[연재강좌] 최근의 광기술

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 광센서로 인한 고전압 계측기술 도쿄대학_日高 邦彦(히다카 쿠니히코) 광 이용기술은 전기사업에서도 정보통신, 계측·진단, 태양전지 등, 각종 현장에서 활용하고 있다. 계측·진단 분야에서는 광PD, 광CT, 광섬유 분포형 온도계, 적외선 온도계가 그 대표적인 예이다. 특히 빛을 이용한 계측·진단법이 주목받는 이유는 ① 측정점을 전기적으로 절연할 수 있기 때문에 측정대상에 대한 불안정은 최소한이 된다. ② 정보전송이 광학적으로 이루어지기 때문에 전자파 노이즈에 강하고, ③ 직류에서 GHz오더의 주파수 응답을 기대할 수 있다는 특징이 있기 때문이다. 본 고에서는 이러한 특징을 살린 센서가 잇따라 개발되고 있는 전기 광학 효과(포켈스 효과, 커 효과)를 이용한 고전압 계측기술을 알아보도록 한다. 전기 광학 효과라는 용어를 처음 듣는 독자에게는 어떠한 원리로 계측하고 있는지, 이미 흥미를 갖고 있는 독자에게는 어떠한 공법으로 활용범위를 넓히고 있는지 이해할 수 있도록 해설했다. 전기 광학 효과 물질 속을 전송·운반하는(이하, 전반이라 함) 광파는 진행방향에 수직이며, 물질에 고유의 2방향에 진동면을 갖는 파(편파)로 인해 분해 된다. 2개의 편파를 그려보면 <그림1>의 ex, ey가 된다. 또 이들 편파의 전반속도는 편파가 느끼는 굴절률에 반비례 해 변화한다. 어느 물질에서는 외부로부터 전계가 가해지면 그 만큼 상태가 급격히 변하기 때문에 유전율(誘電率)의 이방성(異方性)이 발생하고 그곳을 전파하는 2개의 편파를 느끼는 굴절률에도 이방성이 나타나 이른바 복굴절을 생성하게 된다. 이와 같은 외부 전계로 인해 발생하는 복굴절을 전기 광학 효과라 부른다. <그림1>의 2개 편파는 전기 광학 효과를 지닌 물질 속을 전반하는 중에 서로 다른 굴절률 nx, ny를 느끼게 된다. 2개의 편파 간에 생기는 굴절률 차는 가해지는 전계 E의 급수전계로 다음과 같은 식으로 나타낸다(여기서는 일정한 항을 무시하고 있다). nx - ny = no3rpE + λBE2 +… (1) 여기서 no : 전계가 없는 경우 일반 굴절률, rp : 포켈스 계수, λ: 빛의 파장, B : 커 정수이다. 전기광학 효과 중 전계에 비례하는 효과를 포켈스(Pockels) 효과, 전계 2승에 비례하는 효과를 커(Kerr) 효과라 부르고 있다. 3승 이상의 고차 항은 지극히 작아 무시할 수 있다. 포켈스 효과와 커 효과 양자가 동일한 크기로 나타나는 경우는 없으며 물질을 구성하는 결정의 대칭성 또는 분극분자의 구조에 따라 그 한 쪽 만이 현저하게 나타난다. 편파 전반속도는 진공중 광속을 굴절률로 제거한 값이 된다. 그 결과 2개의 편파 ex, ey는 서로 다른 속도로 전반하고, 길이 L 물질을 내는 시점에서는 편파 간 다음과 같은 위상차 Δθ가 발생한다. <그림1>에서는 2개의 편파 강도가 동일하고 위상차가 없는 직선편광을 물질에 입사하고 있다. 물질 내부에서 위상차가 생긴 후, 물질을 낸 시점에서 2개의 편파가 합성되어 타원편광이 된다. 어느 특정 방향의 편파 성분만을 투과하는 편광판(검광자)을 이용해 이 타원편광을 검파하면 투과광의 강도Io와 물질의 입사광 강도 Ii의 비율은 다음과 같은 식으로 구해지며, <그림1>의 그래프와 같이 변화한다. 포켈스 효과가 지배적인 경우는, 커 효과가 지배적인 경우는 이 된다. 이상으로 전계 강도가 빛의 강도(명암)로 변환된다는 것을 알 수 있다. 전계 E가 Eπ, Em에 도달하면 투과광 강도 Io는 극대치를 취한다. 즉 Eπ , Em 값이 작을수록 동일한 전계(전압)에 대해 광 강도 변화가 커진다는 점 에서 전기광학 효과에 대한 감도를 나타내는 지표가 된다. <표1>은 대표적인 물질 감도지표를 비유전율과 함께 나타낸 것이다. 포켈스 효과는 주로 고체, 커 효과는 액체, 기체로 나타난다. 신호처리 회로보다 단순히 빛의 강도 변화만 측정하려고 하면 EπL이나 Em의 1/100 정도 값이 감도의 하한이 된다. 전계는 벡터량이라는 점 때문에 측정 가능한 전계방향과 빛의 전반방향과 관계를 정리하면 <표2>가 된다. 횡형변조 방식에 따라 빛의 전반방향과 수직방향 전계를 측정할 수 있다. 특히, 검광자 방향을 바꿈으로써 직교하는 2개의 전계 성분을 분리, 측정할 수 있다는 점에서 전계 측정으로 이용되고 있다. 한편, 종형변조 방식에 따라 빛의 전반방향과 평행방향의 전계를 측정할 수 있다. 따라서 빛의 전반 경로를 따른 전계의 적분치, 즉 전위차(전압)에 비례한 정보를 직접 얻을 수 있다. 고감도 계측을 목표로 한 연구 전기광학 효과를 실제 계측에 응용하려고 하면 <표1>에서도 알 수 있듯이 전계에 대한 감도가 상당히 낮거나 센서의 유전율이 주위 매질의 유전율에 비해 크다. 때문에 센서에 부가되는 전계가 작아 큰 출력을 얻기 어려운 등 고감도 계측기술 개발을 필요로 하는 경우도 많다. 최근 광원에 위상변조기를 편입하고 광편파 간 위상차에 변조신호를 중첩시키는 방식(광위상변조 방식)을 도입함으로써 감도가 매우 낮은 기체 커 효과의 측정이 가능해졌다. <그림2>에서 가리키듯이 음향광학 변조소자(PEM)로 인한 편파 간 위상차를 주파수 f로 변조하고 검광자를 투과한 검출신호를 록인앰프(Lock-In-Amp : 위상검파법)로 동시에 검파를 실시한다. PEM를 통한 위상변조량 θPEM을 시간 t 함수로 나타내면 다음과 같이 된다. 록인앰프로 주파수 f 성분만을 검파한 출력 강도를 If로 한다. 이것과 입사광 강도 Ii의 비율은 전기광학 효과로 발생하는 (2)의 위상차 함수에 다음과 같은 식으로 주어진다. 여기서 J1(θP)는 θP에 대한 1차 베셀 함수를 나타내고 있으며 θP를 1.84로 조정하면 J1(θP)은 최대치 0.52로 설정된다. (8)만으로는 감도 향상을 직감적으로 실감할 수 없지만 상기의 변조로 ① 측정하고 싶은 주파수 영역만을 투과, 증폭시킬 수 있는 이상적인 밴드 패스 필터(band pass filter : 대역필터)를 실현할 수 있다, ② 변조주파수 도입으로 잡음이 적은 주파수 영역에서 측정이 가능해졌다, ③ (8)로 나타내듯이 sin 함수 형태가 된다는 점에서 전계가 극히 작은 0부근에서 감도가 향상되는 등 효과를 기대할 수 있다. 그 결과, S/N 비를 103~105배 개선할 수 있다. 이러한 광위상변조법(변조주파수 f = 50kHz)에 더해 레이저 광을 5회 왕복시켜 광로 길이를 길게(5~13m)함으로써 0.2~0.5MPa의 SF6, 질소, CO2 기체중의 직류평등전계 및 대기압 공기중의 50Hz 교류전계를 처음으로 측정할 수 있게 됐다. 대기압 공기중에서 최저검출 전계강도는 300V/㎜(편파 간 위상 차 2×10-5rad)이다. 커 효과를 이용한 전계계측 방법은 피측정 공간의 매질 자체의 커 효과를 이용해 비접촉으로 전계를 측정할 수 있다는 점에서 이상적인 계측법이라 할 수 있다. 변조주파수가 수십kHz인 경우, 측정 대역은 상용주파수 정도까지 대응할 수 있다. 변조주파수를 보다 높게 하면 뇌임펄스 파형 등 보다 빠른 현상에 대응할 것으로 예상한다. 센서 구조 포켈스 센서의 일례를 <그림3>(a)에 나타냈다. Bi4Ge3O12(BGO) 결정에 파장판, 편광 빔 스플리터(PBS)를 밀착시키고 마이크로 렌즈를 통해 광섬유를 접속시킨 일체형 센서이다. BGO 결정은 <표2>의 종형변조 방식이 되도록 배치해 광 입사면과 출사면 사이에 가해지는 전압을 측정할 수 있다. 이를 위해 결정 양면에는 투명전압을 장착하고 전압인가용 리드 선을 접속했다. 광섬유로서 광원과 센서 사이에는 편파보존 섬유, 센서와 수광부 사이에는 멀티모드 섬유를 사용하고 있다. 광원으로는 레이저, LD(Laser Diode), SLD(Super Luminescent Diode), LED(Light Emitting Diode)가 있으며, 차례대로 광파의 간섭성(coherence) 및 강도가 큰 것에서 작은 것으로 돼 있다. 광 강도를 전기신호로 변환하는 수광부에서는 감도와 주파수 특성에 주의해야 한다. 2개의 리드 선을 측정대상에 접속하면 전압측정기가 된다. 또 <그림3>(b)에 나타내듯이 1대1 반구전극 내부에 센서 본체를 삽입, 각각 전극 리드 선을 접속한다. 이렇게 하면 반구 전극 간의 유도전압을 측정할 수 있으므로 전계측정기가 된다. 또 센서 입력정전 용량을 pF오더로 할 수 있다는 점에서 방전로 내 전위차 측정에도 사용하고 있다. 게다가 <그림3>(a) 센서로 리드 선을 접속하지 않는다든지 횡형변조가 되도록 포켈스 결정을 배치하면 유전체만으로 구성되는 전계 센서를 구성할 수 있다. 센서의 초소형화를 목적으로 포켈스 결정상에 광도파로 제작도 실시하고 있다. y컷ｚ 전반 LiNbO3 기판에 폭 7㎛, 길이 500㎛의 도파로를 설치한 광도파로형 전계 센서가 개발돼 코로나 방전 하에서 전극 표면전계 계측이나 연면방전 진전 시 절연물 표면전계 계측에 적용하고 있다. 고전압측정에 응용 1. 포켈스 고전압 측정기 종래 거치형이 아니라 측정부위에서 매달은 경량형 포켈스 고전압 측정기를 <그림4>에 나타냈다. 적당한 저항률과 비유전율을 갖고 있으며 자연 복 굴절이 작아 종형변조 방식이 가능한 등 고전압 측정에 적합하다는 이점을 갖고 있는 Bi4Ge3O12(BGO) 결정을 사용하고 있다. 10×10 ×120㎣의 결정을 8개 직렬로 배치해 양끝에 인가한 전압을 분압하지 않고 직접 측정할 수 있는 구조로 돼 있다. 원리적으로는 <그림3>(a)에 나타낸 센서에서 포켈스 결정 부분의 길이를 아주 크게 했다고 생각하면 된다. 검출광 강도와 피측정 인가전압의 관계식은 (5)에서 이해할 수 있도록 삼각함수를 이용해 표시했다. 때문에 어느 일정 전압(반파장 전압 : Vπ= Eπ L) 이상을 인가하면 광강도비와 인가전압의 1대1 대응이 불가능하다. 즉 광강도비에서 인가전압을 일의적으로 결정할 수 없게 된다. 측정신호가 큰 고전압 영역에서는 고감도 측정보다는 이 문제를 해결할 필요가 있다. 반파장 전압 Vπ는 전반하는 빛의 파장에 따라 변화된다. 이 특성을 이용해 Vπ=75.5kV가 되는 파장 1.31㎛와 Vπ=91.0kV가 되는 파장 1.55㎛, 이들 2파장 광을 동시에 입사해 그 출력을 관측함으로써 측정 가능한 전압범위는 수 MV까지 확장할 수 있다. 포켈스 고전압 측정기는 측정기 주위의 구조부 영향을 전혀 받지 않으며, 직류, 교류, 임펄스의 고전압을 하나의 장치로 측정할 수 있는 등 우수한 특징을 기대할 수 있다. 앞으로 해결해야 할 문제로 결정의 전압 진동이 광출력에 잡음으로 중첩되는 현상이다. 이 현상을 어떻게 억제할지 현재 검토가 진행되고 있다. 2. 커 고전압 측정기 <그림5>에 커 효과를 이용한 고전압측정기(거치형) 개념도를 나타냈다. 매질중(고기압 기체중)에 평행평판 전극을 배치하고 상부전극에 측정 전압을 인가한다. 전극 간에 형성되는 전계를 매질의 커 효과로 측정하는 구조이다. 매질 밀도의 불균일성이나 동요가 발생하지 않는다는 점을 고려하면 커 효과 매질로서는 액체에 비해 기체가 뛰어나다. 기체의 커 효과는 작기 때문에 100m 정도의 장파로계를 편입한 측정계로 감도를 향상시킬 수 있다. 단, 부분방전으로 이온이 발생하면 매질의 커 정수가 변화되기 때문에 부분방전이 일어나지 않도록 유의할 필요가 있다. 고전압 현상 계측 응용 고전압이 가해지는 상황 하에 발생하는 방전현상이나 대전현상을 포켈스 센서로 측정함으로써 종래 전기적 센서로 측정하기 어려웠던 정보를 얻을 수 있게 됐다. 1. 연면방전 진전 시 과도 전위분포 계측 고체절연물 계면에 발생하는 연면방전은 고전압 기기의 절연설계 합리화나 방전이용기기의 효율향상을 추구할 때 진전 특성의 해석이 요구된다. 이 연면 방전이 진전할 때 그 전위 분포의 과도변화를 측정하려면 계측 시스템에는 나노초 오더가 높은 시간분해능이 필요하다. <그림6>(a)에 고시간 분해 전위분포 측정시스템을 나타낸다. 포켈스 결정을 종형변조전압 센서를 이용해 그 표면의 전위분포를 계측하는 시스템이다. 그림 속 포켈스 결정의 상부 단면에는 유전체 다층막 밀러코팅, 하부 단면에는 투명전극 코팅을 마련했다. 측정시스템은 (A) 수광부에 스트라이크 리크 카메라를 이용하는 시스템과, (B) 광원에 펄스 레이저를 이용한 시스템으로 구성했다. (A) 시스템에서는 길이 50㎜의 직선모양 영역 전위분포의 시간 변화를 연속적으로 측정할 수 있으며 최소시간 분해능은 2ns이다. 광학계 확대 배율에도 따르는데 공간분해능은 20㎛, 전위분해능은 100V이다. 한편 (B) 시스템에서는 25.4㎜×25.4㎜의 2차원 영역 순시(0.2ns) 전위분포를 측정할 수 있다. <그림6>(b)은 부극성 연면 방전이 침전극에서 좌우로 진전하는 중의 정지 사진, <그림6>(c)은 그 때의 전위분포 시간 변화를 나타내고 있다. 이 예에서는 우측으로 뻗어있는 방전은 부극성 연면 방전으로 특징적으로 스텝 진전을 하고, 좌측으로 뻗은 방전은 연속적으로 진전하고 있다. 전위 변화를 봐도 스텝 진전하는 경우는 전위가 높은 부분에서 진전을 멈춘다거나 급격하게 진전하는 등 간헐적으로 움직인다는 것을 알 수 있다. 2. 대전전하밀도 분포계측 기기의 절연특성이나 연면방전의 진전기구를 논의할 경우, 절연물 표면의 대전량 파악을 요구하는 경우가 있다. 일반적으로 절연물 표면의 대전 전하 밀도분포는 정전용량형 표면전위계를 이용해 표면 주위를 주사(走査)하고 그 출력 분포를 사전에 전계계산으로 구해놓은 관계식에서 역 계산해 구할 수 있다. 정전용량형 표면전위계 대신에 종형 변조 포켈스 전압센서를 이용할 수 있다. <그림7>은 그 예로 포켈스 결정 첨단에 놓인 1㎜Ø의 검출부(떠있는 금속 박막 전극)로 야기되는 전위를 포켈스 결정으로 검출하고 있다. 포켈스 표면전위계는 접지가드 전극을 포함하지 않기 때문에 멀리 위치하는 전하 영향을 억제할 수 없는 반면, 측정 대상물에 가능한 가까이 갈 수 있다는 장점을 갖는다. 예를 들면 3㎜ 두께의 절연판 위 표면전하 밀도분포를 측정할 경우 포켈스 표면전위계 분해능과 접지 가드 전극을 부착한 정전용량형 표면전위계의 분해능을 비교하면 60pC/㎟ 이상의 전하밀도로 대전하고 있을 때는 보다 접근해서 센서를 설치하는 포켈스 표면전위계가 한층 더 높은 분해능을 얻을 수 있다. 전기광학효과를 이용한 광센서 전력분야에 대한 응용만을 봐도 1980년대부터 가스 절연개폐장치(GIS) 등 실용기기 적용, 장시간 신뢰성 시험을 개시해 최종적으로는 UHV(1000kV) 변전기기로 편입되는 광변환형 계기용변압기(광PD)도 개발되고 있다. 방전현상과 대전현상을 대상으로 한 기초연구에서도 종래, 계측 곤란했던 정보 수집에 이와 같은 광센서를 활용하고 있다. 광원과 광전 변환소자로 대표되는 주변기기의 고성능화와 신호처리기술이나 화상처리기술이 한층 진화되면서 전기광학 효과를 이용한 광센서 측정 정밀도 및 시간·공간 분해능이 더욱 상승한 것은 물론 이 센서만이 할 수 있는 새로운 고전압계측이 개척될 것으로 기대하고 있다. 그 때는 전기를 다루는 직장에서 극히 일반 측정기로 사용되기를 필자는 바라고 있다.