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주요연구성과

피로균열 감지 비선형 초음파 기술 및 무선 센서 노드 개발
  • 작성자선광웅
  • 연구기관한국과학기술원 건설 및 환경공학과
  • 조회수1291
  • 작성일2018-01-02
  • 연구책임자 첨부된 이미지가 없습니다. 손 훈
  • 소속기관한국과학기술원 건설 및 환경공학과
  • 연구기간2013 ~ 2018
  • 이메일/연락처 /

교량을 비롯한 사회기반시설물 및 공공시설물의 안전 확보에 대
한 대국민 신뢰가 강조되고 있는 시대다. 성수대교 붕괴사고로
사전 안전점검의 중요성을 경험한 우리로서는 이와 관련된 원천
기술의 확보가 매우 중요한 가치를 지닌다. 기존에 계측한 데이
터가 없는 상태에서도 피로균열의 유무를 판단할 수 있는 비선형
초음파 기술과 강재 피로균열 모니터링용 무선 센서 노드가 개발
됨으로써 국가적인 차원의 안전기술 확보는 물론이고 사업화를
통한 기술이전 및 수익창출도 기대할 수 있게 됐다.


□연구목적


교량사고의 예방적 유지관리를 위한 지능형 친환경 통합 관리기술 개발의 필
요성이 요구되고 있다. 강재에 발생된 피로균열 감지기술 및 무선 센서 노드
개발은 관련 지적재산권 확보와 개발기술의 건설시공사 또는 교량 유지관리
업체로의 기술이전을 통한 제품화 및 상용화에 크게 기여할 것이다. 또 교량
뿐만 아니라 초고층빌딩, 해상크레인 등 강재 피로균열 모니터링이 필수인 새
로운 산업 분야 시장개척과 해외 사회기반시설물 모니터링 시장으로 진출도
기대할 수 있다.


□주요성과


비선형 초음파기술 개발
기존에 계측한 데이터가 없는 상태에서도 피로균열의 유무를 판단할 수 있는
기술이다. 금속 구조물의 피로균열과 같은 손상은 국부적으로 비선형성을 가
지며 초음파가 해당 영역을 통과할 때 초음파로 인한 균열의 여닫힘으로 인해
가진한 주파수 성분의 조화 및 변조성분이 발생하는 성질을 적용하여 피로균
열을 진단한다.


강재 피로균열 모니터링용 무선 센서 노드 개발
비선형 초음파기술을 적용한 강재 피로균열 모니터링용 무선 센서 노드를 개
발했다. 에너지 하베스팅 기법을 적용하여 배터리 교체 없이 반영구적으로 운
용이 가능하며, 무선 데이터 통신 알고리즘을 탑재하여 무선 센서 노드에 접
근 없이 교량의 건전성 평가를 진행할 수 있다. 영종대교와 남해대교 현장에
적용하여 온도 변화 및 KTX 통행으로 인한 하중 변화에 대해 성능 검증을 실
시한 결과, 주변 환경 변화에 관계없이 일정한 결과가 도출되어 현장 조건에
서도 피로균열 진단이 가능한 것으로 확인됐다.


무선 센서 노드 전력 수급용 진동기반 에너지 하베스팅기술 개발
교량 내부의 경우, 태양에너지 또는 바람 등이 존재하지 않으므로 무선 센서 노드
에 에너지를 공급하기 위하여 차량 통행으로 발생하는 상시 진동에 의한 에너지
하베스팅기술을 개발하였고 영종대교 현장에 적용하여 성능 검증을 실시했다.


□연구의 차별적 특징


육안으로 확인 어려운 미세 피로균열 감지
육안으로 확인이 어려울 정도의 미세 피로균열에 따른 구조물의 유지보수가 시급한 시점이다. 비선형 초
음파 기법의 경우 수 μm 수준 균열 폭을 갖는 피로균열에 대해 검출이 가능하여 조기에 피로균열에 대한
정보를 획득할 수 있어 적절한 시기에 적절한 방법으로 유지보수가 가능하다. 강재 구조물의 내구 수명을
증진시키는 효과가 있다.


기존에 계측한 데이터 없이도 피로균열 유무 판단
기존 피로균열 모니터링 기법은 정상상태에서 계측한 기본 데이터를 전제조건으로 하여 데이터의 변화 유
무로 피로균열 진단을 실시한다. 정상상태에서 계측한 데이터가 변질 또는 손실 될 경우, 피로균열의 판단
이 불가능해지는 경우가 발생할 수밖에 없다. 비선형 초음파 기반 피로균열 진단기술의 경우, 기존에 계측
한 데이터 없이도 피로균열 진단이 가능하다.


배터리 교체 없이 반영구적 운용
배터리로 구동이 되는 기존 센서 노드는 배터리 수명이 센서 노드의 수명에 비해 짧기 때문에 배터리 교체
등 센서 유지에 많은 비용이 든다. 무선 센서 노드의 경우, 태양에너지, 진동에너지 등 주변 환경에너지를
저장하는 에너지 하베스팅기술을 접목하여 무선 센서 노드를 배터리 교체 없이 반영구적으로 운용 가능하다.


무선통신 알고리즘 탑재
기존 센서를 적용한 구조물 모니터링 시스템의 경우, 데이터 수집을 위해 센서와 계측시스템을 연결하는
케이블을 설치한다. 센서와 계측시스템이 멀 경우, 케이블에 소비되는 비용이 증가하고 케이블이 길어짐에
따라 신호에 잡음이 섞이는 현상이 증가하는 이차적인 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위하여 무선 센서 노
드에 높은 에너지 효율을 지닌 무선 통신 알고리즘을 탑재하여 케이블 설치 없이도 데이터를 통신할 수 있게
됐다.


□연구 성과의 파급효과


● 기술부문
‘무선내장형 센서 노드 시스템’ 원천기술 확보
기존의 피로균열 모니터링 시스템을 무선내장형 센서 노드시스템으로 대체
할 수 있는 핵심 원천기술을 확보했다. 설계변경이나 전력선 및 배터리 교환
이 필요 없는 반영구적 무선 내장형 센싱기술 개발을 통한 무선 센서 노드 내
구성과 수명 향상 그리고 모니터링시스템의 적용성·운용성 개선이 가능하다.
강재 교량뿐만 아니라 항공기 날개 이음부인 Fitting-lug, 해양크레인 용접
부, 고속철도 하부 구조 Bogie, 원전 배관 볼트체결부 등 다양한 구조물에 적
용되어 높은 부가가치 창출이 가능하다.


● 사회경제사업화부문
국·내외 기업체로의 기술이전 통한 수익모델 창출 가능
첨단 안전 모니터링기술 개발 및 적용을 통해 강재 피로균열 발생에 대한 조
기 진단을 통한 구조물 안전성 향상 및 대형사고 방지가 가능해졌다. 이로 인
해 사회기반시설물의 안전성 보장은 물론이고 정부와 기업의 이미지를 쇄신
하고 국민과 소비자의 신뢰 확보와 안전에 대한 요구를 충족시킬 수 있게 됐
다. 또한 기존기술 대비 시스템 설치비용, 유지관리 비용 및 시간을 혁신적으
로 절감시키는 한편 원천기술 개발로 확보된 지적재산권의 국·내외 기업체로
의 기술이전을 통해 수익모델 창출도 가능하다. 최근 급격히 성장하고 있는
세계 구조물 유지관리 분야 시장 개척 및 시장 우위 선점을 기대할 수 있게
됐다.

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컨텐츠 담당자 최종수정일 : 2015-08-06
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