 탐지하는 장비들에 대한 사례를 살펴보았다. 상기 외 수많은 나라와 기업들에서도 드론을 위와 유사한 다양한 종류의 가스누출장비를 개발하고 있다.

드론을 활용한 가스누출장비에는 가스누출 측정 장치가 장착되어야 하는 데, 레이저를 이용한 원거리 가스누출 센서 모듈이나 온도차를 이용한 열화상 카메라 장착된다. 가스누출 센서는 간단한 레이저 모듈 형태로 장착되거나 시중에 시판되는 레이저 가스검지기를 그대로 장착하거나 흡입식 가스검지기를 장착하여 드론이 착륙하거나 한 지점에 머무르면서 측정하는 경우가 많다.

필자는 다양한 가스누출검지기 등 가스안전검사장비 개발에 15년 동안 연구를 진행하면서 방식전위측정기, 레이저 메탄검지기, 적외선 가스누출검지기 등 여러 장비를 가스안전관리 현장에 보급하고 있다. 기본적으로 드론을 활용한 가스누출검사 장비는 현장에서 활용될 수 있도록 성능, 기능, 가격 등이 부합되어야 한다고 생각한다. 현장검사원들에게 너무 고가의 장비를 보급하여도 분실 우려 등으로 인하여 사용하기를 꺼리는 경우가 있다. 이러한 측면에서 볼 때 온도차에 의해서 가스누출을 검사하는 열화상 카메라는 고분해성이어야 하는 데, 고분해성 카메라는 가격이 비싸서 드론에서 이탈되어 떨어질 경우 파손 또는 분실되어 개인이 보상해야 하는 불편함이 있다.

따라서 레이저를 사용하는 가스센서 모듈을 장착하고 저가형 열화상 카메라를 장착하여 보완하는 구조의 형태를 제안한다. 그리고 무선통신을 이용해서 지상에서 원격으로 실시간 가스누출 여부와 농도데이터를 수신하여 가스누출 상태와 지점을 확인할 수 있는 기능이 되어야 한다.

또한 국내외 여러 기관에서 열화상카메라를 탑재하여 가스누출 검사를 위한 시범사업이나 행사를 많이 하고 있는데, 고해상도가 아닌 열화상카메라는 줌 기능을 사용하면 이미지가 너무 많이 확대되어 해상도가 흐려지므로 가스누출여부 판별이 곤란하며, 대부분 오프라인으로 확인하는 경향이 많으므로 불편함이 있다. 드론에서는 동체가 자유자재로 움직이기 때문에 짐벌과 카메라의 촬영속도가 유기적으로 동작이 되어야 한다. 이럴경우 가격과 비싸지므로 특수용도에 따라 사용하는 것이 바람직하다.

상기 개념을 토대로 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 지원으로 ’Smart Drone 기반 고층 건물 및 교량첨가 배관 검사장비 상용화 개발(2018.5~2021.4)‘까지 주관기관 선두전자(주), 참여기업 ㈜월드아이, 참여기관 한국가스안전공사가 컨소시엄을 형성하여 개발에 박차를 가하고 있다. 체공상태에서의 드론 탑재형 원거리 레이저 메탄가스 누출 검사 및 진단 장비의 개념은 아래 그림과 같다.

3)원거리 가스(CH4) 검출

드론의 기술은 많은 진보를 거듭하였지만, 레이저를 이용한 원거리 가스검출 기술은 가스의 선택성, 정확도, 검출거리, 반응속도, 저농도 영역 검출 기술에 관하여는 국내는 물론 해외 기업들도 여전히 개선 중이다. 드론을 이용하여 체공상태에서 메탄을 검출하는 장비는 지상에서 사용하는 것과는 달리 여러 가지 제약사항이 존재하여 매우 주의 깊은 개발이 필요하다. 먼저 비분산 적외선 레이저를 이용한 검지기는 레이저 빔을 측정 대상 체에 조사(照査)하여 직접 돌아오는 빛이나 산란되어 돌아오는 빛의 양을 받아서 그 세기(intensity)를 측정하고 그 농도를 연산해야 하므로 여기서 필요한 이상적인 시간은 약 2초이다. 약 2초 동안 드론은 체공상태에서 흔들림 없는 상태로 같은 지점에서 대기해 주어야 한다. 비록 드론은 짐벌(Gimbal)이라는 장치를 사용하여 드론은 흔들리더라도 장착된 카메라는 흔들리지 않도록 하지만, 레이저 메탄검지기는 매우 민감하여 짐벌로는 고정하기 어렵다.

그러나 한 가지 더 심도 있게 고찰해 보아야 할 사항이 있다. 기존 미국, 일본, 한국에서 개발한 레이저 메탄검지기는 비분산형 적외선 레이저(non-dispersive IR Laser)를 사용하고 있다. 아래 <그림 2>에서와 같이 기존 비분산 적외선 레이저 방식은 배관의 관경이 굵거나 바람이 진동에 의해 드론이 흔들릴 때는 왼쪽그림과 같이 가스를 검출할 수 없다. 만일 2회 3회를 반복하여 옆쪽으로 이동하여 측정할 수는 있으나 시간이 오래 걸리고 번거로울 수 있다. 반면 오른쪽 그림의 분산형 적외선 레이저 방식은 배관 관경의 전 영역을 탐지할 수 있고, 시간도 단축된다.

본고에서 필자가 설계하고자 하는 방식은 부분 분산형 적외선 레이저 방식 센서를 사용하거나 복합형으로 레이저 센서를 개발하여 적용하고자 한다. 또한, 가스안전관리 현장에서 근무하는 검사원들은 드론 조종기술이 최상급이 할 수 없으므로 배관의 넓은 지역을 측정할 수 있는 레이저 센서가 더 효율적이라 판단된다. 이러한 현장 여건을 반영하는 장비를 개발해야만 실제 현장에서 적용할 수 있을 것이다. 만일 드론에 광학식 가스누출 카메라를 장착하여 가스누출 검사를 할 수 있으나 카메라의 무게가 무거워 짐벌과 드론의 크기가 커지고 또한 배터리의 용량도 증대되어야 하는 제약사항이 있고, 또한 고가의 적외선 가스누출 카메라 비용으로 인한 장비가격이 상승되어 현장에 저가형으로 보급하기 어렵다. 게다가 고용량의 영상을 압축하여 지상이나 서버로 전송 및 수신하여 가스배관의 크랙 등 외관 상태를 분석해야 하므로 고속 통신 속도와 영상처리 기술이 없으면 오프라인이 아닌 실시간으로 현장에서 곧바로 확인하기에는 어려움이 있다.

III. 결 론

드론을 이용한 체공상태에서 실시간 가스배관이나 시설을 검사를 위한 장비는 흔들림이 최소화 되는 드론과 배터리 저장 용량이 크고 수명을 늘리는 기술이 필요하다는 것을 고찰하였다. LMD의 소형화 기술과 비분산 및 분산 융합형 레이저 메탄검지기의 검출 능력과 초기 반응속도가 우수해야 하며, 영상 압축 및 해독 기술, 무선 데이터 송수신 기술, 실시간 영상 판독 및 가스농도 디스플레이 기술들이 조화롭게 통합되어야 한다. 드론은 인공 지능적으로 공중에서 장애물 회피 기술이 보다 더 개발되어야 하고 쉽게 지상으로 떨어져서는 안 된다.

결론적으로 상기 기술한 바와 같이 대형 교량첨가배관이나 고층 높이의 가스시설의 가스누출을 검사하려면 드론과 레이저 가스검지, 데이터 전송 및 디스플레이 기술과 시스템 통합 기술 등 여러 요소가 통합으로 완성도가 극대화되었을 때, 가스안전관리 효율과 가스사고 예방의 시너지 효과를 높일 수 있으며, 나아가서는 글로벌 기술 우위 선점과 이머징 마켓을 점유할 수 있다.