콘크리트 부수지 않고 ‘순살 아파트’ 찾아낼 신비의 물질 [메타물질④]

CAMM, 초음파 5배 증폭 메타물질 개발
콘크리트 비파괴 검사 성능 대폭 향상
‘순살 아파트’ 검사 등 산업 전반 활용

지난 8월 28일 충남 공주시 한국토지주택공사(LH) 공주월송 A4 아파트 지하주차장 무량판 기둥 사이에 보강공사를 위한 잭 서포트가 설치돼 있다. ⓒ연합뉴스

최근 논란이 된 ‘순살 아파트’ 사태는 부실 시공 자체뿐만 아니라 기존 건물들에 대한 불신으로 번지면서 국민 불신·불안을 키우고 있다. 속을 들여다볼 수 없는 콘크리트 특성상 ‘우리 아파트는 괜찮을까’하는 의심을 지우기 힘들다. ·

국토교통부를 비롯한 정부가 한국토지주택공사(LH)가 무량판 기법으로 건축한 91개 아파트 단지 전수조사를 진행하고는 있으나 국민 불신은 여전하다. 이에 국토부는 민간아파트 293개 단지도 전수조사하겠다는 계획을 밝혔는데, 눈에 보이지 않는 콘크리트 내부를 조사하는 데는 분명한 한계가 있다.

현재 콘크리트 훼손하지 않고 내부를 들여다보는 방법은 크게 두 가지 정도다. 일반적으로 가장 많이 사용하는 방법은 슈미트 햄머(Schmidt Hammer)를 이용한 반발 경도법이다.

반발 경도법은 슈미트 햄머로 콘크리트 표면을 타격, 그 때 반발 경도를 측정한다. 해당 측정값으로부터 콘크리트 압축강도를 추정하는 검사방법이다. 다만 이 방법은 콘크리트 표면부 품질과 타격조건에 영향을 받으므로 콘크리트 구체 내부의 강도를 명확히 측정하기는 어렵다.

철근 배근시험과 피복두께를 측정하는 방법도 있다. 철근 콘크리트 구조물 내부 배근 상태가 도면과 같은지를 살피기 위한 방법으로 건물 일부를 파괴하거나 비파괴 장비를 이용해서 진행한다.

대표적인 비파괴 검사법은 초음파를 활용하는 것이다. 초음파를 이용한 안전진단법은 모든 파동은 매질(물질)의 성질(물성)에 따라 전파 속도가 다르다는 원리를 이용한 것이다.

콘크리트 표면에 검사장치를 밀착시켜 초음파를 쏘면 초음파가 콘크리트 매질을 거쳐 수신장치로 되돌아오는 시간을 측정해 균질성, 품질, 압축강도, 균열심도, 내부결함 등을 예상하는 방식이다. 초음파검사는 대체로 발생한 균열의 깊이 측정과 콘크리트 전반적인 내부 품질상태 추정하는 데 사용한다.

초음파 기법은 콘크리트의 불균질성, 굵은 골재 크기 등으로 인해 사용 가능한 주파수 대역이 한정된다. 무엇보다 초음파가 콘크리트 내부에 도달하는 데 한계가 있다.

상수도·송유관 등 모든 배관 검사에 응용 가능

최근 ‘메타물질’을 연구하는 파동에너지극한제어연구단(CAMM)에서는 이런 초음파의 한계를 극복할 수 있는 물질 개발에 성공했다. 기존 초음파를 5개가량 증폭시키는 메타물질을 발명한 것이다.

메타물질은 전자기파, 역학파와 같은 파동의 파장보다 작은 인공 구조물을 만들어 자연계에 존재하지 않는 물성을 구현하는 차세대 소재다. 물질이 갖는 본연의 성질(물성)을 변형하거나, 자극을 줘서 새로운 물성을 갖게 만드는 방식이다. 기존 물성을 변형시켜 제어하고자 하는 목표물(음파, 전자파, 초음파 등)에 맞춤형 성질을 갖도록 하는 물질이다.

사용법도 간단하다. 검사 대상 콘크리트 벽면에 해당 메타물질을 붙이고 초음파를 쏘면 된다. 기계에서 발사된 초음파가 메타물질을 통과하면서 5배 증폭돼 콘크리트 내부 깊숙한 곳까지 들여다보는 원리다.

연구단은 해당 물질을 상용화할 경우 건축 구조물 검사뿐만 아니라 산업 기자재, 의료용 기기까지 사용 범위를 확장할 수 있을 것으로 기대한다. 특히 상하수도나 송유관 등의 내부 유량을 확인하는 데도 유용하게 쓸 수 있다.

현재 비파괴 배관 통합 검사 부문 기술 성숙도(TRL, Technology Readiness Level)는 4~5단계로 성능검사를 마치고 시제품 제작 단계에 있다.

CAMM 관계자는 “기존 초음파는 투과율이 20~30% 수준이나 우리가 개발한 메타물질을 활용할 경우 거의 100% 투과할 수 ㅅ있다”며 “배관 내 이물질을 측정 등에도 사용할 수 있어 배관을 사용하는 모든 산업현장에서 사용 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

▲층간소음 NO~ 듣고 싶은 소리만 골라 듣는 ‘마법 시대’ [메타물질⑤]에서 계속됩니다.