이제는 ‘열화상 카메라’로 구조물 점검한다
이제는 ‘열화상 카메라’로 구조물 점검한다
  • 전찬민 기자
  • 승인 2022.01.20 16:21
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[공학저널 전찬민 기자] 우리나라는 1960년대부터 1970년대까지 급 속한 경제 성장을 하면서 다리와 터널 등 각종 인프라 시설과 대형 건물들이 1970년대에 대 부분 시공됐고, 최근 노후화가 급속히 진행되 고 있다.

구조물의 경우 구조가 다양하고 사용환경과 외부환경 조건이 달라 위험도 판단을 위한 안 전점검이 필수적이다.

특히 노후화된 구조물의 경우 구조적 취약부 의 내구성 검토가 꼭 필요하며 이를 통해 구조 물의 잔여 수명 예측을 검토해야 안전하게 사용할 수 있다. 이로 인해 이전 건설 분야 연구 가 주로 설계와 시공 기술개발이 주류였던 것 과 달리 현재는 구조물의 노후화로 안전진단 과 유지관리 분야에 관한 관심이 점차 증가하 고 있으며, 기존 안전점검의 한계를 극복하기 위한 기술개발도 진행되고 있다.

기존 구조물 안전점검의 한계점을 살펴보면, 우선 작업 현장의 특성상 검사자가 위험에 항 상 노출돼 있다는 점이다. 또한 대형 건물과 인 프라 시설의 특성상 다리 밑부분, 터널 윗면 등 점검 사각지대가 발생하게 되고, 검사자의 주 관적 판단으로 객관적 신뢰도가 떨어진다는 것이다.

이렇듯 유지보수 시기•방법의 정당성을 확보하 기 어려워 신뢰도 높은 안전진단 자동화 시스템 이 절실한 가운데 최근 열화상 카메라를 활용해 기존 안전점검의 한계를 극복할 수 있는 획기적 인 기술이 개발돼 기대를 모으고 있다.

이 기술은 레이저, 할로겐과 같은 능동 열원과 열화상 카메라를 접목해 강구조물에 바르는 도막의 표면, 내부 결함 검사와 도막 두께를 자동으로 정량화하고 시각화한다는 것이 가장 큰 특징이다.

특히 도막 두께 정량화 기술은 도막 두께에 따 라서 열의 반응 속도가 다른 점을 이용한 기술 로, 열원을 통해 구조물에 약 5초간 열을 가하 고 이로 인해 발생하는 열반응을 열화상 카메라로 측정하게 된다. 도막 두께에 따라 열이 상 승하는 기울기와 열이 식는 기울기가 다른 점 을 이용해 도막 두께를 정량화할 수 있다.

추가로 기계 학습을 활용해 도막 재료의 특성 에 따른 열 반응을 학습한 데이터를 새로운 도 막 재료 두께 0.02 mm의 정확도로 정량화할 수 있다. 또한, 측정된 열반응 데이터와 비전 카메라로 촬영한 사진 데이터를 결합 및 분석 하면 도막 내외부의 결함 분류가 가능하다.

도막이 강재와 밀착돼 있는 경우, 열전도가 활 발히 일어나는 반면에 도막과 강재 사이에 공 극 또는 부식이 발생하면 열전도가 발생하지 않게 된다. 비전 카메라는 표면 결함의 상태와 색 변화 등을 정확하게 분석이 가능하다는 장 점을 가지고 있어 두 가지 데이터를 융합해 기 계 학습으로 데이터 분석 결과, 도막의 4가지 대표 이상 상태인 박리, 체킹, 쵸킹, 강재 부식 을 95% 이상의 정확도로 분류 할 수 있다.

강재는 공기 중에 노출되면 부식이 쉽게 발생하기 때문에 강구조물의 내구성 향상을 위해 도막 재료를 필수로 사용하며, 도막 재료의 일정 성 능을 확보하기 위해서는 적정한 도포 두께가 확 보돼야 한다. 도막 두께는 육안 검사할 수 없으 며, 기존 도막 두께 평가는 접촉식 센서를 이용 해 한 점씩 찍어 도막 두께를 측정하고 있다.

하지만 강구조물의 표면이 넓은 데 비해 검사 영역은 한정돼있어 특정 부분의 평균 두께를 측정할 수밖에 없다. 또한 도막의 상태 평가는 육안 점검으로 진행해 검사자의 주관적 판단 에 의존하는 부분이 크고 표면의 결함만 확인 가능해 내부 결함은 검사할 수 없다는 것이 단 점이다.

능동 열원과 열화상 카메라 접목한 기술을 활 용할 경우, 넓은 영역을 효율적으로 검사할 수 있고, 표면 결함뿐만 아니라 맨눈으로 보이지 않는 내부 결함도 분류할 수 있다. 또한 이 기 술의 현장 적용을 위해 휴대할 수 있는 크기로 단일 시스템을 개발해 기술의 우수성을 인정 받아 건설 신기술을 출원하기도 했다.

한국과학기술원 건설및환경공학과 손훈 교수(사진)는 “열화상 카메라 활용한 기 술은 검사자가 직접 갈 수 없는 부분에 접근할 수 있도록 개발 시스템을 탑재한 드론이나 무 인 로봇 개발을 위해 관련 연구실과 협업하고 있다”며 “개발된 시스템으로 도막의 상태에 대 해 시각화된 정보를 받아 볼 수 있기 때문에 정 확한 유지보수 구간을 파악할 수 있고 접근 불 가 지역까지 검사가 가능해 안전하고 면밀하 게 구조물의 안전점검이 가능하다”고 말했다.

열화상 카메라를 활용한 기술 이외에 GPS와 가속도 센서를 융합해 동적 변위와 정적 변위를 동시에 정밀하게 계측하는 기술도 개발했다. 또한, X, Y, Z의 3방향 변위와 3방향 회전각을 동시에 측정할 수 있고 변위 이외에 속도와 가속도도 동시에 계측할 수 있도록 기술을 개발했으며, 개발된 기술은 공용 중인 현장에 방문해 현장실험을 수행해 전반적으로 2~3mm의 정확도로 변위를 추정할 수 있게 됐다.

뿐만 아니라 현재 AR 기술을 활용해 구조물 안전진단 시 이전 안전진단에서 저장된 데이터를 현재 상태와 비교할 수 있도록 증강 기술 개발에도 많은 노력을 기울이고 있다.

손 교수는 “홀로렌즈와 같은 웨어러블 디바이스를 구조물 안전진단 시에 활용해 현장에서 안전진단 데이터베이스에 접근과 실시간으로 이전 데이터와 현재 데이터를 시각적으로 비교하게 되면 구조물 안전에 영향을 미치는 원인을 빠르게 파악이 가능한 장점이 있다”며 “여러 데이터에 대해서 시계열 분석이 가능하기 때문에 구조물 건전성 평가에 객관성을 부여할 수 있을 것으로 예상된다”고 말했다.

그는 이어 “실험실에서만 구현 가능한 기술이 아닌, 실제 구조물의 안전점검에 사용할 수 있는 기술개발을 연구하고자 한다”며 “상용화와 사업화를 통해 구조물을 걱정 없이 사용할 수 있도록 관련 연구를 추가적으로 진행할 예정”이라고 덧붙였다.


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