KERI 김인성 박사팀, 열화·고장 파악하는
프리앰프 내장 탄성파 전기 센서 기술 개발
납 대체하는 무연 소재 적용한 친환경 센서


급격한 기후변화에 따른 자연재해의 영향으로 대형 외부 건축 및 구조물에 대한 내구성과 안전성 유지 문제가 대두되고 있다. 특히 한국판 그린 뉴딜 정책 추진으로 전기 및 에너지 설비가 다수 들어서며 현장 사고 위험을 예측하고 진단하는 기술에 대한 수요가 늘고 있다.

한국전기연구원(KERI) 전기변환소재 연구센터 김인성 박사팀은 10일, 탄성체로부터 전달되는 미세한 진동인 탄성파(Acoustic Emission)를 감지하여 각종 설비나 시설물의 열화나 고장 징후를 사전에 진단할 수 있는 ‘프리앰프(Pre-amp) 내장형 전기 센서 기술’을 개발했다.

탄성파는 대상 물질이 변형되거나 끊어질 때 발생하는 일종의 파동이다. 물질의 파괴 혹은 이상 정도가 클수록 더 많은 탄성파가 발생한다. 이번에 개발된 기술은 설비 자체로부터 자연 발생하는 탄성파의 감지를 통해 설비의 열화나 고장 징후를 사전에 모니터링하여 대형사고를 미연에 방지할 수 있게 하는 시스템 센서다.

연구팀은 작은 탄성파를 발원 지점에서 증폭하는 프리앰프를 내장하여 측정을 방해하는 소음 차단선을 美 PAC 社의 제품과 동일한 25dB 수준으로 만들었고, KERI만의 압전 기술로 기존 제품(80dB)보다 높은 85~90dB 수준의 측정 감도를 가지는 ‘프리앰프 내장형 탄성파 전기 센서(AE Sensor)’의 국산화에 성공했다.

기존 센서 소재로 사용되던 납을 대체하는 무연 소재도 새롭게 개발하고, 이를 적용했다. 내년 7월부터 유해 물질 사용 제한(RoHS) 지침에 따라 전기·전자기기 내에 납의 사용이 제한되는 만큼, 기존 제품을 대체할 수 있을 전망이다.

이번 센서 기술은 ▲원자력, 화력, 풍력, 수력 발전소의 각종 설비와 부품 진단 ▲대형 변전소와 발전소의 변압기 및 차단기의 이상 진단 ▲오일 탱크 및 대형 유조선의 구조물 열화 및 변형의 사전 감지 등 에너지 산업의 안전 진단 분야에서 주로 활용될 것으로 기대된다.

풍력의 경우, 발전기의 축과 베어링, 기어 손상, 오일 오염 등을 미리 측정할 수 있어 안정적인 설비 운영이 가능해질 전망이다. 수력 발전소에도 밸브, 스팀 라인, 조인트 파이프라인 등에서 발생할 수 있는 고장을 사전에 모니터링하여 조처를 할 수 있다.

또한, ▲대형 현수교의 주탑 및 로프 이상 진단 ▲콘크리트 및 토목 구조물의 구부러짐 및 파괴 관찰 ▲지각 내에서 전달되는 지진파(P파, S파) 감지 등 대형 건축 및 시설물의 사고를 방지하는 데 활용될 수 있다.

김인성 박사는 “이번에 개발한 센서는 국가 안전 진단 부문의 경쟁력 강화와 자율주행차량, 스마트팩토리, 헬스케어 등 다양한 분야까지 확대 적용할 수 있다”라며, “아직은 지정된 공진 주파수 대역의 탄성파를 감지하는 센서 단계지만, 향후 대역폭을 넓혀 광대역 및 가속도가 포함된 복합형 센서를 개발할 예정”이라고 밝혔다.

향후 연구팀은 기술의 완성도를 높여 경남 창원의 강소연구개발특구 사업과 연계하여 센서 소자의 양산화를 추진하고, 수요 업체를 발굴하여 상용화를 추진할 계획이다.