일본산 실리콘 공진식 수압계를 이용한 심해의 해수면 변동 관측 성공

일본 국립 연구 개발 법인 방재 과학기술연구소(NIED, National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience), 도쿄 대학에 소속된 지진 연구소(ERI, Earthquake Research Institute), Yokogawa는 쓰나미의 조기 발견에 사용할 수 있는 혁신적인 수압계의 평가에 착수했다. 본 평가에 사용된 수압계는 새로운 형태의 실리콘 공진식 수압 센서^*1을 장착하였으며, 수심 3,436m의 일본 지바현 보소 반도 인근 해저에 설치하였다. 이번 평가에서 게이지는 해수면 7cm 변화에 해당하는 7헥토파스칼의 수압 변동을 성공적으로 파악했다. 드물게 발생하는 쓰나미에 대한 데이터 취득이 어렵지만 평가를 통해 쓰나미와 유사한 해수면 변화를 감지함에 따라, 실제 쓰나미 발생 시 수압계를 사용할 수 있을 것으로 기대한다. 수압계는 난카이 해곡의 해저 지진해일 관측망(N-net)에 채택돼 지진에 의해 발생한 쓰나미로 인한 해저의 수압 변동을 관측해 신뢰할 수 있는 쓰나미 탐지가 가능하고 피해 완화에 기여할 예정이다.
새로 개발된 수압계인 N-net의 세부 사항과 그 평가는 2023년 5월 21일부터 26일까지 열리는 일본 지구과학연맹 회의에서 발표될 예정이다.

Figure 1. A water pressure gauge equipped with a silicon resonant pressure sensor that uses MEMS technology. Length 261.5 mm. (source: Yokogawa)
그림 1. MEMS 기술을 이용한 실리콘 공진식 수압 센서를 탑재한 수압계. 길이 261.5mm.(출처: Yokogawa)
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내용

NIED, ERI, Yokogawa는 MEMS^*2 실리콘 공진식 수압 센서가 장착된 수압계의 유효성을 평가하여 지진 발생 시의 큰 흔들림 속에서도 정확한 데이터를 취득이 가능하도록 해저 압력 관측 장치로 사용하였다. 지진 중에 발생하는 상당한 지반 이동을 고려하여, 본 테스트는 측정 데이터의 취득이 진동 또는 자세 변화에 영향을 받는지 여부를 확인하고자 하였다. 자세 변화가 수압계에 미치는 영향이 기존 수압계보다 작음을 확인할 수 있었다. 또한 수심 7000m에 상당하는 70메가파스칼(MPa)을 반복 적용한 정밀시험에서 70MPa 이하 0.005%의 반복성^*3이 우수한 특성임을 확인하였다. 이 수압계는 MEMS 기술을 사용하기 때문에 각각의 제품이 동일한 품질을 갖는 장점을 제공한다.

실제 해저환경에서 수압계의 성능을 평가하기 위해 일본 지바현 보소 반도 앞바다의 수심 3,436m에서 총 203일간 해저관측을 실시하였다. 쓰나미에 대한 관측 데이터를 얻는 것은 통상 어려운 일인데, 이는 쓰나미가 드문 현상이기 때문이다. 다만 평가 작업 중 2022년 1월 15일 통가(Tonga) 군도의 해저화산 헝가하파이(Hunga-Ha'apai)의 화산 폭발로 인한 해수면 7cm 변동을 관측했다. 추가 데이터 분석을 통해 수압계가 1cm 미만의 해수면 변화에 해당하는 압력 변화를 관찰할 수 있었다는 사실도 확인했다. 확인된 민감도는 수압계가 실제 쓰나미를 관측하기에 충분한 성능을 가지고 있음을 나타낸다. 수압계는 심해용 정밀도가 높은 일본 생산 제품으로 세계 어디서나 제조되는 최첨단 기기와 같은 수준의 감도를 갖췄다.

Figure 2. Location of observations (off the Boso Peninsula, Chiba Prefecture)
그림 2. 관측 위치(지바현 보소 반도 앞바다)
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Figure 3. Free-fall pop-up type ocean bottom device equipped with the new water pressure gauge used for the evaluation on the seafloor
그림 3. 필드 실증 시험에 이용된 새로운 수압계를 탑재한 자유낙하 자기부상식 해저압력계
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지진 및 쓰나미 관측 네트워크는 재해 위험 감소(DRR, disaster risk reduction) 인프라의 일부로, 재해 위험 정보의 향상과 지진 및 쓰나미에 대한 DRR 연구 개발에 기여한다. NIED는 일본의 모든 육상 및 해상 지역을 대상으로 육상 및 해상 파도 모니터링(MOWLAS)을 운영하고 있다. NIED는 2019년부터 케이블 방식 해저 지진 및 쓰나미 관측 시스템인 N-net을 개발하고 있다. N-net은 지진이 예상되고 관측망이 구축되지 않은 난카이 해곡의 지진 발생원 지역 내에 설치될 예정이다(일본 코치현 앞바다에서 휴가-나다(Hyuga-nada)까지). N-net은 지진과 쓰나미를 직접 감지해 육지에 안정적으로 정보를 전송하는 네트워크 시스템으로 실시간 관측이 가능하다. 이 시스템에서 중요한 역할을 수행할 새로운 실리콘 공진식 수압계가 채택되었다. NIED, ERI, Yokogawa는 난카이 해곡 메가트러스트 지진 발생 시 피해 완화에 최대한 기여하는 것을 목표로 이 수압계의 신뢰성을 보장하기 위해 수많은 테스트를 수행했다.

Figure 4. Overview of N-net
그림 4. N-net의 개요
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NIED, ERI, Yokogawa는 재해 복구 사회를 실현하기 위해 DRR 과학 기술을 향상시키기 위한 노력을 계속 진행할 것이다.

*1 Yokogawa의 실리콘 공진식 압력 센서는 단결정 실리콘 공진기의 공진 주파수가 압력에 의존해 변화하는 것을 기초로 한 센싱 방식을 채용하고 있으며, 소비전력이 적고, 소형, 고감도, 안정성과 내압성이 높은 것이 특징이다. 상기 공진기는 실리콘 반도체 제조 기술을 응용하여 청정한 진공 공간 내에 밀봉되어 외부에서 이물질이 공진기에 부착되어 성능이 저하되는 것을 방지한다. 또한 수정 공진기를 이용한 센서로 발생하는 가스 탈착에 따른 성능변화가 없으며 안정적인 측정이 가능하다. Yokogawa는 1991년부터 산업용 차압 및 압력 전송기에 이 감지 방식을 이용한 압력 센서를 설치하고 있다.

*2 미세 전자 계기 시스템 기술

*3 동일한 측정 절차, 운전자, 측정 시스템, 작동 조건, 위치, 동일하거나 유사한 대상에 단기간에 걸쳐 반복 측정을 포함하는 일련의 조건 하에서 측정의 정밀도를 나타내는 특성

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