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- 스마트 기술을 이용한 구조물 안전진단
- 손 훈 교수(KAIST 건설 및 환경공학과)
- ̸ :hoonsohn
kaist.ac.kr - : KAIST
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안녕하세요. 메이트릭 회원 여러분!
건축의 경우 훌륭한 구조물을 건설하는 것도 매우 중요하지만 이에 못지않게 관리 또한 경제적, 사회적 측면에서 매우 중요한 문제라고 말합니다. 사회기반시설 구조물뿐만 아니라 항공기, 철도, 선박 등의 기체 결함으로 인한 사고로 큰 인명피해와 사회 경제적 손실을 가져오고 있는데요. 오늘 인터뷰에서 만나 보실 분은 구조물 안전진단 기술을 연구하고 계시는 카이스트 건설 환경공학과 손훈 교수님이십니다. 건축공학쪽으로는 첫 인터뷰가 될 거 같은데요. 교수님을 직접 만나 뵙고 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.
1. 지금 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.
제가 하는 연구는 구조물 안전진단 기술개발로서 구조물에 내장형 센서를 장착하거나 비접촉식 센서를 활용해 구조물이 안전한지 평가하고 손상이 있는 경우 손상을 방지하는 연구를 하고 있습니다.
2. 구조물 안전진단기술에 대한 설명과 필요성에 대해서 알려주십시오.
아주 간단하게 말씀드리면 아파서 의사한테 가면 의사가 청진기를 가지고 심장박동수를 듣거나 또 어떤 경우는 피는 뽑아 검사를 하는 등 어떤 인체에서 데이터를 받아 그 신호를 가지고 건강상태를 검사하는데요. 그것과 비슷하게 구조물에서 센서 같은 것들을 이용해서 거기서 계측된 신호를 가지고 구조물이 얼마나 안전한지 이상이 없는지 검사하는 기술 이라 할 수 있습니다. 필요성에 대해서 말씀드리다면 우리나라가 60∼70년대 경제발전을 하면서 상당히 많은 사회 기반 시설물을 건설을 했습니다. 이러한 시설물들이 노후화 돼가면서 이제는 기존처럼 설계, 제작, 시공만이 아니라 기존에 있는 사회기반시설물을 잘 유지관리 하는 데에 대한 중요성이 점차 증가하고 있습니다. 그래서 제가하는 기술은 이러한 사회기반시설물이나 다른 시설을 잘 유지관리 할 수 있도록 하는 기술을 개발하는 것입니다.
3. 구조물 안전진단기법이 교량, 원자력 발전소, 초고층 빌딩, 항공기 등에 적용되고 있는데요. 각각 특징이 달라서 그에 따른 여러 가지 안전진단기술이 필요할 거 같습니다. 어떤 방법들이 있나요?
연구들을 보면 교량, 건물, 철도, 항공기 분야뿐만 아니라 요즘에는 자동차 설비공장 또 반도체까지도 이 기술을 적용하고 있습니다. 대상 구조물이나 잡고 싶은 손상에 따라 적용되는 기술이 많이 다릅니다. 지금 저희 연구실에서 하고 있는 기술은 레이저 같은 비접촉식 센싱기술을 이용해 강부재 같은 곳에 있는 균열이나 복합재료에 있는 박리현상을 잡아주는 연구를 하고 있습니다. 또는 레이저 이외에 열화상카메라 같은 것을 이용해서 비슷한 손상을 잡아내는 연구를 주로 하고 있습니다.
하지만 일반적으로는 대상 구조물에 따라 다르지만 가속도계나 스트레인 게이지 등을 이용해서 전체적인 구조물의 거동을 파악하는 연구도 많이 하는데 손상을 감지하는 데는 쉽지 않은 면이 있습니다. 그래서 저는 작은 손상을 감지하기 위해서 초음파 센서나 열화상카메라 연구를 하고 있습니다.
요즘 사람들이 관심을 가지는 것이 원자력 발전소입니다. 원자력 발전소는 아시다시피 한번 사고가 나면 인명피해 등 굉장히 큰 피해가 발생하는데 거기에는 사실 센서를 달기가 힘든 경우가 많습니다. 왜냐하면 원자력 발전소에 들어가 보면 온도도 굉장히 높고, 방사선에 노출되기 때문에 사람 몸만이 아니라 많은 센서들도 고온이나 방사선에 노출되는 환경에서는 오래 작동하기가 힘듭니다. 저희가 개발하는 연구 중에 하나는 이러한 고온이나 방사선에 노출이 되도 장기간 사용할 수 있는 센서를 개발하는 것 있습니다. 저희가 하고 있는 기술이 레이저를 활용한 초음파 기술을 사용하는데 비접촉으로 하는 것이 아니라 레이저를 광섬유를 이용해서 원하는 지점까지 저희가 전달을 해서 원하는 지점에서 초음파를 생성을 하고 계측할 수 있는 기술을 개발하고 있습니다. 그래서 사용하는 광섬유는 고온과 방사선을 견딜 수 있도록 개발을 합니다.
또한 저희가 하는 것은 자동차 공장에 적용하는 기술입니다. 예를 들어 현대자동차의 울산공장에서는 거의 60초에 차 한 대를 만들어 냅니다. 그런데 생산 공장에서 고장이 나서 가동이 멈춘다면 그 피해가 막심합니다. 공장에 있는 장비들을 실시간으로 손상 감지할 수 있는 기법을 개발해야 하는데 저희가 지금하고 있는 연구는 모터와 연결된 베어링 부분의 손상을 감지할 수 있는 기술을 개발하는데 저희는 압전소자를 사용해서 초음파나 임피던스 신호와 같은 것을 생성을 하고 계측을 해서 미소한 크랙이나 베어링의 볼트가 풀리는 것을 실시간으로 잡아낼 수 있는 연구를 하고 있습니다.
최근에 시작한 기술 중에 관심 있게 보고 있는 것이 비접촉 기술이 가장 잘 활용되고 실용될 수 있는 분야로 반도체 분야라고 생각합니다. 반도체의 경우는 생산하는 과정 중에 균열이나 손상이 생길 수 있는데 사실 반도체는 규모가 굉장히 작기 때문에 센서를 붙인다는 것이 거의 불가능 합니다. 그래서 저희는 비접촉 기술을 사용해서 반도체 생산 중에 실시간으로 손상을 감지할 수 있는 기술을 개발하고 있습니다.
요즘에 기름값이 오르면서 신재생, 대체 에너지로서 풍력에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이 풍력발전기의 블레이드도 모니터링하기기 굉장히 어렵습니다. 크기도 100m가 넘어 크고 돌고 있는 구조물이기 때문에 센서를 다는 것이 굉장히 어렵습니다. 물론 내장형 센서를 사용할 수 있지만 내장형 센서는 오래 쓰면 내구성이 떨어지기 때문에 고장이 나면 교체가하기 어렵습니다. 그래서 저희는 블레이드 같은 곳에 센서를 장착하지 않고 기둥에 스캐닝 장비를 달아서 스캐닝 장비가 올라갔다 내려갔다 하면서 블레이드를 비접촉식으로 스캐닝하고 손상을 감지할 수 있는 기술을 개발하고 있습니다.
4. 보다 정확한 안전진단을 하려면 센서를 많이 부착할 수밖에 없는데 이럴 경우 전선의 무게와 부피로 인해 설치의 어려움과 관리, 유지보수 등의 문제가 발생합니다. 이를 해결하기 위한 여러 방법들이 있다고 들었습니다.
작은 손상을 잡아내기 위해서는 센서도 많이 달아야 하고 많이 달다 보면 비용뿐만 아니라 전선 등이 문제가 될 수 있습니다. 대상 구조물에 센서를 장착해서 손상을 감지하는 연구도 하지만 최근에 연구하고 있는 것은 대상 구조물에 붙이지 않고 레이저나 초음파, 열화상 기술 등을 이용해서 비접촉식의 스캐닝 기술로 손상을 잡아내는 연구를 하고 있습니다. 센서를 붙이지 않기 때문에 센서의 내구성, 설비/유지관리 비용문제를 해결할 수 있습니다. 스캐닝을 하기 때문에 상대적으로 공간 해상도를 높일 수 있어서 작은 손상도 잡을 수 있는 장점이 있습니다.
5. 환경요인으로 인한 시스템 오작동을 줄이기 위해 “무기저 기법과 데이터 정규화 기법”을 사용하여 항공기 구조물과 교량에 시험 중이라고 들었습니다. 이 방법에 대한 설명과 어느 정도 연구단계에 와 있는지 궁금합니다.
성형외과 의사 분들이 광고할 때 성형 전, 후 사진을 보여주면 성형효과가 극대화 되서 잘 나타납니다. 저희도 구조물의 손상을 잡을 때 많이 하는 것이 손상 전의 신호와 손상 후의 신호를 비교하면 손상의 효과가 극대화됩니다. 손상에 의해서 얼마나 신호가 바뀌었는지를 잘 볼 수 있지만 실제 현장에서는 신호변화가 손상에 의해서만 생기는 것이 아닙니다. 예를 들면 온도 변화 때문에 생길 수도 있고 지나가는 차량 때문에도 생길 수가 있기 때문에 오작동이 많이 발생 할 수가 있습니다. 그 오작동이란 손상이 없는데 있는 것처럼 나타나는 것입니다.
제가 개발한 무기저 기법이란 말이 어렵긴 하지만 무기저란 말이 손상이 없을 때의 베이스라인 즉, 기저 데이터를 사용하지 않고 현재의 데이터를 가지고 손상을 잡아내는 방법으로서 온도변화나 하중변화 등 외부환경변화에 의해서 생길 수 있는 오작동을 많이 줄일 수 있는 장점이 있습니다. 이것과 관련해서는 제가 미국의 보잉항공사와 연구를 했고 이러한 방법을 영종대교에서 받은 신호에도 적용해서 관련 연구는 많이 진전되고 있습니다. 그렇지만 실제 상용화되기 위해서는 좀 더 많은 연구가 필요할 것입니다.
6. 다른 나라와의 협력 연구나 공동연구가 자주 있었다고 들었습니다. 그 연구들에 대해서 자세한 말씀 부탁드리겠습니다.
미국의 보잉항공사와 함께 진행한 것으로 항공기가 운행 중에 손상이 발생할 수 있습니다. 운행 중에 생길 수 있는 손상을 항공기 날개 안에 내장형 센서를 달아서 실시간으로 손상을 잡아낼 수 있는 공동연구를 했습니다. 구체적으로 말씀드리면 요즘 복합재 항공기 날개를 많이 만드는데요. 이 복합재 항공기 날개 같은 경우에는 외부충격이 생기면 내부에 박리라는 손상이 생깁니다. 이러한 박리 손상이 생기면 겉으로 보기에는 멀쩡하지만 안쪽이 붕 뜨게 되는데 사실 이러한 손상은 잡기가 쉽지 않습니다. 그래서 저희는 내장형 센서를 달아서 항공기 운행 중에 그것을 자동적으로 잡아낼 수 있는 연구를 했습니다. 이때 무기저 손상 감지 기법을 활용을 했습니다.
또한 미국의 공군연구소에 제가 2007년부터 매년 여름에 가서 연구를 하고 있습니다. 그곳도 항공기 손상 감지에 관심이 많습니다. 요즘에 제가 하고 있는 것은 비행기 날개와 동체 간의 연결부위가 있습니다. 날개가 흔들리다 보면 연결부분이 취약하게 됩니다. 그래서 연결부분에 균열이 많이 생기게 됩니다. 하지만 미소한 균열을 실시간으로 자동적으로 잡아내는 것이 쉽지 않습니다. 저희가 하고 있는 연구는 연결부분의 크랙에 취약한 부분을 내장형 센서를 사용해서 아주 미소한 크랙, 예를 들어 폭이 100um도 안되는 손상을 실시간으로 잡아낼 수 있는 방법을 개발하고 있습니다.
올해 9월부터 시작할 연구는 캐나다의 연구재단을 통해서 캐나다의 몇 개의 대학교가 연구비를 받게 되는 과제가 있습니다. 제가 거기에 참여를 해서 초음파 장비를 사용해서 유도초음파를 계측할 수 있는 비접촉 기술을 개발하려고 합니다. 보통 초음파 진행을 수치해석으로 모델링 합니다. 하지만 이게 제대로 모델링이 되었는지 검증하는 것이 쉽지 않습니다. 저희는 검증할 수 있도록 비접촉식 레이저 장비를 이용해서 실제 초음파가 어떻게 전파 되는지를 계측을 하고 그 자료를 수치해석한 것과 비교분석 할 수 있는 연구를 캐나다 연구재단 지원을 받아서 연구할 계획입니다.
7. 항공 분야 뿐 만 아니라, 원전시설분야, 토목 분야 기술에 있어서도 구조물 안전 기술이 대단히 중요한 것으로 생각됩니다. 여러가지 신기술이 개발되고 있는데. 현재 구조물 안전진단 기술의 수준은 어느 정도이며 그리고 해결해야 하는 과제가 어떤 것들이 있는지 궁금합니다.
이 분야에 대한 연구는 80년대 말쯤부터 시작을 해서 많은 분들이 연구를 하고 있습니다. 상당히 많은 부분이 실제 구조물에 적용되고 있습니다. 간단한 예를 들어, 공항 갈 때 건너는 영종대교나 인천대교의 경우는 이미 많은 수의 센서들이 장착이 돼서 저희가 항상 신호를 받고 있기 때문에 일부분 상용화되어 있습니다. 하지만 작은 손상을 잡아내기 위해서는 아직도 많은 연구가 필요한 부분이 있습니다.
8. 최근에 시작한 연구단 사업이 있다고 들었습니다. ICT 교량 연구단 사업은 어떠한 것인지 궁금합니다.
이 연구는 국토교통부 산하 연구과제로서 정식 명칭은 “ICT(Information & communication technology) 기반 교량 수명 연장을 위한 부분 교체 및 친환경 소재를 활용한 기술 개발”입니다. 저희가 연구를 하는 목적은 ICT 기술이나 교량 등을 부분 해체할 수 있는 기술과 저탄소 소재를 활용해서 교량을 어떻게 잘 유지 관리할 것인가에 대한 연구를 하고 있습니다. 구체적인 목적은 교량의 수명연장, 탄소배출량 저감, 공기 단축 및 비용 절감 등의 목적을 가지고 연구를 하고 있습니다. KAIST가 주관 연구기관이고 대우건설 및 RIST(포항산업과학연구원), 그 기관들을 포함해서 18개의 산업체, 7개의 대학 그리고 6개의 연구소들이 같이 5년 동안 약 280억 정도의 규모를 가지고 연구를 하는 과제입니다.
9. 사실 안전진단 분야는 건축공학분야라고 해도 실제 공부해야 하는 분야는 전자나 제어 등의 다양한 지식이 필요할거 같습니다. 한국에서는 이렇게 여러 가지 분야로 찾아서 공부하는 것이 쉽지 않을 거 같습니다. 구조물 안전진단분야를 연구하기 위해서는 주로 어떤 공부들을 해야 하는지 궁금합니다.
이 분야는 다학문적인 분야이기 때문에 가장 기본적인 구조공학이나 전기공학, 물리학의 기본적인 이해가 필요하고 그 이외에도 신호처리 기술, 영상처리 기술, 통계학, 전산학 등 다양한 분야에 대한 기술들을 많이 알아야 하기 때문에 공부를 꾸준히 계속하지 않으면 도태될 수 있는 분야라고 생각합니다.
10. 비교적 젊은 나이에 KAIST의 교수님이 되셨고 젊은 과학자상을 수상하시기도 하셨는데요. 많은 후배 연구자들이 멘토로 삼고 싶어 할 거 같습니다. 이 분야를 연구하고자 하는 후배 연구자들에게 조언을 해주신다면?
연구하는 사람으로서 정말 열정을 가지고 20∼30년을 즐기면서 할 수 있는 연구 분야를 찾는 것이 중요할 것 같습니다. 그리고 인기가 있다고 하는 곳을 가기 보다는 정말 남들이 하지 않는 새로운 분야를 개척하는 정신을 가지고 하면 재미도 있으면서 나름의 보람도 많이 느낄 수 있지 않을까 싶습니다.
* 인터뷰 진행: 정민경 리포터
* 촬영 및 편집 : 박수진 (event1412@nate.com)
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