잠수 장비를 사용하여 수중의 물체나 구조물의 상태를 조사·탐색·촬영·채집하고 시설물과 구조물을 검사 및 보수하는 산업 잠수사들은 수중으로 잠입 시 원활한 활동과 귀로 확보를 위해 구명줄을 이용한다. 빛이 없고 부유물이 많아 시야확보가 힘든 수중 구조물이나 좌초 선박 내에서 인명구조 또는 연구 조사 시, 잠수부들은 오직 손에 쥐고 있는 구명줄에만 의지할 수밖에 없다[1]. 가시화 구명줄은 잠수사들의 순간적인 공간지각능력의 저하로 방향성을 잃게 되었을 때 광섬유의 발광과 귀로의 시각적 표현으로 안정감을 제공할 수 있는 획기적 특징이 있다.

그러나 Figure 1 (a)의 기존 구명줄의 경우, 끊어지거나 꺾임 등 전기, 기계적 문제는 없으나 단순 가이드라인으로써 강한 인장강도와 경량화에만 집중되어 제작되었고, 발광체가 없어 잠수부의 활동 반경이 극히 제한적이다. 이를 개선하고자 최근 수중 구명줄에 Figure 1 (b)의 전계 발광(Electro-luminescent, EL)선을 적용하여 가시화에 대한 연구 및 시제품 제작이 진행되어 왔다. 하지만 전계 발광선은 길이에 비례하여 높은 전압과 큰 전류가 필요하며 기타 조명기구와 비교하여 휘도가 매우 낮고 방수, 절연 등의 문제가 있다. 또한 수중조사에 구명줄과 병용하여 가시화를 위해 비닐 투명호스에 LED(Light emitting diode)를 삽입한라이트 라인을 수중에서 사용해보려 했으나, 낮은 인장강도와 LED가 수압에 파손되는 등 의 문제로 적용되지 못하였다.

Figure 1: 
Rescue-rope

따라서 본 논문에서는 구명줄의 가시화를 목적으로, 광섬유를 구명줄로 하면서 동시에 고출력 LED광원을 적용하여, 구명줄과 가시화 기능을 모두 확보하였다. 수중 실험으로부터 수중에서 최적의 광파장과 휘도 등 전기광학적 특성을 도출하였으며, 본 연구결과는 잠수사의 활동 영역을 확대시키고 동시에 안전을 확보하는데 기여할 수 있다고 판단된다.

빛의 수중 투과와 잠수사의 구명줄 인지 정도를 평가하기 위한 실험용 구명줄 시스템은 적색, 녹색 및 청색 3가지 색상의 선택이 가능한 제어부와 전원부 그리고 광섬유로 구성하였다. LED 광원의 제어부는 정격전압 36 V, 1 A의 고출력 RGB 3색 LED와 방열장치(Heat sink)로 제작하고, 전원은 36 V 연축전지를 사용하였다.

LED 구동과 광량은 정전류(Constant current)형 강압(Step - down)컨버터로 제어하였다[6][7]. 광섬유는 수중에서 코어(Core)의 보호를 위해 클래드(Clad)가 입혀진 형태로 측면 발광을 하며, 총 길이는 50 m이고 5 m마다 표시가 되어 있으며 가이드라인과 고정을 위한 클립이 부착되어있다. 광섬유는 빛을 전파시키는 통로로써 빛 에너지를 전반사 원리로 전송하는 역할을 하며 부분 손상이 되더라도 절단되지 않는 한 광을 말단까지 보낼 수 있으며, 방수에 문제가 없다.

빛을 발산하는 광섬유의 정량적 특성은 단위 면적당 밝기(눈부심)의 정도를 나타내는 휘도 cd/cm²를 기준하였으며, 이는 구명줄이 특정 방향으로 빛을 조사하기 위한 것이 아니라 잠수사가 구명줄을 인지하게 해야 되기 때문이다[8].

광원별 광섬유 표면에서의 측정한 파장 및 휘도를 Table 1 및 Figure 4에서 보여준다. 실험에 사용된 LED는 각각 36W이며, 광섬유 표면의 휘도는 녹색이 가장 높았다.

Figure 4: 
Visualization rescue-rope

이것은 소비전력은 동일하지만 LED의 광효율은 녹색이 높기 때문이며, 광섬유의 광전달 특성에 기인한 것은 아니다.

수중 실험은 민간 잠수사 및 경찰청 과학수사과와 공동으로 수행하였으며, Figure 5와 같이 정박시킨 선박에서 무게추를 부착한 광섬유를 수직으로 내려 수심 5 m 마다 영상을 촬영하였다. 실험은 주간 및 야간에 총 2 회 실시하였으며, 주간에 소형 선박을 이용해 수심 20 m 이상의 연안에서 진행하였다. 주간 실험의 경우, 상당 수심까지 태양광 투과로 구명줄의 가시화를 정량적으로 평가하는데는 적합하지 않았다. 야간 실험은 동일한 조건에서 광섬유를 내려 시감도 분석과 깊이에 따른 광섬유의 측면발광으로 시계거리를 측정하였다.

Figure 5: 
Underwater experiment

Figure 6은 수중실험 당시 촬영한 사진으로 수심 10 m, 광섬유로부터 3 m 거리에서 각 파장별로 촬영한 사진이다. 빛이 없는 야간 실험에서는 가시화 구명줄 근처에서 구명줄을 인지할 수 있었다.

Figure 6: 
On-site experiment

동일한 출력을 가지는 LED로 실험을 진행하였으나, 적색 파장의 경우 광섬유로부터 4 m 이상 멀어지면 점으로 보이며 구분이 불가능하였다. 이는 코어를 보호하는 클래드의 제조 시 결함으로 균일한 모양이 아니거나 물리적 손상으로 인해 변형된 부분에서 빛의 집중 발산으로, 휘도가 높지만 빛의 손실이 많기 때문이라고 판단하였다.

청색 파장은 6 m에서 시계 확보가 어려웠으며, 녹색 파장의 경우 8 m까지 잠수사가 인지할 수 있었다. 광섬유로 발산되는 빛이 10 m 이내인 이유는 수중의 부유물들로 인한 빛의 산란 때문인데, 비시감도가 높은 녹색 파장에서 휘도가 높아 광의 전달거리는 증가하게 된다[9].

잠수사의 효율적인 수중활동과 귀로에 필요한 생명줄을 가시화하기 위하여 광섬유를 적용한 LED 광시스템을 제작하였다. 최종 시제작품은 소비전력 40 W의 LED 모듈을 이용하여 최적 시감도의 녹색 파장(525 nm)으로 광을 전송한다. 구명줄로 광섬유를 적용하여 충분한 인장강도를 얻을 수 있었으며, 외부 충격으로부터의 굽힘과 손상에 대한 내구성이 강하고, 추가적인 방수구조도 필요하지 않으므로 수중 구명줄 기능으로 최적합하다고 판단된다.

최종 시제작 가시화 구명줄 시스템에서 구명줄 표면의 휘도는 1,650 cd/cm²로 수중 실험용 시스템에서 표면휘도 120 cd/cm²와 비교해 13.5배 증가한 것으로, 수중에서 10 m이상 충분히 인식이 가능할 것으로 판단된다. 제작된 가시화 구명줄 시스템은 목적에 따라 광원을 변경으로 다양한 색상 연출과 휘도 조절도 가능하여 광범위하게 활용이 가능할 것으로 기대한다.