서 론

바다양식이 대형화되면서 연안에서 벗어난 해역에 양식시설을 설치하는 경우가 늘어나고 있다. 육지에서 먼 거리에 있는 양식장의 경우는 넓은 공간을 사용할 수 있고, 상대적으로 적조 등의 문제에서 자유로우며, 깨끗한 환경에서 어류를 양식할 수 있다. 그러나 육지로부터 원거리일수록 수심이 깊기 때문에 많은 설치비는 물론이고 먹이의 공급, 모니터링 등 관리비용 등도 많이 소요된다. 특히 양식시설에 대한 표식장치가 잘되어 있지 않은 경우에는 야간 항행중인 선박이 시설물을 발견하기 어려우므로 선박으로부터 피해를 입을 가능성이 크다.

야간 항행중인 선박으로부터 피해를 방지하기 위해 불빛으로 표식을 하는 부표가 개발되어 상용화되어 있으나, 이 중 건전지를 교환하는 방식은 건전지의 잔량을 확인해야 하는 번거로움이 있고, 미처 건전지를 교환하지 못하는 경우에는 그 기능이 상실되어 버리는 단점이 있다. 이러한 건전지 교환방식을 보완하기 위해 개발된 방법이 자가 발광식 부자인데, 주로 태양광을 이용한다. 그러나 태양광을 이용하는 경우에는 육상에서 설계한 예상 전력과 상이하게 나타기도 하고 (Jo and Oh, 2011) 해상의 날씨에 따라 충전이 부족한 경우가 발생하기도 하며 태양광판에 소금이 말라붙어 태양광 충전을 방해하기도 한다. 태양광을 이용하는 방식의 문제점을 해결하기 위해 야광도료를 이용하기도 하지만 시간의 경과에 따라 축광능력이 줄어들고 습윤 시에는 감량의 급격히 떨어지는 경향 (Seo, 2002)을 보이기 때문에 발광부자에 적용하기는 어려울 것으로 판단된다.

각종 전기전자 모듈을 소형으로 제작하는 기술이 확보됨에 따라 소량의 전력을 필요로 하는 장비 등에는 가벼운 움직임에도 제품의 운동특성에 따라 충전이 가능한 다양한 자급 전원 모듈이 적용된 제품들이 많으며, 충전원리는 대부분 자석과 코일의 상호운동에 의해서 발생하는 기전력을 전기에너지로 바꾸는 것이다. 실제로 부유체를 이용하여 시스템을 효율적으로 설계하여 파력을 이용하여 효과적으로 전력을 얻으려는 연구 (Lee et al., 2012)도 찾을 수 있다. 그러나 파랑의 운동에너지를 부자의 발광에 직접적으로 적용한 사례는 찾기 어렵다.

이 발광 부자는 파랑에 의한 자가 발전으로 발광기능을 갖도록 한 것으로, 파랑의 상하 운동력을 이용하여 코일 속 자석을 움직이게 하고 그 유도전류에 의해 발광한다.

이 연구에서는 해수면의 작은 파랑에도 부자내부의 코일과 자석의 상하 움직임의 위상차를 크게 하도록 고안된 자급 전원식 부자에 대해 조파수조 내에서 여러가지 파랑의 종류를 인가시켜 부자의 상부에 위치한 LED를 밝히는 실험을 수행하였다. 이때, 파랑의 변화에 따라 LED에 공급되는 전원의 패턴을 확인하여 이 부자성능을 정량적으로 확인하였다. 여기서 LED로 전달되는 유도기전력의 전압을 조사한 이유는 LED 빛의 조도를 측정하는 것보다 측정이 용이하고 정확성이 높은 전단계의 물리량을 계측하는 것이 부자의 성능을 정량적으로 파악할 수 있기 때문이다.

솔레노이드 방식을 채용한 이러한 발광부자는 기존의 태양광식에 비해 지속적으로 전기를 발생시킬 수 있기 때문에 양식용 부자와 같이 야간에 불빛이 필요한 경우에도 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

재료 및 방법

자동발광부자의 구조와 원리

부자의 설계도와 기본원리는 Fig. 1과 같이 발광 부자는 코일에 발생된 유도전류를 전원으로 이용하여 코일과 전선으로 연결된 LED에서 빛을 발생시키는 원리를 이용하였다.

LED에 전원을 공급하는 방식은 외부에 코일이 부착된 내부 실린더 속에 있는 자석이 파랑의 상하운동에 따라 상하로 이동하면서 코일에 발생시킨 유도전류를 이용하는 것이다. 즉, 코일이 부착된 실린더는 파랑의 상하운동에 따라 부력재와 함께 해수면에서 상하로 움직이게 되는 반면, 해수면 아래에 위치한 고정판과 로드에 연결된 자석은 부력재에 비해 상하 움직임이 용의하지 않으므로 실린더와 자석 사이에 위상차가 생기게 된다. 결과적으로는 자석이 실린더 코일 속을 상하운동하는 효과를 가지게 된다. 이러한 현상이 가능한 것은 파랑이 발생했을 때 해수면의 수괴는 큰 상하운동을 하는 것에 비하여 고정판이 위치한 다소 깊은 곳의 수괴는 비교적 작은 상하운동을 하기 때문이다. 궁극적으로는 파랑의 상하운동력의 영향을 받아 발광 부자 내부의 자석은 상하로 움직이게 되고 외부의 코일에 유도전류를 발생시키게 된다.

실험에 사용한 발광부자는 LED (백색, 0.35 W, 2.3 V, 150 mA, DR Co., Korea)에 전기를 공급하기 위해, 0.1 mm 에나멜코일을 3,000회 감은 외경 ∅36 원통에 자석 (N 35 Grade / Ni 도금, ∅25, H20)이 상하 운동하도록 제작하였다. LED는 4개가 사용되었고, 음전압과 양전압에서 각각 두 개씩 점멸하도록 하였다. 발광부자에 사용된 LED를 발광하기 위해서는 2.3 V의 전압이면 충분하므로 전압이 높게 인가되는 것을 막기 위해 내부 PCB를 통해 최대 전력을 3 V로 제한하였다.

수조실험

발광부자가 파랑에 대해 움직임이 많아지도록 Fig. 1의 기본형에 Fig. 2와 같이 참외형 부자 (SHE-6, 3 kgf, Dae Yang Co. Korea)를 발광부자 부력재 (스티로폼)의 둘레에 3개를 부착하였다.

Fig. 3은 조파수조에서의 실험 형상이다. 실험은 조파수조 (80×10×3.5 m, NFRDI, Korea)에서 수행하였다. 수조의 바닥에서 길이 4,000 mm인 계류줄에 고정된 원형부자 (D: 240 mm, Daeyang Co., Korea)에 표면 계류줄 (Fig. 3의 Surface mooring rope)을 3가지 간격(350, 1,000, 1,700 mm)으로 발광부자를 연결하였다. 파랑의 종류는 각 연결 길이에 대해 파고가 100 mm (주기 1.1, 1.3, 1.5, 1.7, 2.0 sec), 150 mm (주기 1.1, 1.3, 1.5, 1.7, 2.0 sec), 200 mm (주기 1.3, 1.5, 1.7, 2.0 sec)인 세 가지로 정하였다.

어떤 실험조건에 대해, 발광부자에 부착된 LED가 발광하는가 하는 것을 밝히는 것이 본 실험의 목적이므로 LED의 발광을 목시적으로 인식할 수 있는 모션 인식 장치를 갖추는 것도 한 방법이지만, 고가의 장비를 구비해야 하는 점이 있고 실험실의 밝기조정 혹은 인식장치와 LED와의 일치 등 여러 가지 어려운 점을 감안하면, 발광부자에 부착된 LED의 구동 전압이 2.3 V이므로 이 이상의 전압이 부자의 움직임에 의해 인가되면 불이 켜진다는 것에 착안하여 LED를 구동하는 PCB에서 LED로 공급하는 전압을 측정하는 것이 가장 쉽고 정확한 방법이다. 부자내의 LED에 인가되는 전압을 측정하기 위해 발광부자 상부에 전선을 삽입하고 코일과 전선의 양극을 연결하여 부자 내 실린더의 움직임에 따른 전압차를 측정하였다. 이때, 발광부자의 꼭대기에 중력센서(6DOF-IMU (ARS), 2~16 g, E2BOX, Korea)를 부착하여 그 전압과 함께 발광부자의 상하 방향의 가속도를 측정하였다. 데이터 수신반복주파수는 200 Hz였다.

데이터의 수신은 첫 번째 파랑이 부자를 만나기 시작할 때부터였으나 실험 간 동일한 비교를 위해 데이터 수신 후 15초가 경과한 시간부터 10초 간의 데이터만 분석에 사용하였다.

각 실험 사이에는 선행 실험에서 발생한 잔파의 영향 을 없애기 위해 10분 간의 간격을 두었고, 매번 소파기를 사용하였다.

결과 및 고찰

Fig. 4, 5, 6은 각각 부자와 표면의 고정점 간의 거리가 350, 1000, 1700 mm인 경우에 파고와 주기별 부자의 상하 움직임과 전압의 변화를 나타낸 것이다. 각 경우에 대한 그래프의 이름은 고정점과 부자의 간격인 표면 계류줄의 길이 (L, mm), 파고 (H, mm), 주기 (S, second)로 표시되어 있다. 즉 L350H100F1.1은 350 mm 길이의 표면 계류줄로 고정점 부자와 발광부자 사이를 연결하고 파고 100 mm에 주기가 1.1 second인 파랑을 인가하는 경우에 있어서, 부자의 상하 움직임과 전압의 크기 및 형태를 보여주는 것이다.

모든 실험에서 부자의 움직임을 나타내는 가속도 값이 파랑의 주기에 잘 대응하였는데, 파랑의 주기가 짧은 경우에는 가속도의 편차도 크고 주기도 짧았으며, 파랑의 주기가 긴 경우에는 가속도 크기의 편차도 작고 주기도 길었다. 특히, 파고가 100 mm로 가장 낮고 주기가 2.0 sec로 가장 긴 경우에는 움직임이 거의 없었다. 또한 파랑이 큰 경우가 파랑이 작은 경우보다 가속도의 편차가 컸다. 가속도 편차가 크다는 것은 부자의 움직임이 빠르다는 것으로 솔레노이드 내부의 자석의 행정(이동거리)이 클 가능성이 높다는 것을 의미한다.

실험의 결과에 의하면, 표면 계류줄과 파랑의 형태가 솔레노이드 장치가 발생시키는 전압의 크기와 질에 영향을 미친다는 것을 보여준다. 전체 실험의 케이스 중 2.3 V의 전압보다 낮은 전압이 발생되는 경우는 L1700H100S2.0이었다. 이 경우는 전체의 실험 케이스 중 표면 계류줄이 가장 길며 인가되는 파랑의 형태도 가장 낮은 파랑과 가장 긴 주기를 가졌기 때문에 부자가 파랑에 자유롭게 천천히 움직였다.

발광부자의 전압은 솔레노이드가 전압발생장치가 들어가 있는 부자 몸체와 전자석의 움직임을 결정하는 로드 및 고정판의 상하움직임의 위상 차이에 의해 발생되는데, 파랑이 높은 경우에는 부자본체는 파랑을 타므로 움직임이 크고 고정판은 움직임이 작기 때문에 위상차가 크게 발생하게 되지만, 파랑이 낮은 경우에는 위상차가 작아서 안정적인 전압의 공급이 어렵게 된다. 그러나 파랑이 낮은 경우에도 패러데이의 전자기유도 법칙과 같이 주기가 빨라지면 발생되는 전압이 커지게 된다.

즉 솔레노이드의 길이가 짧아도 그 안의 자석이 빠르게 움직이게 되면 지속적으로 충분한 전압이 공급된다. 따라서 파도의 주기가 긴 경우에도 표면 계류줄이 짧으면 부자가 긴 주기의 파랑을 못하기 때문에 발광부자가 옆으로 기울어지면서 상하로 움직이는 효과가 발생하면서 짧은 주기의 파도가 인가된 것과 같이 전압을 안정적으로 공급하게 된다 (Fig. 7 (b)). 파랑의 형태는 같았지만 2.3 V의 전압이 안정적으로 공급되는 L350H100S2.0과 안정적이지는 않지만 2.3 V의 전압이 공급되는 L1000 H100S2.0이 그 증거라고 할 수 있다.

그러나 L350H100S1.7의 경우는 계류줄이 상대적으로 긴 L1700H100S1.7나 1000H100S1.7에 비해 전압의 공급이 안정적이지 않았으며 마이너스 전압에서만 2.3 V 이상의 전압이 안정적으로 공급되어 4개의 LED 중 2개의 LED만 발광하였는데, 부자의 상하 움직임은 다른 실험들에 비해 가장 짧고 빨라서 부자의 움직임 빠를수록 전압의 공급이 안정적이라는 가설에 배치된다. Fig. 7의 그림과 같이 발광부자가 계류되어 있는 경우는 파랑의 주기와 구속된 계류 시스템의 주기 모두에 영향을 받게 되는데, 그 주기가 공교롭게도 양의 전압을 발생시키는 움직임을 저감하는 형태의 주기와 동기화 되면서 이러한 현상이 발생하는 것으로 판단된다. 발광부자가 가두리에 직접 부착되어 있는 경우는 가두리의 움직임에 예속되어 가두리에 인가되는 파랑의 형태에 따른 가두리의 움직임이 발광 여부를 결정하게 되지만, 대부분 가두리는 작은 파랑에는 거의 상하 움직임이 없으므로 발광부자가 작은 표면파에도 발광하도록 하기 위해서는 이 실험에서와 같이 표면 계류시스템을 이용하는 것이 유용하다. 이때, 인가하는 파랑의 형태에 따른 부자의 움직임과 고정판의 움직임의 위상차와 속도를 계산할 수 있다면 L350H100S1.7과 같은 현상을 방지할 수 있다.

발광부자가 계류줄에 묶여 있지 않고 파랑표면의 접선으로 움직이며 저자들의 의도대로 고정판의 항력이 매우 높아 일정한 수심에서 거의 상하 움직임이 없다고 가정하면 부자의 상하 움직임이 발광부자 내부의 자석의 움직임을 결정하게 된다. 이러한 가정이라면 발광부자의 움직임은 파랑의 일반식 (Berteaux, 1976)으로 표현된다. Fig. 7에서 발광부자가 파랑의 마루에서 골로 내려올 때 양전압이 발생하고 골에서 마루로 올라갈 때 음전압이 발생하므로, 발광부자의 반주기 움직임에 의해 양전압과 음전압이 발생한다고 할 수 있으므로 파랑 마루와 골의 차이가 솔레노이드 길이 (l )보다 긴 경우는 자속은 “l ”에 예속되고, 솔레노이드의 길이가 긴 경우는 2a에 의해 제한된다.

이를 조건으로 식 (1)에 대입하면, 자기선속 Φ (파이) 는 자기력선의 수 (B)와 자석의 면속도 (S)에 의해 결정되므로, 솔레노이드의 길이가 파랑의 골과 마루보다 짧은 경우는 식 (2)와 같이 나타낼 수 있고, 반대의 경우는 식 (3) 과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 wt는 파도의 주기이다.

그러나 발광부자는 형태에 따라서 표면에서 움직이는 모양이 다르고 (Yoon et al., 1998), 실제 해상은 여러 정현파가 섞여서 상존하며 부자도 표면 계류로 발광부자의 움직임에 간섭이 일어나기 때문에 위의 식으로는 이러한 조건을 모두 표현하기 어렵다. 따라서 이후의 연구에서 솔레노이드 방식으로 전력을 얻는 발광부자의 전력량을 예측하고 적정한 전력량을 발생시키기 위해서는 바다표면 입체경 등을 통해 발광부자를 설치하고자 하는 곳의 일반적인 해상상태를 파악 (Knauss, 1988)하여 그 조건을 질량스프링 모델 등 파랑과 조류의 조건이 추가 가능한 ‘컴퓨터를 이용한 수치해석 방법(Lee et al., 2008)’에 적용함으로써 발광부자의 움직임을 예측한 후, 이에 맞는 솔레노이드의 길이 등을 설계할 필요가 있을 것으로 판단된다.

결 론

이 연구에서는 솔레노이드를 내장한 부자가 파랑에 대응하여 전력을 생산하고 그 전력을 이용해 발광하도록 하는 자가발광형 부자에 대해 조파수조에서 실험을 실시하였다. 그 결과, 발광부자는 다양한 주기와 파고의 파랑에 잘 대응하여 상부의 LED가 발광할 수 있는 충분한 전력을 공급하였다. 그러나 파랑이 낮고 주기가 긴 경우에는 발광부자가 외부의 요인 없이 그 파랑에 자유로이 운동하게 되면 전력이 안정적으로 공급되지 못한다는 것을 알 수 있었다. 따라서 솔레노이드 형식으로 발광하는 부자에 충분한 전력을 공급하기 위해서는 부자의 상하 움직임을 빠르게 움직이도록 표면 계류줄의 길이를 조절할 필요가 있고, 해역의 상태와 발광부자의 모양에 따라 부자의 상하움직임 패턴이 달라지므로 해역의 상태를 고려하여 발광부자의 움직임을 예측할 필요가 있다. 향후 문제점을 개선하고 현장실험을 통해 실용성을 증명한다면 현장에서 충분히 사용할 수 있다고 판단된다.