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[과학의 달인] 스마트센서로 구조물 안전 지킨다…KAIST 손훈 교수

■ 손 훈 / KAIST 건설 및 환경공학과 교수

[앵커]
우리나라의 다리와 터널 등 각종 인프라시설과 대형 건물들은 1970년대에 많이 지어져서, 노후화로 인한 붕괴 우려가 큽니다.

이런 가운데, 스마트 센서로 구조물의 안전을 지키는 분이 있는데요. 오늘 <과학의 달인>에서는 KAIST 건설 및 환경공학과 손훈 교수님과 함께 이와 관련한 이야기 나눠보겠습니다. 어서 오세요.

포항 지진 이후 우리나라도 더는 지진 안전지대가 아닌 것이 확인됐죠. 당시에 낡은 건물은 물론 비교적 최근에 지은 건물까지 손상됐는데요. 건물이나 다리 같은 대형 구조물은 어떤 상황에서 무너지게 되나요?

[인터뷰]
구조물 붕괴원리는 경제 수요-공급원리와 유사한 면이 있습니다. 물건 가격을 보면 수요와 공급의 원칙에 의해서 결정되고 수요와 공급이 균형을 이룰 때 가격이 결정되고 유지됩니다. 구조물도 수요에 해당하는 것이 하중이라고 보시면 되고요. 공급에 해당하는 것이 지지력이라고 봤을 때 이 수요와 공급이 조화를 이룰 때 구조물은 안전합니다. 그러나 예로 다리의 하중이 증가하거나 어떤 이유로든지 건물에 손상이 발생하여 지지력 감소하게 되면 이 균형이 깨지면서 구조물이 붕괴할 수 있습니다.

[앵커]
공급과 수요로 비교를 해주셔서 이해가 쉬운데요. 그럼 무너지기 전에 미리 대형구조물의 안전 상태를 파악하는 게 중요할 것 같습니다. 구조물의 안전 상태를 모니터링 하는 방법에는 어떤 것들이 있나요?

[인터뷰]
그래서 구조물 붕괴를 방지하기 위해서는 아까 말씀드린 구조물에 작용하는 수요와 공급을 파악하는 것이 중요합니다. 여기서 수요는 구조물에 작용하는 하중으로 다양한 하중을 계측하는 모니터링 기술들이 개발되어 있습니다.

예를 들면 현수교나 사장교 케이블에 작용하는 하중을 계측하는 기술 및 교량을 통과하는 과적 차량의 무게를 검사하는 기술들이 이에 해당합니다.

두 번째는 구조물의 작용하는 공급 즉 지지력을 모니터링하는 기술인데 이는 상대적으로 좀 더 어렵습니다. 예로 콘크리트 구조물 강도를 현장에서 실시간으로 직접 계측하는 것은 매우 어렵습니다. 그래서 대신 육안으로 검사를 해서 콘크리트에 발생하는 균열을 검사한다든지 아니면 하중이 작용한 구조물 변위를 계측하는 방식 등으로 구조물의 지지력을 간접적으로 추정하는 모니터링 기술이 많이 개발되고 있습니다.

또한, 기존에는 구조물 안전진단이 사람에 의한 육안검사로 많이 수행되었습니다. 근데 최근에는 육안 검사를 대체하기 위해서 카메라를 드론이나 로봇에 장착하고 영상을 계측하고 이렇게 계측된 영상에 인공지능 기술을 적용하여 자동으로 구조물에 균열 및 손상을 감지하는 연구가 많이 진행되고 있습니다. 특히 최근 다양한 건설 및 제조업 현장에서 안전사고가 자주 발생하기 때문에 이러한 드론과 로봇을 이용한 안전진단 기술에 대한 수요는 점차 증가할 것으로 기대됩니다.

[앵커]
사람이 하던 검사를 이제는 로봇이 하고 있다는 건데요. 교수님께서는 더 나아가서 하나의 센서로 구조물의 6가지 방향 변위를 동시에 계측할 수 있는 시스템을 개발하셨다고 들었습니다.
자세히 설명해주시죠.

[인터뷰]
우리가 몸이 아플 때 제일 먼저 받는 검사 중 하나가 체온을 측정하는 것입니다. 이와 유사하게 구조물 안전성을 일차적으로 신속하게 판단할 수 있는 가장 쉬운 방법이 구조물 변위를 계측하는 것입니다. 그래서 많은 연구자가 구조물 변위를 계측하는 기술을 활발히 연구해왔습니다.

현재 상용제품을 보면 가속도 센서를 이용해서 이렇게 빨리 떨리는 변위를 추정하는 기술이 있고 또 한편으로는 GPS를 이용해서 이렇게 천천히 떨리는 변위를 추정하는 기술이 있습니다.

저희는 이러한 GPS와 가속도 센서를 융합하여 이렇게 천천히 움직이는 변위와 빨리 움직이는 변위를 동시에 정밀하게 계측하는 기술을 개발하였습니다. 또한, 이렇게 X,Y,Z 3 방향 변위와 3 방향 회전각을 동시에 측정할 수 있고 변위 이외에 속도 및 가속도도 동시에 계측할 수 있도록 기술을 개발하였습니다. 최근에는 GPS 대신 영상 카메라 또는 LiDAR와 가속도 센서를 접목해서 변위를 추정하는 연구를 진행하고 있습니다.

[앵커]
말씀하신 연구가 실제 제품으로 나와서 현장에서는 이미 적용 중이잖아요. 현장 적용해봤더니 결과는 어땠나요?

[인터뷰]
예 저희가 개발한 변위 계측 기술은 현재 국내 중견기업에 기술이전이 되어서 실제 상용품으로 판매가 되고 있고 건설현장에서 사용되고 있습니다. 예로 영종대교와 인천대교 변위 계측에 사용되고 있으며 이외 일산에 있는 고층건물 안전성 모니터링 및 강원도 산지 비탈면 산사태 모니터링들에 사용되고 있습니다.

물론 앞으로 더욱 개선에 여지는 있지만, 나름대로 현재까지 만족스러운 변위 계측 결과를 획득하였습니다. 저희가 영종대교, 인천대교 이외에서 미국 샌프란시스코에 있는 Oakland-Bay Bridge를 포함해서 국내 교량 2개 및 중국 교량 등에서 현장실험을 수행하였으며 전반적으로 2~3mm의 정확도로 교량 변위를 추정할 수 있었습니다.

[앵커]
익숙한 대교 이름이 나와서 반가웠는데, 영종대교와 인천대교에서 사용하고 있다고 설명해주셨는데요. 개발한 기술이 구체적으로 어떻게 활용되고 있는 건가요?

[인터뷰]
영종대교를 예를 들어서 말씀드릴게요. 현재 영종대교의 경우 1초에 최대 100번까지 변위를 계측하고 24시간 지속해서 실시간으로 영종대교를 관리하는 신공항 하이웨이라는 곳이 있거든요. 관제소로 실시간으로 전달됩니다. 그리고 변위계축하는 지점은 가장 높은 지점인 주탑이라고 하는데 그 부분을 포함해서 변위 계측은 주탑을 포함해서 중요 지검 6개소 정도에서 수행되고 있으며 계측되는 데이터는 실시간으로 영종대교를 운영 관리하는 신공항하이웨이 관제실로 전송됩니다.

그리고 과거 변위 이력과 비교에서 기준치를 초과하는 이상 변위가 발생하는 경우 실시간 경보를 보내는 방식으로 운영되고 있습니다. 사실 교량의 경우 하루 중 교통량에 따른 변위 변화보다 일교차 또는 계절별 온도 차에 따른 변위 변화가 더 큽니다. 영종대교와 같은 대형 교량에는 변이 이외에도 100여 개 이상의 다양한 센서가 설치되어 안전진단 및 모니터링에 사용되고 있습니다. 그래서 다음에 진행자분들도 코로나가 끝나서 해외여행을 가시게 되면서 영동대교나 인천대교를 지나실 일이 있으면 이러한 다리에는 다양한 센서로 구성된 모니터링 시스템이 우리 사회기반 시설물을 좀 더 안전하게 유지 관리하는 데 사용되고 있다는 것을 기억해주시면 감사하겠습니다.

[앵커]
지나갈 때 가장 믿을 수 있는 다리라는 생각이 들 것 같습니다. 열화상 카메라를 이용해 구조물의 안정성을 모니터링하는 기술도 개발했다고 들었는데, 이건 어떤 기술인가요?

[인터뷰]
앞에서 언급 드린 바와 같이 기존 구조물 안전진단은 주로 육안 검사 또는 영상 계측을 통해 이루어지고 있으며 대부분 눈에 보이는 표면 결함만을 검출할 수 있고 눈에 보이지 않는 내부결함은 검출하기가 어렵습니다. 저는 지난 몇 년간 표면 결함만이 아닌 눈에 안 보이는 내부 결함을 검출할 수 있는 기술 개발에 관심을 두고 연구를 진행해 왔습니다. 그중 하나가 열화상 기술입니다.

최근 코로나 발생으로 많은 장소에서 체온검사에 열화상 카메라가 사용되고 있는 것은 여러분이 잘 알고 계실 것입니다. 저희는 레이저와 열화상 카메라를 접목하여 강구조물 표면 및 내부 결함을 검사하고 페인트 도막 두께를 정량화하고 시각화하는 기술을 개발하였습니다. 예로 강구조물에 표면을 레이저로 살짝 열을 가하고 이로 인해 발생하는 열 반응 특성을 열화상 카메라로 계측하여 강구조물 표면에 도포된 페인트 도막 두께를 실시간으로 측정하는 기술을 개발하였습니다.

제가 진행자 두 분께 여쭈어 보겠습니다. 페인트 도막을 살짝 열로 가열해서 식힐 때 도막이 두꺼운 경우가 먼저 식을까요? 아니면 도막이 얇은 경우가 먼저 식을까요?

[앵커]
아무래도 얇은 경우가 먼저 식지 않을까요?

[앵커]
저는 이런 경우는 당연한듯한 대답을 피하는 것이 정답인 경우가 있더라고요. 저는 두꺼운 것을 한번 골라보겠습니다.

[인터뷰]
우리가 라면을 끓여 먹을 때 냄비에다가 물을 많이 담은 것과 적게 담은 것을 보면 먼저 끓고 난 다음에는 식을 때는 물이 많은 경우가 늦게 식는 경우가 많거든요. 그래서 이처럼 도막 두께에 따라서 레이저로 열을 가했을 때 반응하는 속도가 다른 원리를 이용해서 제가 도막 두께를 0.02 mm 정도의 정확도로 측정하는 기술을 개발하였습니다.

아까 말씀드린 대로 일반 카메라나 육안으로는 이러한 도막 두께를 측정하는 것은 어렵습니다. 특히 저희 기술은 페인트가 다 마른 상태에서만이 아니라 부재에 페인트를 칠하고 있는 중에도 실시간으로 도막 두께를 측정할 수 있으므로 실제 페인트 시공 중에도 활용할 수 있습니다. 최근에는 반도체, 전기 자동차 이차전지, 수소와 같은 신재생 에너지 저장소, 풍력발전기 등에 품질 검사하는데 적용하고자 노력하고 있습니다.

[앵커]
정말 다양한 분야에서 활용할 수 있군요. 그런데 교수님께서 구조물 설계나 시공이 아닌 구조물 안전 진단 분야를 연구하게 된 특별한 이유가 있다고 들었습니다. 무엇인가요?

[인터뷰]
이전 건설 분야 연구는 주로 설계 및 시공 기술 개발이 주류였지만 최근 들어서는 사회기반시설물의 급속한 노후화로 안전진단 및 유지관리 분야에 대한 관심이 점차 증가하고 있습니다. 이는 마치 고령화 사회가 도래하면서 바이오 및 신약 개발 연구가 활발히 진행되는 것과 유사합니다.

특히 우리나라의 경우는 60~70년대에 급속한 경제 성장을 하면서 많은 구조물이 시공되었고 최근에 노후화가 급속히 진행되고 있습니다. 그래서 저는 박사 진학 시 연구분야 선택할 때 앞으로는 안전진단 및 유지관리 분야가 유망할 것으로 생각했습니다. 특히 저는 1994년에 미국에 박사학위를 받으려고 유학을 갔는데 1994년에 성수대교가 무너지고 1995년도에 삼풍백화점이 붕괴된 것이 제가 이 분야 연구하게 된 일부 동기가 된 것 같습니다.

[앵커]
교수님께서 사회의 안전을 어떻게 보면 강화하는 방안에 기여를 하고 계시잖아요. 교수님의 앞으로 연구 계획은 무엇인가요?

[인터뷰]
현실은 저를 포함한 대부분의 연구자분이 원천연구도 아니고 실용화 연구도 아닌 그 중간단계에서 애매한 논문을 쓰기 편한 연구를 수행하고 있습니다. 저도 그중에 한 사람이고요. 그래서 앞으로는 논문만을 위한 연구가 아니라 실제 상용화되어서 세상에서 사용될 수 있는 기술개발 및 사업화 관련 연구를 수행하는 것이 저의 앞으로의 계획입니다. 제가 하는 연구는 3D 프린팅 공정 중 실시간 모니터링 및 공정제어를 통해서 3D 프린팅으로 가공된 구조물의 품질을 향상하고 불량품을 줄이는 기술을 개발해서 안전한 사회를 만드는 것이 연구계획입니다.

[앵커]
말씀하신 기술이 하루빨리 상용화되어서 우리 사회 전반의 시설물을 좀 더 안전하게 유지하고 관리하는 데에 큰 역할을 할 수 있길 기대하겠습니다. 지금까지 카이스트 손훈 교수와 함께했습니다. 고맙습니다.
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