KR102312366B1 - 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도로구조물의 표면 광촉매 잔량의 반사도 특성을 분석하여 표면 광촉매 마모 정도를 비파괴 방법으로 용이하게 평가할 수 있도록 한 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법에 관한 것으로, 이동장치에 초분광 센서를 설치하여 미세먼지 저감을 위한 광촉매 도로 구조물 표면의 반사도를 산출함으로써, 광촉매 도로 구조물이 차량 하중 및 외부환경으로부터 마모될 경우, 광촉매 도로 구조물 표면에서 어느 정도 양의 광촉매가 마모되었는지 평가하는 비파괴 방법으로 장기적으로 표면 광촉매를 모니터링하여 경제적인 관리 및 유지보수가 용이하도록 한 것이다.

Description

초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법{System and Method for evaluating residual photocatalyst of road structure using a hyperspectral sensor}
본 발명은 광촉매 잔량 평가에 관한 것으로, 구체적으로 도로구조물의 표면 광촉매 잔량의 반사도 특성을 분석하여 표면 광촉매 마모 정도를 비파괴 방법으로 용이하게 평가할 수 있도록 한 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 산업화 및 공업화로 미세먼지 발생량이 증가하고 있다. 질소산화물(NOx)은 미세먼지를 유발하는 물질이고, 특히 도로에서 자동차 운행과정을 통해 상당량의 NOx가 대기 중으로 배출되고 있어 이러한 NOx가 도로 구조물 표면에 반복적으로 축적되는 실정이다.
국내등록특허 제10-2057419호는 광촉매 작용을 이용하여 대기 중의 미세먼지 유발물질인 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있는 미세먼지 저감 보, 차도용 블록이 개시되어 있고 침상형 나노 이산화티탄(TiO2)을 함유하는 광촉매 코팅을 보, 차도 블록에 코팅하여 반영구적으로 광촉매 기능을 수행할 수 있도록 한다.
국내등록특허 제10-1961680호는 자동차의 배기 가스 및 미세먼지 같은 기체상 오염물질을 제거하기 위한 도로구조물로서, 내부에 광촉매가 코팅되어 있는 광촉매부, 빛을 조사하여 광촉매 활성화를 위한 광원부, 기체상 오염물질이 유입될 수 있도록 도로 구조물 내부와 외부가 연결되도록 구성된 통기부를 포함하는 도로 구조물 본체; 그리고 광원부 작동에 에너지를 공급하기 위한 에너지부가 있어 친환경 적으로 질소산화물을 저감하였다.
국내등록특허 제10-1637454호는 도로포장을 비롯하여 콘크리트 도로 구조물에 광촉매 적용 방안 및 시공성, 경제성을 증대시키기 위해 광촉매를 콘크리트에 함침하여 대기오염 정화에 효과적인 콘크리트 도로구조물의 시공방법을 제공하였다.
광촉매 코팅 방법은 고가 및 장기적 유지관리 측면에서 단점을 가지고 있으며, 광촉매 혼합방법은 시공과정에서 일부 광촉매만 잔류하여 광촉매가 광원에 노출되지 않아 광촉매 작용이 효율적이지 않은 단점을 가진다.
국내등록특허 제10-1693768호는 상기 문제점을 보완하고자 모체 콘크리트 표면에 광촉매 콘크리트 층을 타설하는 방법을 적용하였으며, 광촉매 분할 콘크리트를 제조하기 위한 콘크리트의 타설 장치 및 시공방법을 제공하였다.
미세먼지 저감 기능을 포함하는 광촉매 도로 구조물은 마모로 인하여, 표면 광촉매 양이 감소하여 장기간 사용이 불가능하다. 특히 자동차의 하중 및 이동으로 도로 구조물에서의 표면에 부착된 광촉매의 마모 및 박락으로 미세먼지 저감 효과가 급격히 감소된다.
지금까지의 종래 기술은 광촉매 작용을 발휘하기 위해 재료나 물질을 콘크리트에 배합하거나, 또는 광촉매 작용 도로 구조물을 어떻게 시공, 적용할 것인지에만 관심이 높다.
따라서, 광촉매 도로 구조물 시공 시 도로 구조물의 표면 광촉매에 대한 잔량 평가나 시공 후 표면 광촉매에 대한 장기적인 표면 광촉매 잔량 평가는 전무한 실정이다. 종래의 기술들은 보수나 재시공 시기를 평가해 줄 수 없기 때문에 광촉매를 포함한 도로 구조물을 경제적인 운용이 어렵다.
광촉매 작용에 의한 미세먼지 유발물질 제거 기능을 가지는 구조물에 있어서 중요한 점은 광촉매가 구조물 표면에 잔류되는 양이다. 표면에 광촉매가 잔류된 도로구조물은 미세먼지 저감 성능을 가지며, 경제적이게 운용하기 위해 표면 광촉매 잔량 평가가 필수적이다.
따라서, 도로구조물의 표면 광촉매 잔량을 비파괴 방법으로 정량적이게 평가할 수 있는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-2057419호 대한민국 등록특허 제10-1961680호 대한민국 등록특허 제10-1637454호
본 발명은 종래 기술의 광촉매를 포함한 도로 구조물 관리 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 도로구조물의 표면 광촉매 잔량의 반사도 특성을 분석하여 표면 광촉매 마모 정도를 비파괴 방법으로 용이하게 평가할 수 있도록 한 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위해 사용되는 광촉매 도로 구조물이 차량 하중 및 외부환경으로부터 마모될 경우, 광촉매 도로 구조물 표면에서 어느 정도 양의 광촉매가 마모되었는지 평가하는 비파괴 방법으로 장기적으로 표면 광촉매를 모니터링할 수 있도록 한 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 이동장치에 초분광 센서를 설치하여 미세먼지 저감을 위한 광촉매 도로 구조물 표면의 반사도를 산출하여 광촉매 마모 정도를 비파괴 방법으로 용이하게 평가하여 측정 높이의 제약이 없어 도로 구조물의 경제적인 관리 및 유지보수가 용이하도록 한 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 도로 구조물의 표면 광촉매에 대한 분광복사량(복사조도, 복사휘도)을 측정하여 표면 광촉매의 반사도를 산출함으로써, 도로 구조물 표면 광촉매 잔량을 비파괴 방법으로 평가하여 현장에서 실시간으로 광촉매 도로 구조물의 표면 광촉매 마모도 평가가 가능하도록 한 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치는 광촉매 도로 구조물의 분광특성을 분석하기 위해 초분광 센서를 이용하여 광촉매 구조물의 복사휘도 및 복사조도를 측정하는 분광특성 측정부;상기 분광특성 측정부에서 측정된 복사휘도 및 복사조도 데이터를 파장에 따라 분석하고, 광촉매 구조물의 복사휘도와 복사조도의 비값으로 반사도를 산출하는 분광복사계 자료 전처리부;상기 분광복사계 자료 전처리부에서 산출된 광촉매 구조물 반사도 특성을 통해 광촉매 구조물의 광촉매 잔량을 평가하는 광촉매 평가부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 초분광 센서가 지상으로부터 일정한 높이에 위치시켜 분광특성 측정이 가능하도록 하기 위하여 이동 장치에 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고 분광특성 측정부는, 초분광 센서를 이용하여 광촉매 구조물의 복사휘도를 측정하는 복사휘도 측정부와,초분광 센서를 이용하여 하향 태양광을 통해 복사조도를 측정하는 복사조도 측정부와,참조패널의 복사휘도로 복사조도를 산출하여 환경 영향을 보정할 수 있도록 하는 환경 영향 보정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 복사휘도 측정부가 이동장치에 설치된 초분광 센서를 사용하여 광촉매 도로 구조물 표면의 복사휘도를 측정하는 과정에서, 이동장치가 광촉매 도로 구조물에 주는 그림자의 영향을 최소화하기 위해 관측 지점의 연직면상에 이동장치를 위치시켜 복사휘도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 복사조도 측정부가 이동장치에 설치된 초분광 센서를 사용하여 하향 태양광을 통해 복사조도를 측정하는 과정에서, 하향 태양광이 주변 구조물로부터 가려져 측정 복사조도에 영향을 미치지 않도록 이동장치를 지상으로부터 일정한 높이에 위치시켜 복사조도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 환경 영향 보정부는 태양광량이 적어 복사조도를 관측하기 힘들 경우, 초분광 센서를 통해 규정된 분광 특성을 가진 참조패널의 복사휘도를 측정한 후 복사조도로 환산하는 것을 특징으로 한다.
그리고 분광복사계 자료 전처리부는, 측정된 복사휘도 및 복사조도 데이터를 파장에 따라 분석하는 복사 스펙트럼 분석부와,광촉매 구조물의 복사휘도와 복사조도의 비값으로 반사도를 산출하는 표면 광촉매 잔량 반사도 분석부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 복사 스펙트럼 분석부는, 분광특성 측정부의 복사휘도 측정부 및 복사조도 측정부에서 획득된 데이터를 통해 파장에 따른 복사조도 그래프, 파장에 따른 복사휘도 그래프를 포함하는 복사 스펙트럼을 도출하는 것을 특징으로 한다.
그리고 표면 광촉매 잔량 반사도 분석부는, 복사 스펙트럼 분석부에서 도출된 복사 스펙트럼을 통해 반사도를 산정하고 파장에 따른 반사도 그래프를 도출하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광촉매 평가부는, 광촉매 구조물 반사도 특성을 통해 광촉매 마모도를 산출하는 광촉매 마모도 분석부를 포함하고, 광촉매 마모도 분석부는 광촉매가 흡광을 일으키는 파장대역의 반사도와 흡광을 일으키지 않는 파장대역의 반사도 특성을 이용하여 광촉매 구조물 표면의 광촉매 마모도를 산출하고 광촉매 마모도 맵을 제공하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 방법은 광촉매 도로 구조물의 분광특성을 분석하기 위해 초분광 센서를 구비하는 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치의 제어에 있어서, 복사휘도 측정부가 광촉매 구조물의 복사휘도를 측정하는 단계;복사조도 측정부가 태양광을 통해 복사조도를 측정하는 단계;환경 영향 보정부가 참조패널의 복사휘도를 통해 복사조도를 산출하는 단계;복사 스펙트럼 분석부가 광촉매 구조물의 복사 스펙트럼 그래프를 획득하는 단계;표면 광촉매 잔량 반사도 분석부가 스펙트럼 그래프를 통해 반사도 그래프를 도출하는 단계;광촉매 마모도 평가부가 광촉매 구조물의 광촉매 마모도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 복사휘도 측정부가 광촉매 구조물의 복사휘도를 측정하는 단계에서, 이동장치가 광촉매 도로 구조물에 주는 그림자의 영향을 최소화하기 위해 관측 지점의 연직면상에 이동장치를 위치시켜 복사휘도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 복사조도 측정부가 태양광을 통해 복사조도를 측정하는 단계에서, 하향 태양광이 주변 구조물로부터 가려져 측정 복사조도에 영향을 미치지 않도록 이동장치를 지상으로부터 일정한 높이에 위치시켜 복사조도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 환경 영향 보정부가 참조패널의 복사휘도를 통해 복사조도를 산출하는 단계에서, 환경 영향 보정부는 태양광량이 적어 복사조도를 관측하기 힘들 경우, 초분광 센서를 통해 규정된 분광 특성을 가진 참조패널의 복사휘도를 측정한 후 복사조도로 환산하는 것을 특징으로 한다.
그리고 표면 광촉매 잔량 반사도 분석부가 스펙트럼 그래프를 통해 반사도 그래프를 도출하는 단계에서 NDTI(Normalized Difference TiO2 Index)를,
Figure 112021068441088-pat00001
으로 구하고,
Figure 112021068441088-pat00002
는 청색대역의 반사도,
Figure 112021068441088-pat00003
는 자외선대역 반사도인 것을 특징으로 한다.
그리고 스펙트럼의 흡수 특성을 정량화하기 위하여 Continuum removal(CR) 방법을 이용하고, 물질이 가지는 광촉매의 농도를,
Figure 112021068441088-pat00004
Figure 112021068441088-pat00005
으로 산출하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 도로구조물의 표면 광촉매 잔량의 반사도 특성을 분석하여 표면 광촉매 마모 정도를 비파괴 방법으로 용이하게 평가할 수 있도록 한다.
둘째, 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위해 사용되는 광촉매 도로 구조물이 차량 하중 및 외부환경으로부터 마모될 경우, 광촉매 도로 구조물 표면에서 어느 정도 양의 광촉매가 마모되었는지 평가하는 비파괴 방법으로 장기적으로 표면 광촉매를 모니터링할 수 있도록 한다.
셋째, 이동장치에 초분광 센서를 설치하여 미세먼지 저감을 위한 광촉매 도로 구조물 표면의 반사도를 산출하여 광촉매 마모 정도를 비파괴 방법으로 용이하게 평가하여 측정 높이의 제약이 없어 도로 구조물의 경제적인 관리 및 유지보수가 용이하도록 한다.
넷째, 도로 구조물의 표면 광촉매에 대한 분광복사량(복사조도, 복사휘도)을 측정하여 표면 광촉매의 반사도를 산출함으로써, 도로 구조물 표면 광촉매 잔량을 비파괴 방법으로 평가하여 현장에서 실시간으로 광촉매 도로 구조물의 표면 광촉매 마모도 평가가 가능하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치의 일 실시 예를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 방법을 나타낸 플로우 차트
도 4는 TiO2 농도(0,5,10,15,20,25%)에 따른 반사도 스펙트럼
도 5는 관측대상을 RAMSES를 통해 획득한 반사도에 NDTI를 적용한 결과 그래프
이하, 본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치의 일 실시 예를 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법은 도로구조물의 표면 광촉매 잔량의 반사도 특성을 분석하여 표면 광촉매 마모 정도를 비파괴 방법으로 용이하게 평가할 수 있도록 한 것이다.
특히, 본 발명은 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위해 사용되는 광촉매 도로 구조물이 차량 하중 및 외부환경으로부터 마모될 경우, 광촉매 도로 구조물 표면에서 어느 정도 양의 광촉매가 마모되었는지 평가하는 비파괴 방법으로 장기적으로 표면 광촉매를 모니터링할 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 초분광 센서가 설치되는 이동 장치에 GPS 센서 등을 구비하여 경로계획 및 원격제어(위치 제어, 자세 제어, 구동 제어)가 가능하도록 하여 효율적인 운용 및 효율적인 도로 구조물 표면 광촉매의 모니터링이 가능하도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 도로 구조물의 표면 광촉매 분광특성(복사조도, 복사휘도)을 측정하여 표면 광촉매의 반사도를 산출하여 도로 구조물 표면 광촉매 잔량을 비파괴 방법으로 평가하여 현장에서 실시간으로 광촉매 도로 구조물의 표면 광촉매 마모도 평가가 가능하도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 이동장치에 설치된 초분광 센서를 사용하여 하향 태양광을 통해 복사조도를 측정하며, 하향 태양광이 주변 구조물로부터 가려져 측정 복사조도에 영향을 미치지 않도록 이동장치를 지상으로부터 일정한 높이에 위치시켜 복사조도를 측정하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 이동장치에 설치된 초분광 센서를 사용하여 광촉매 도로 구조물 표면의 복사휘도를 측정하며, 이동 장치가 광촉매 도로 구조물에 주는 그림자의 영향을 최소화하기 위해 관측 지점의 연직면상에 이동장치를 위치시켜 복사휘도를 측정하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 태양광량이 적어 복사조도를 관측하기 힘들 경우, 초분광 센서를 통해 규정된 분광 특성을 가진 참조패널의 복사휘도를 측정한 후 복사조도로 환산하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 획득된 데이터를 통해 복사 스펙트럼 그래프(파장에 따른 복사조도 그래프, 파장에 따른 복사휘도 그래프)를 도출하고, 도출된 복사 스펙트럼을 통해 반사도를 산정하고 파장에 따른 반사도 그래프를 도출하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 광촉매가 흡광을 일으키는 파장대역의 반사도와 흡광을 일으키지 않는 파장대역의 반사도 특성을 이용하여 광촉매 구조물 표면의 광촉매 마모도를 산출하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치는 도 1에서와 같이, 광촉매 도로 구조물의 분광특성을 분석하기 위해 이동장치(1)에 설치된 복수개의 초분광 센서(2)를 구비하고, 초분광 센서를 이용하여 광촉매 구조물의 복사휘도 및 복사조도를 측정하는 분광특성 측정부(100)와, 측정된 복사휘도 및 복사조도 데이터를 파장에 따라 분석하고, 광촉매 구조물의 복사휘도와 복사조도의 비값으로 반사도를 산출하는 분광복사계 자료 전처리부(200)와, 광촉매 구조물 반사도 특성을 통해 광촉매 마모도를 산출하여 광촉매 구조물의 광촉매 잔량을 평가하는 광촉매 평가부(300)를 포함한다.
여기서, 복수개의 초분광 센서를 구비하는 이동 장치는 도 2에서와 같이, 지상으로부터 일정한 높이에 위치시켜 분광특성 측정이 가능하도록 하기 위한 드론인 것이 바람직하다.
그리고 복수개의 초분광 센서를 구비하는 이동 장치는 GPS 센서를 포함하는 이동 위치 좌표 센서(3)를 구비하여 광촉매 구조물의 복사휘도 및 복사조도 측정시에 경로계획에 따른 이동 및 이동 장치의 위치 제어, 자세 제어, 구동 제어의 원격제어가 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 분광특성 측정부(100)는 초분광 센서(2)를 이용하여 광촉매 구조물의 복사휘도를 측정하는 복사휘도 측정부(4)와, 초분광 센서(2)를 이용하여 하향 태양광을 통해 복사조도를 측정하는 복사조도 측정부(5)와, 참조패널의 복사휘도로 복사조도를 산출하여 환경 영향을 보정할 수 있도록 하는 환경 영향 보정부(6)를 포함할 수 있다.
여기서, 복사휘도 측정부(4)가 이동장치(1)에 설치된 초분광 센서(2)를 사용하여 광촉매 도로 구조물 표면의 복사휘도를 측정하는 과정에서 이동장치(1)가 광촉매 도로 구조물에 주는 그림자의 영향을 최소화하기 위해 관측 지점의 연직면상에 이동장치(1)를 위치시켜 복사휘도를 측정하는 것이 바람직하다.
그리고 복사조도 측정부(5)는 이동장치(1)에 설치된 초분광 센서(2)를 사용하여 하향 태양광을 통해 복사조도를 측정하며, 하향 태양광이 주변 구조물로부터 가려져 측정 복사조도에 영향을 미치지 않도록 이동장치(1)를 지상으로부터 일정한 높이에 위치시켜 복사조도를 측정하는 것이 바람직하다.
그리고 환경 영향 보정부(6)는 태양광량이 적어 복사조도를 관측하기 힘들 경우, 초분광 센서(2)를 통해 규정된 분광 특성을 가진 참조패널의 복사휘도를 측정한 후 복사조도로 환산하는 것이 바람직하다.
그리고 분광복사계 자료 전처리부(200)는 측정된 복사휘도 및 복사조도 데이터를 파장에 따라 분석하는 복사 스펙트럼 분석부(7)와, 광촉매 구조물의 복사휘도와 복사조도의 비값으로 반사도를 산출하는 표면 광촉매 반사도 잔량 분석부(8)를 포함한다.
여기서, 복사 스펙트럼 분석부(7)는 분광특성 측정부(100)의 복사휘도 측정부(4) 및 복사조도 측정부(5)에서 획득된 데이터를 통해 파장에 따른 복사휘도 그래프, 파장에 따른 복사조도 그래프를 포함하는 복사 스펙트럼을 도출한다.
그리고 표면 광촉매 잔량 반사도 분석부(8)는 복사 스펙트럼 분석부(7)에서 도출된 복사 스펙트럼을 통해 반사도를 산정하고 파장에 따른 반사도 그래프를 도출한다.
그리고 광촉매 평가부(300)는 광촉매 구조물 반사도 특성을 통해 광촉매 마모도를 산출하는 광촉매 마모도 분석부(9)를 포함하고, 광촉매 마모도 분석부(9)는 광촉매가 흡광을 일으키는 파장대역의 반사도와 흡광을 일으키지 않는 파장대역의 반사도 특성을 이용하여 광촉매 구조물 표면의 광촉매 마모도를 산출하고, 광촉매 마모도 맵을 제공한다.
본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 방법은 크게 초분광센서를 이용한 광촉매 혼합시료 분광특성 측정단계와, 분광복사계자료의 전처리 단계와, 혼합 시료 내의 광촉매 농도를 평가하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 도 3에서와 같이, 복사휘도 측정부(4)가 광촉매 도로 구조물의 복사휘도를 측정하는 단계(S301)와, 복사조도 측정부(5)가 태양광을 통해 복사조도를 측정하는 단계(S302)와, 환경 영향 보정부(6)가 참조패널의 복사휘도를 통해 복사조도를 산출하는 단계(S303)와, 복사 스펙트럼 분석부(7)가 광촉매 구조물의 복사 스펙트럼 그래프를 획득하는 단계(S304)와, 표면 광촉매 잔량 반사도 분석부(8)가 스펙트럼 그래프를 통해 반사도 그래프를 도출하는 단계(S305)와, 광촉매 마모도 평가부(9)가 광촉매 구조물의 광촉매 마모도를 산출하는 단계(S306)를 포함한다.
초분광센서를 이용한 광촉매 혼합시료 분광특성 측정단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 촬영 대상물에 대한 복사휘도(Upwelling radiance:
Figure 112021068441088-pat00006
) 와 하향 복사조도(Downwelling irradiance;
Figure 112021068441088-pat00007
)를 측정한다. 이때, 복사휘도 센서는 촬영대상물에 그림자의 영향을 최소화하기 위하여 관측대상물의 연직면상에 위치시키며, 복사조도 센서는 하향 태양광이 가려지지 않도록 간섭이 없는 곳에 약 2m 높이로 설치한다.
이때, 관측대상물을 촬영할 때, 복사조도를 관측하기 힘들 경우에는 휘도센서를 엄밀하게 규정된 표면을 가진 참조패널에 대하여 측정할 수 있다.
그리고 분광복사계자료의 전처리 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
분광복사계자료의 전처리 단계에서 반사도 계산은 다음과 같이 이루어진다.
반사도(
Figure 112021068441088-pat00008
)는 물체의 특성을 나타내는 가장 핵심적인 광학 물리량으로서 다음과 같이 계산한다.
Figure 112021068441088-pat00009
그리고 혼합 시료 내의 광촉매 농도를 평가하는 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 혼합시료 내 광촉매 농도 추정 알고리즘은 광촉매가 큰 흡광을 일으키는 자외선대역(200 ~ 400nm)의 반사도와 흡광을 일으키지 않는 대역(400nm ~ )의 반사도를 이용하는 방법이다.
도 4는 TiO2 농도(0,5,10,15,20,25%)에 따른 반사도 스펙트럼을 나타낸 것이다.
혼합시료 내의 광촉매의 농도가 높을수록, 자외선-청색대역(200-400nm)의 반사도는 작아지며, 청색-근적외선대역(400-1500 nm)의 반사도는 높아지는 것을 알 수 있다.
NDTI(Normalized Difference TiO2 Index)는 파장 중 자외선대역(280-400nm)의 반사도
Figure 112021068441088-pat00010
와 청색대역(400-500nm)의 반사도를
Figure 112021068441088-pat00011
을 이용하는 지수이다. 이 지수는 광촉매의 농도가 높은 물질에서 UV의 반사율이 낮게 나타나는 것에 착안하여 만든 지수이다.
NDTI가 높은 값을 가진다는것은 자외선 대역에서의 커지는 흡광에서 알 수 있으며, 광촉매의 농도가 높다고 할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여, 물질이 가지는 광촉매의 농도를 아래의 수학식 2,3을 통해 추정할 수 있다.
Figure 112021068441088-pat00012
Figure 112021068441088-pat00013
본 발명의 적용 사례로 TriOS사의 람세스로 TiO2 혼합시료를 촬영한 영상에 대한 TiO2 농도 추정 결과를 제시한다.
TiO2가 농도별(0%,5%,10%,15%,20%,25%)로 배합된 시료30개를 RAMSES를 이용하여 관측하였다.
RAMSES는 초분광 센서로, ARC-VIS Radiance Radiometer는 복사조도를 측정하며 ACC-VIS Irradiance Radiometer는 복사휘도를 측정한다. 두 센서는 모두 280-950nm 파장범위에서 약 3nm간격으로 관측 대상물의 복사스펙트럼을 얻는다.
광촉매반사도 스펙트럼에서 흡광이 가장 뚜렷하게 보이는 밴드를
Figure 112021068441088-pat00014
= 338nm, 흡광이 급격하게 줄어들어 반사도가 안정적으로 보이기 시작하는
Figure 112021068441088-pat00015
= 430nm 이므로, NDTI를 적용하는 경우,
Figure 112021068441088-pat00016
로 정의한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 현장에서 측정한 데이터를 이용하여 수학식 3의 2차항 까지의 계수를 산출한 결과
Figure 112021068441088-pat00017
-0.0005,
Figure 112021068441088-pat00018
0.031,
Figure 112021068441088-pat00019
0.1163을 획득하였다.
도 5는 관측대상을 RAMSES를 통해 획득한 반사도에 NDTI를 적용한 결과 그래프이다.
NDTI의 값은 TiO2의 농도가 높아짐에 따라 높아지며, 물체에 존재하는 광촉매의 농도를 정량적으로 추정하고 있음을 볼 수 있다.
그리고 Continuum removal(CR) 방법은 스펙트럼의 흡수 특성을 정량화 하기 위한 방법이다. CR기법은 스펙트럼에서 가장 낮은 반사율 값을 기준으로 양쪽의 어깨에서 Hull로 추출하고, Hull의 값을 100% 반사도로 설정하여 정규화된 스펙트럼을 생성한 후, 식별된 흡수 특성은 파장의 깊이로 표현된다.
이 방법을 이용하면, 광촉매의 농도가 높을수록 물질의 스펙트럼에서 UV대역의 흡수깊이가 증가하는 경향성을 알 수 있다. 농도에 따라 깊어지는 정도(dip)를 이용하여, 물질이 가지는 광촉매의 농도를 아래의 식을 통해 추정할 수 있다.
Figure 112021068441088-pat00020
Figure 112021068441088-pat00021
본 발명의 적용 사례로 TriOS사의 람세스로 TiO2 혼합시료를 촬영한 영상에 대한 TiO2농도 추정 결과를 제시한다. 관측방법은 위의 NDTI와 같다.
광촉매반사도 스펙트럼에서 시각적 평가를 통해 경험적으로 얻어진 임계치를 통해, 흡광이 시작되는
Figure 112021068441088-pat00022
와 반사도가 급격하게 높아진
Figure 112021068441088-pat00023
을 양쪽 어깨로 설정하여 CR기법을 적용한다.
각 파장의 반사율의 정규화된 값인 깊이,
Figure 112021068441088-pat00024
로 정의한다.
현장에서 측정한 데이터를 이용하여 수학식 4의 2차항 까지의 계수를 산출한 결과
Figure 112021068441088-pat00025
-0.0005,
Figure 112021068441088-pat00026
0.028,
Figure 112021068441088-pat00027
0.0366을 획득하였다.
실험 대상 시료에서 RAMSES를 통해 획득한 스펙트럼에 적용한 결과는 도 7에서와 같다.
TiO2의 농도는 배합 시료 내에 존재하는 광촉매의 비율(%)로 나타내었고, 농도가 높을수록 깊이가 커짐에 따라 시료 내에 존재하는 광촉매의 양을 정량적으로 추정하고 있음을 볼 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치 및 방법은 이동장치에 초분광 센서를 설치하여 미세먼지 저감을 위한 광촉매 도로 구조물 표면의 반사도를 산출함으로써, 광촉매 도로 구조물이 차량 하중 및 외부환경으로부터 마모될 경우, 광촉매 도로 구조물 표면에서 어느 정도 양의 광촉매가 마모되었는지 평가하는 비파괴 방법으로 장기적으로 표면 광촉매를 모니터링하여 경제적인 관리 및 유지보수가 용이하도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100. 분광특성 측정부
200. 분광복사계 자료 전처리부
300. 광촉매 평가부

Claims (16)

  1. 광촉매 도로 구조물의 분광특성을 분석하기 위해 초분광 센서를 이용하여 광촉매 구조물의 복사휘도 및 복사조도를 측정하는 분광특성 측정부;
    상기 분광특성 측정부에서 측정된 복사휘도 및 복사조도 데이터를 파장에 따라 분석하고, 광촉매 구조물의 복사휘도와 복사조도의 비값으로 반사도를 산출하는 분광복사계 자료 전처리부;
    상기 분광복사계 자료 전처리부에서 산출된 광촉매 구조물 반사도 특성을 통해 광촉매 구조물의 광촉매 잔량을 평가하는 광촉매 평가부;를 포함하고,
    상기 분광복사계 자료 전처리부는 측정된 복사휘도 및 복사조도 데이터를 파장에 따라 분석하는 복사 스펙트럼 분석부와, 광촉매 구조물의 복사휘도와 복사조도의 비값으로 반사도를 산출하는 표면 광촉매 잔량 반사도 분석부를 포함하고,
    상기 표면 광촉매 잔량 반사도 분석부가 스펙트럼 그래프를 통해 반사도 그래프를 도출하기 위하여 NDTI(Normalized Difference TiO2 Index)를,
    Figure 112021097711271-pat00038
    으로 구하고,
    Figure 112021097711271-pat00039
    는 청색대역의 반사도,
    Figure 112021097711271-pat00040
    는 자외선대역 반사도인 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 초분광 센서가 지상으로부터 일정한 높이에 위치시켜 분광특성 측정이 가능하도록 하기 위하여 이동 장치에 구비되는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 분광특성 측정부는,
    초분광 센서를 이용하여 광촉매 구조물의 복사휘도를 측정하는 복사휘도 측정부와,
    초분광 센서를 이용하여 하향 태양광을 통해 복사조도를 측정하는 복사조도 측정부와,
    참조패널의 복사휘도로 복사조도를 산출하여 환경 영향을 보정할 수 있도록 하는 환경 영향 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 복사휘도 측정부가 이동장치에 설치된 초분광 센서를 사용하여 광촉매 도로 구조물 표면의 복사휘도를 측정하는 과정에서,
    이동장치가 광촉매 도로 구조물에 주는 그림자의 영향을 최소화하기 위해 관측 지점의 연직면상에 이동장치를 위치시켜 복사휘도를 측정하는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 복사조도 측정부가 이동장치에 설치된 초분광 센서를 사용하여 하향 태양광을 통해 복사조도를 측정하는 과정에서,
    하향 태양광이 주변 구조물로부터 가려져 측정 복사조도에 영향을 미치지 않도록 이동장치를 지상으로부터 일정한 높이에 위치시켜 복사조도를 측정하는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 환경 영향 보정부는 태양광량이 적어 복사조도를 관측하기 힘들 경우, 초분광 센서를 통해 규정된 분광 특성을 가진 참조패널의 복사휘도를 측정한 후 복사조도로 환산하는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 복사 스펙트럼 분석부는,
    분광특성 측정부의 복사휘도 측정부 및 복사조도 측정부에서 획득된 데이터를 통해 파장에 따른 복사조도 그래프, 파장에 따른 복사휘도 그래프를 포함하는 복사 스펙트럼을 도출하는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 표면 광촉매 잔량 반사도 분석부는,
    복사 스펙트럼 분석부에서 도출된 복사 스펙트럼을 통해 반사도를 산정하고 파장에 따른 반사도 그래프를 도출하는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 광촉매 평가부는,
    광촉매 구조물 반사도 특성을 통해 광촉매 마모도를 산출하는 광촉매 마모도 분석부를 포함하고,
    광촉매 마모도 분석부는 광촉매가 흡광을 일으키는 파장대역의 반사도와 흡광을 일으키지 않는 파장대역의 반사도 특성을 이용하여 광촉매 구조물 표면의 광촉매 마모도를 산출하고 광촉매 마모도 맵을 제공하는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치.
  11. 광촉매 도로 구조물의 분광특성을 분석하기 위해 초분광 센서를 구비하는 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 장치의 제어에 있어서,
    복사휘도 측정부가 광촉매 구조물의 복사휘도를 측정하는 단계;
    복사조도 측정부가 태양광을 통해 복사조도를 측정하는 단계;
    환경 영향 보정부가 참조패널의 복사휘도를 통해 복사조도를 산출하는 단계;
    복사 스펙트럼 분석부가 광촉매 구조물의 복사 스펙트럼 그래프를 획득하는 단계;
    표면 광촉매 잔량 반사도 분석부가 스펙트럼 그래프를 통해 반사도 그래프를 도출하는 단계;
    광촉매 마모도 평가부가 광촉매 구조물의 광촉매 마모도를 산출하는 단계;를 포함하고,
    표면 광촉매 잔량 반사도 분석부가 스펙트럼 그래프를 통해 반사도 그래프를 도출하는 단계에서 NDTI(Normalized Difference TiO2 Index)를,
    Figure 112021097711271-pat00041
    으로 구하고,
    Figure 112021097711271-pat00042
    는 청색대역의 반사도,
    Figure 112021097711271-pat00043
    는 자외선대역 반사도인 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 복사휘도 측정부가 광촉매 구조물의 복사휘도를 측정하는 단계에서,
    이동장치가 광촉매 도로 구조물에 주는 그림자의 영향을 최소화하기 위해 관측 지점의 연직면상에 이동장치를 위치시켜 복사휘도를 측정하는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 복사조도 측정부가 태양광을 통해 복사조도를 측정하는 단계에서,
    하향 태양광이 주변 구조물로부터 가려져 측정 복사조도에 영향을 미치지 않도록 이동장치를 지상으로부터 일정한 높이에 위치시켜 복사조도를 측정하는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 환경 영향 보정부가 참조패널의 복사휘도를 통해 복사조도를 산출하는 단계에서,
    환경 영향 보정부는 태양광량이 적어 복사조도를 관측하기 힘들 경우, 초분광 센서를 통해 규정된 분광 특성을 가진 참조패널의 복사휘도를 측정한 후 복사조도로 환산하는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 방법.
  15. 삭제
  16. 제 11 항에 있어서, 스펙트럼의 흡수 특성을 정량화하기 위하여 Continuum removal(CR) 방법을 이용하고, 물질이 가지는 광촉매의 농도를,
    Figure 112021097711271-pat00031

    Figure 112021097711271-pat00032
    으로 산출하는 것을 특징으로 하는 초분광센서를 이용한 도로구조물의 표면 광촉매 잔량 평가 방법.
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