국내의 지중송전선로는 설치 이후 계속되는 기술개발과 배전선로의 지중화율이 증가함에 따라 유지 및 보수의 중요성이 커지고 있다. 지중송전선은 지하에 선로를 매설하여 자연재해로부터 영향이 적다는 장점이 있으나 고장 지점을 발견하기 어렵다는 단점이 있다. 지중송전선은 절연물질과 금속 등의 다양한 물질이 여러 겹의 층으로 이루어져 있는데 가장 겉인 피복층이 손상을 입었을 경우에는 육안으로 쉽게 발견이 가능하지만 내부 결함은 확인하기 어렵다. 따라서 지중송전선 내부 층의 결함을 비파괴 방법으로 확인하는 기술 개발이 필요한데 이와 관련하여 전자기파를 이용한 비파괴 검사법이 제시되고 있다 [1–4].

테라헤르츠파(Terahertz wave)는 파장이 수 백 마이크로미터이고 진동수가 10¹² Hz인 전자기파(주파수 = 1 THz, 파장 = 0.3 mm, 광자에너지 = 4 meV) 로 마이크로파와 적외선 사이 영역에 있으며 전파의 투과성과 광파의 직진성 모두 가지고 있다 [5]. 특히 종이, 옷감, 세라믹, 플라스틱과 같은 절연 물질을 잘 투과하는 반면 금속은 잘 반사하는 특성을 지니고 있어 가시광 및 적외선 등 다른 주파수 영역대의 전자기파에 비해 금속과 절연물질 구분에 있어서 장점을 지닌다. 또한 테라헤르츠파 영역에는 분자의 진동 및 회전과 관련된 공진 모드들이 존재하여 물질마다 다른 흡수 스펙트럼을 보이므로 테라헤르츠파 분광법을 이용한 생화학 분자들의 구분 및 검출 연구가 활발히 수행되고 있다[6]. 특히, 테라헤르츠파는 X선에 비해 광자 에너지가 매우 작아 구조물이나 인체의 세포 등의 물질에 손상을 주지 않으며, 테라헤르츠파의 파장인 수 백 마이크로미터의 해상 도로 투과 및 반사 이미지를 얻을 수 있다는 것이 특징이다. 이러한 특성으로 테라헤르츠파를 이용한 의료용 진단 기기, 식품 검사, 보안 검색대, 구조물 등의 비파괴 검사 등 다양한 분야에서 관련된 연구가 진행되고 있다 [7–11]. 최근에는 전력 연구와 관련되어 송전 및 배전에 필요한 부품에 대해 테라헤르츠파 비파괴 검사를 이용하여 내부 결함을 파악하는 방법이 시도되고 있다 [2–4].

본 연구에서는 발전기 및 전동기의 실제 권선 샘플을 확보하여 이를 구성하고 있는 부품 중 피복의 테라헤르츠파 투과 특성을 측정함으로써 테라헤르츠 영역대에서의 복소굴절률을 얻을 것이다. 나아가 펄스형 테라헤르츠 시분해 분광학 이차원 이미징 방법을 이용하여 권선 샘플 결함의 한 종류인 피복의 홈 여부를 진단하고 투과 측정과 굴절률 값을 이용하여 홈 깊이를 측정한 결과를 제시할 것이다. 이를 통해 테라헤르츠파 영역대에서 지중송전선 부품들의 광학적 특성 분석을 바탕으로 각 부품의 물리, 화학적 결함을 진단하고 측정하는 테라헤르츠파 기반 비파괴 검사법이 유용하게 활용될 수 있음을 보여준다.

Figure 1은 실험에 사용한 펨토초 레이저 기반의 펄스형 테라헤르츠파 시분해 분광학 장치의 모식도이다. 그림과 같이 중심 파장 800 nm, 반복률 80 MHz, 펄스폭 100 fs인 펨토초 레이저 빔은 펄스형 테라헤르츠파 발생과 검출을 위해 빔분리기를 통해 두 갈래로 나뉜다. 본 실험에서는 펄스형 테라헤르츠파를 생성하기 위해 저온 성장 갈륨 비소 (LT-GaAs) 를 이용한 광전도 안테나법 (Photoconductive Antenna)을 사용하였다 [12–14]. 빔분리기에서 갈라진 빔 하나를 직류 전압이 걸린 LT-GaAs에 조사하면 LT-GaAs 표면에서 전하가 여기되고 가해진 직류 전압으로 인해 가속이동하여 펄스 폭이 약 1 ps 전자기파인 펄스형 테라헤르츠파가 발생하게 된다. 발생한 펄스형 테라헤르츠파는 두 개의 포물면거울(parabolic mirror)에 반사되어 샘플 위치에서 1 mm 정도 크기의 초점을 형성하고 샘플을 투과한 테라헤르츠파는 다른 두 개의 포물면거울을 통해 펄스형 테라헤르츠파 검출 부분에 도달하게 된다. 펄스형 테라헤르츠파 검출 방법으로는 결정 방향이 ⟨110⟩이고 두께가 1 mm인 ZnTe 비선형 크리스탈을 이용한 전광샘플링 방법(Electrooptic sampling)을 사용하였다 [15,16]. 샘플을 투과하고 두 개의 포물면거울을 지난 뒤 ZnTe에 입사한 테라헤르츠파의 전기장은 Pockels 효과에 의해 ZnTe의 굴절률을 변화시킨다. 이 때 빔분리개에서 나뉜 다른 하나의 펨토초 레이저빔을 테라헤르츠파와 같은 길이의 광경로를 지나게 하여 동시에 ZnTe에 조사시키면 전파 방향에 수직한 두 편광 성분은 서로 다른 굴절률을 겪게 되어 두 성분 사이에 위상지연이 발생한다. 결과적으로, 테라헤르츠파의 전기장으로 인해 선편광된 펨토초 레이저 빔이 ZnTe를 통과함으로써 타원편광으로 바뀌고 이는 /4 파장판과 Wollaston prism에 의해 두 편광 성분으로 나뉘어지는데 이를 두 개의 광다이오드로 검출한다. 두 광 다이오드에서 측정된 펨토초 레이저 두 편광 성분의 세기 차는 테라헤르츠파 전기장 값에 비례하므로 검출용 펨토초 레이저 빔을 테라헤르츠파 펄스에 대해 경로 차를 주면 시간에 따른 테라헤르츠파의 전기장 값을 얻을 수 있어 테라헤르츠파 시분해 분광 실험을 수행할 수 있다 [16].

Figure 1. (Color online) Schematic diagram of terahertz time-domain spectroscopy setup. Single cycle terahertz pulse is generated by biased LT-GaAs and detected via electro-optic sampling method using 〈110〉-oriented ZnTe nonlinear crystal.

샘플을 투과한 테라헤르츠파의 이차원 이미징을 획득하기 위해 Fig. 2(a) 에서 보는 것처럼 샘플 스테이지는 테라헤르츠파 입사 방향에 수직한 두 개의 축으로 움직이는 이차원 이미징 자동화 시스템을 사용하였다.

Figure 2. (Color online) (a) Photograph of the experimental setup of terahertz imaging system. (b) A part of an underground transmission line sample. (c) The corresponding schematic of the internal structure.

본 연구에서는 실제 사용되는 발전기 및 전동기의 권선을 적당한 크기로 절단한 샘플을 확보하여 측정 샘플로 사용하였다. 확보한 권선 샘플은 여러 개의 구리선과 이를 둘러싼 절연물질인 피복으로 이루어져있다. Figure 2(b)와 (c)는 각각 실제 권선 샘플을 절단한 단면의 사진과 모식도를 보여준다. 테라헤르츠파 투과 측정을 통한 광특성 분석을 위해 피복과 구성 물질을 분리하였다. 권선 샘플 피복의 경우 결함의 한 종류인 홈의 여부 진단을 위한 테라헤르츠파 투과 이차원 이미징 실험을 수행하기 위해 피복 일부분을 절단한 후 그라인더로 샘플 표면에 일직선으로 1 mm 폭을 가지고 두 가지 깊이를 가지는 홈을 만들어 인위적으로 결함을 가진 샘플을 제작하였다.

1. 테라헤르츠파 투과 측정을 통한 광 특성 분석 방법

테라헤르츠파 시분해 분광법은 샘플을 투과한 테라헤르츠파의 시간에 따른 파형을 측정하고 퓨리에 변환을 통해 테라헤르츠파 투과 펄스의 주파수에 따른 진폭과 위상 정보를 획득할 수 있는 분광법이다. 실험에서 얻은 진폭과 위상 정보와 프레넬 계수를 이용한 전자기파의 투과 이론식을 통해 물질의 복소굴절률 획득이 가능하다. 샘플을 투과한 테라헤르츠파 투과 펄스 측정을 통한 주파수에 따른 복소굴절률 획득 과정에 대한 자세한 설명은 다음과 같다.

테라헤르츠 시분해 분광학을 통해 공기와 샘플을 지난 테라헤르츠파 펄스 E(t) 를 측정하고 퓨리에 변환을 이용하여 주파수에 따른 테라헤르츠파 투과 전기장 E˜(ω)=A(ω)eiϕ(ω) 의 진폭과 위상 정보를 통해 샘플의 투과율 ρ(ω)=Asample(ω)/Aair(ω) 과 위상차 Δϕ(ω)=ϕsample(ω)−ϕair(ω) 를 획득한다. 이는 공기를 기준으로 샘플을 투과한 테라헤르츠파의 투과율과 위상 지연을 의미한다. 이와 같이 실험을 통해 얻은 샘플의 투과율/위상차 값과 전자기파 투과 이론식을 이용하여 복소굴절률을 얻을 수 있다.

Figure 3은 복소굴절률이 n˜s(=ns−iks) 이고 두께가 d인 물질에 전기장이 Einc(=E0ei(k0z−ωt))인 전자기파가 입사되어 투과하는 현상을 나타낸 그림이다. 샘플을 투과한 전기장 E˜s (Fig. 3(a))과 샘플과 같은 두께의 공기를 통과한 전기장 E˜ref (Fig. 3(b))은 그림에서 보는 것과 같이 물질 i 에서 j 로 전자기파가 투과할 때 경계면에서의 투과 계수를 나타내는 프레넬 계수 tij=2n˜in˜i+n˜j 와 전파계수 e−in˜i,jωcd 로 나타낼 수 있다. 이때 n˜i,j 는 물질 i 와 j(공기 혹은 샘 플)의 복소굴절률, ω는 입사하는 전자기파의 각진동수, c는 공기에서의 빛의 속도를 나타낸다. 본 연구에서 사용한 권선 샘플의 경우 샘플 내부에서 다중 반사가 일어난 후 투과한 전기장 펄스가 샘플 내부 반사없이 투과한 전기장 펄스로부터 충분히 구분 가능할만큼 샘플 두께가 두꺼우므로 퓨리에 변환시 다중 반사로 인한 투과 펄스를 제외하고 분석하였다. 따라서 실험에서 정의한 샘플의 투과율 ρ(ω) 과 위상차 Δϕ(ω)와 관련된 이론식은 다음과 같다.

Figure 3. Schematic diagram of electromagnetic waves transmitted through (a) a sample with a thickness of d and a complex refractive index of n˜s, and (b) air.

이때 샘플의 복소굴절률의 실수부 ns 가 허수부 s 보다 매우 클 때 (ns ≫ s) 다음과 같이 근사 가능하다.

따라서 위상차 Δϕ(ω)의 측정값을 이용하여 샘플의 복소굴절률 실수부 ns 를 얻고 투과율 (ω)의 측정값과 획득한 ns 를 이용하여 복소굴절률 허수부 s 를 다음과 같이 얻을 수 있다.

2. 지중송전선의 테라헤르츠파 투과 측정을 통한 광특성 및 결함 분석

Figure 4(a) 는 권선 피복의 테라헤르츠파 투과 측정을 위해 적당한 크기로 절단한 권선 샘플의 피복을 분리한 사진이다. 테라헤르츠 시분해 분광학을 이용하여 대략 4 mm 의 두께를 지닌 권선 피복에 그림과 같이 테라헤르츠파를 입사시키고 권선 샘플의 내부 반사 없이 피복을 두 번 투과한 테라헤르츠파의 전기장을 측정하였다. Figure 4(b)는 4 mm 두께의 권선 피복을 두 번 투과한 테라헤르츠 펄스(빨강)와 권선 샘플이 없을 때, 즉 공기를 통과하는 테라헤르츠 펄스(검정)의 시간에 따른 값을 나타낸다. 공기를 통과하는 테라헤르츠 펄스에 비해 샘플을 투과한 테라헤르츠 펄스는 시간상에서 28.0 ps 더 뒤에 나타나고 펄스 폭이 좀 더 넓어지면서 펄스의 모양 또한 달라진 것을 볼 수 있다. Figure 4(c) 는 측정한 테라헤르츠 펄스를 퓨리에 변환을 통해 앞서 정의한 주파수에 따른 샘플의 투과율(위)과 위상차(아래) 그래프를 보여준다. 그래프에서 보는 것과 같이 위상차는 주파수에 따라 선형 함수를 보여주고 투과율은 고주파수일수록 작은 값을 갖는다. 이는 샘플에 의한 위상 지연 효과가 주파수에 따라 선형적으로 증가함을 의미하고 고주파수일수록 샘플에 의한 테라헤르츠파의 흡수가 크다는 것을 의미한다. 이와 같이 고주파수에서의 높은 흡수로 인해 샘플을 투과한 테라헤르츠 펄스의 폭이 넓어진 것을 알 수 있다. 앞서 설명한 이론식을 이용하여 실험에서 측정한 투과율과 위상차를 통해 주파수에 따른 권선 샘플 피복의 복소굴절률 실수부와 허수부를 획득하였다. 이때 샘플을 두 번 통과하는 효과를 고려하였다. Figure 4(d)는 테라헤르츠 주파수 영역에서 도출한 권선 샘플 피복의 복소굴절률 실수부와 허수부 그래프인데 이를 통해 0.4 THz 근방에서 실수부의 경우 n_s ~ 2.05, 허수부의 경우 κ_s ~ 0.05라는 것을 확인할 수 있다.

Figure 4. (Color online) (a) Cable sheath sample of an underground transmission line (b) Terahertz pulses transmitted through air (black) and sample (red). (c) Transmitted amplitude (upper) and phase difference (lower) obtained by Fourier transform of terahertz pulse data. (e) Real (solid line) and imaginary (dotted line) parts of complex refractive index of the sample.

권선 피복이 지닐 수 있는 결함의 한 종류인 홈의 유무 및 깊이 진단 실험을 위해 Fig. 5(a)와 같이 폭이 약 1 mm이고 깊이가 다른 두개의 홈을 인위적으로 제작한 샘플의 테라헤르츠파 투과 실험을 수행하였다. 우선 결함 진단의 첫 번째 단계로 샘플을 투과한 테라헤르츠파의 이차원 이미징을 통해 홈의 유무와 위치를 확인할 수 있다. Figure 5(b)는 (a)에 표시된 점선 영역의 샘플 사진(위)과 동일한 부분의 테라헤르츠파 투과 이미징 데이터(아래)이다. 이미 징 영역의 넓이는 10 mm × 5 mm이고 0.5 mm 간격으로 측정하였다. 대표적 다섯 영역에서의 테라헤르츠파 투과 펄스는 Fig. 5(d)에 제시되어 있다. 이미징 데이터에서의 밝기 정도는 투과한 테라헤르츠 펄스를 제곱하고 이를 시간에 따라 모두 더한 값으로 나타내었다. 따라서 어두운 부분은 테라헤르츠파의 흡수가 큰 샘플을 길게 통과하여 작은 테라헤르츠파의 투과량 값을 보여주고 밝을수록 테라 헤르츠파가 같은 샘플을 더 짧게 통과하여 상대적으로 큰 투과량 값을 보여준다. 이는 결함이 없는 어두운 부분을 기준으로 밝게 나타나는 부분에 상대적으로 굴절률이 작은 공기의 부분이 더 많음을, 즉 홈이 존재한다는 것을 의미하고 이미지상에서 밝을수록 피복의 두께가 얇다는 것을 의미하므로 홈의 깊이가 더 크다는 것을 의미한다. 실험에 사용한 샘플의 경우 두 개의 홈 중 오른쪽 홈이 더 밝은 이미지를 나타내므로 홈의 깊이가 더 크다는 것을 이미지를 통해 확인할 수 있다. 이와 같이 1 mm 이하의 해상도를 지닌 테라헤르츠파 투과 이미징 데이터를 통해 권선 샘플 피복의 홈의 유무 및 위치를 일차적으로 판단할 수 있다.

Figure 5. (Color online) (a) Photograph of the sample with defects for terahertz imaging experiment. (b) Photograph of the sample and the corresponding two-dimensional image of terahertz transmission. The imaging area is 10 mm by 5 mm. (c) Schematic of terahertz pulses transmitted though materials with various thicknesses. (d) Terahertz pulses transmitted through air (black) and the sample at five different points depicted in the figure (b).

결함 진단 두 번째 단계는 홈의 깊이 측정이다. Figure 5(c)에서 보는 것과 같이 테라헤르츠파 흡수가 큰 물질의 얇은 부분을 통과할수록 테라헤르츠 펄스의 시간 지연 효과가 작아진다. 이는 굴절률을 고려한 테라헤르츠파의 총 광경로 차로 인해 생기는 현상이다. 따라서 홈이 존재하는 곳은 테라헤르츠 펄스가 피복의 얇은 부분을 지나가게 되므로 시간 지연 값이 상대적으로 작게 된다. 즉 테라헤르츠 펄스의 시간 지연 값과 앞서 구한 피복의 굴절률을 통해 홈의 깊이를 측정할 수 있다. Figure 5(d)는 Fig. 5(b)에 표시되어 있는 결함 근처 다섯 영역에서의 테라헤르츠 전기장의 투과 펄스이다. 결함이 없는 1, 3, 5번 위치에서는 샘플이 없이 공기를 통과하는 테라헤르츠 펄스(검정)에 비해 13.8 ps (1번), 13.5 ps (3번), 13.7 ps (5번) 뒤에 테라헤르츠 투과 펄스가 관측된다. 굴절률 n_s 이 2.05인 피복의 특성과 시간 지연 식인 (n_s - 1)d = cΔt 을 통해 각 영역에서의 피복 두께 d가 3.94 mm, 3.86 mm, 3.91 mm로 대체로 3.9 mm 정도인 것으로 확인 가능하다. 여기서 Δt는 시간 지연 값이다. 홈이 존재하는 2번과 4번 위치에서는 결함이 없는 1, 3, 5번 위치에서보다 시간 지연이 덜 일어나는 것을 볼 수 있고 특히 4번의 경우 시간 지연 값이 더 작은 것으로 보아 홈의 깊이가 더 크다는 것을 예측할 수 있다. 2번, 4번 위치에서의 각 시간 지연 값 2.45 ps, 0.8 ps을 통해 피복의 두께가 각 0.7 mm, 0.25 mm 임을 알 수 있다. 즉 피복 두께 3.9 mm 기준으로 홈의 깊이가 각 3.2 mm와 3.65 mm 정도 임을 예측할 수 있다. 이와 같이 펄스광 테라헤르츠 시분해 분광 이미징 실험을 통해 권선 샘플의 결함 유무 및 위치를 일차적으로 진단하고 결함이 없는 곳과 있는 곳의 테라헤르츠 펄스 데이터 비교를 통해 권선 샘플의 결함 정도를 정량적으로 분석할 수 있다. 본 연구에서는 권선결함의 대표적 예로 피복의 홈을 진단하고 측정하였지만 권선 피복 혹은 내부의 물리, 화학적 변화 또한 테라헤르츠 주파수 영역에서의 복소굴절률 값을 변화시킨다. 따라서 펄스광 테라헤르츠 시분해 분광 이미징을 이용하여 이러한 복소굴절률 값의 변화로 인한 테라헤르츠파의 투과율 및 시간 지연을 측정함으로써 다양한 종류의 결함을 진단하고 정량화 할 수 있을 것으로 기대한다. 나아가 테라헤르츠 주파수 영역에서 지중송전선을 구성하는 부품의 복소굴절률 값 데이터베이스화를 바탕으로 내부 결함을 진단하고 파악할 수 있는 비파괴 검사법으로 응용가능성이 있음을 기대할 수 있다.

본 연구에서는 테라헤르츠 시분해 분광법을 이용하여 권선 샘플 피복의 테라헤르츠파 투과율을 측정하고 이를 이용하여 주파수에 따른 복소굴절률을 얻었다. 이를 바탕으로 권선 피복에 결함의 한 종류인 폭이 1 mm인 홈을 인위적으로 제작하여 테라헤르츠 이차원 이미징 시스템을 통해 홈의 위치를 파악하고 테라헤르츠 펄스 시간 지연값을 통해 홈의 깊이를 측정할 수 있었다. 테라헤르츠 펄스의 시간 지연분해능 0.1 ps 값은 0.03 mm의 분해능으로 홈의 깊이를 판단할 수 있음을 의미한다. 나아가 펄스폭이 작은 고주파수 테라헤르츠파 펄스를 이용하면 분해능이 향상될 것으로 기대한다. 본 연구를 통해 테라헤르츠 시분해 분광법 및 이미징 시스템은 전력 부품 및 설비에 사용되는 물질의 특성을 파악하고 다양한 결함 여부 및 평가가 가능함을 확인하였다. 나아가 본 연구와 같이 실제 전력산업에서 사용되는 부품의 테라헤르츠 영역대에서의 광특성 데이터베이스화를 바탕으로 내부 부품에 있는 결함의 구조를 파악하는 비파괴검사로 활용할 수 있을 것이다.

본 연구는 한국전력공사의 2018년 착수 사외공모 기초연구(단체)에 의해 지원되었습니다(과제번호: R18XA06-79).