-정확한 하중 지점 찾는 ‘스마트 광섬유 센서’ 개발

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열)이 구조물의 안전성을 정확하고 간편하게 측정하여 대형 사고를 방지하는 센서 기술을 개발했다고 지난 11월 12일 밝혔다.
KRISS 안전측정센터 권일범 책임연구원팀은 구조물에서 변형이 집중되는 위치를 찾아 측정하는 ‘스마트 광 섬유 센서’를 개발했다. 사고 위험에 노출돼 있는 불안정한 구조물들을 지속적으로 점검·관리할 수 있는 안전 체계가 갖춰질 것으로 전망된다.
이번 기술은 구조물의 전체적인 스캔은 물론, 원하는 특정 지점만을 선택하여 측정할 수 있어 보다 체계적인 모니터링이 가능하다.
고층 빌딩, 교량과 같은 기반시설부터 산업 현장에 설치하는 중대형 설비까지 모든 구조물은 노후화됨에 따라 균열, 파손이 발생하고 안전성이 떨어지게 된다. 이러 한 문제들을 초기에 감지하지 못하고 방치할 경우, 대형 안전사고로 이어질 위험이 높다.
특히, 구조물에 과다하게 가해지는 하중은 안전성 저하의 주범으로 손꼽힌다. 게다가 하중이 특정 지점으로 몰리게 되면, 구조 내부에서 하중에 대항하여 생기는 응력과 변형이 커지게 된다. 이는 결국 구조물에 계속 무리를 주어 노후화를 가속시킨다. 과적 화물차의 통행량이 많은 교량에서 흔히 볼 수 있는 현상이다.

하지만 기존 방식인 분포형 광섬유 센서로는 정확한 변형 발생 지점을 찾는 것이 매우 어려웠다. 복잡한 주파수 제어가 필수적이었으며, 많게는 수십 km의 광섬유를 부가적으로 사용하다 보니 부피가 커지고 온도와 같은 외부 영향에 취약했다. 광섬유의 온도가 변하면 굴절률에 영향을 주게 되어 전혀 다른 곳을 변형 지점으로 측정할 수 있다.
KRISS 권일범 책임연구원팀은 부가적인 광섬유 없이 안정성을 확보한 스마트 광섬유 BOCDA* 센서를 개발, 불안 요소를 근본적으로 제거하는데 성공했다. 주파수 조작이 아닌 위상변조 시간차 선택 방식을 도입하여 최소한의 감지 광섬유만으로 1 km까지 정확한 하중 지점을 찾은 것이다.
스마트 광섬유 센서는 랜덤 코드의 위상을 변조하고, 두 코드간 시간차를 제어함으로써 5 cm마다 각기 다른 디지털 번호를 부여한다. 센서가 알려주는 번호만으로 정확한 위치 파악이 가능한 것이다.

연구팀은 이번 기술을 교량 모형의 강철 구조물과 그라운드 앵커*에 적용하여 테스트를 완료했다. 센서를 교량에 설치하면 지속적으로 변형이 증가하는 지점을 발견하여 결함 발생전 조치를 취할 수 있다. 그라운드 앵커의 경우 구조물 해체 없이 단순 센서 설치만으로 점검이 가능하여, 앵커 파손으로 도로 옆 비탈면에서 산사태가 발생하는 것을 예방할 수 있다.
스마트 광섬유 센서는 교량, 댐, 터널, 전기 및 가스 등의 사회 인프라부터 화학 및 원자력 플랜트, 철도, 항공 기, 우주 발사체까지 다양한 구조물의 안전성 모니터링을 위한 측정 기술로 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
권일범 책임연구원은 “한국건설기술연구원(KICT) 콘크리트 신경망센서 연구팀과의 협력으로 개발된 이번 기술은 인프라 시설물의 모니터링에 활용될 것이다”라며 “사람이 통증 부위를 스스로 감지하여 느끼는 것처럼, 구조물도 이번 기술을 적용하면 하중 지점을 자동으로 탐지 하는 ‘스마트 구조물’이 될 수 있다”고 말했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 레이저 피직스(Laser Physics) 등에 게재되었으며, 국내외 특허출원을 이미 마쳤다.

이번 기술 뭐가 다른가?

KRISS 연구팀은 펌핑광과 탐촉광을 랜덤코드 패턴으로 위상 변조하면서 시간차를 제어하고, 측정 위치를 자유롭게 선택하여 그 위치에서 변형률을 측정할 수 있는 광섬유 BOCDA 센서 시스템을 개발했다. 이번 기술의 유효성을 검증하기 위해 연구팀은 교량 모형 구조물(강재 단순보) 하중 시험을 통해 응력 작용 위치를 손쉽게 탐지했다. 또한 그라운드 앵커 베어링 플레이트의 분포 변형률 측정 시험을 통해 정확한 그라운드 앵커 인장력을 검출하는 데에도 성공했다.
어디에 쓸 수 있나?

1. 사회 기반 시설물 안전 및 유지관리 분야의 효율화

이번 기술을 교량, 댐, 터널, 고층 빌딩 등의 사회 기반 시설물에서 하중 관리가 필요한 곳에 부착 및 측정하면 시설물의 하중 상태를 실시간으로 파악할 수 있다. 손상 발생 및 수리에 대한 정확한 정보를 손쉽게 확보할 수 있어 안전한 유지관리가 가능하다.

2. 중대형 산업 설비의 상태 감시 최적화

중화학 및 중공업 분야에서 설비의 운용 상태를 평가하기 위한 센서 시스템으로 활용할 수 있다.  저장용 압력 탱크, 파이프라인과 같이 산업 설비에 대한 변형을 모니터링할 수 있다.

3. 항공, 조선 분야의 운송체 안전관리 효율화

​항공, 조선 분야의 운송체를 비롯한 장비 등의 운영 조건별 구조 변형 상태를 모니터링할 수 있어 효율적인  운영을 가능하게 한다.