[지금은 과학] 상수도 배관 안전성, 납 없는 센서로 검사

표준연·고려대 연구팀, 비납계 압전 물질로 전방향 유도초음파 센서 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 납 없는 친환경 센서로 상수도 배관 안전성을 검사하는 시스템이 나왔다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 지능형파동측정팀과 고려대(총장 김동원) 신소재공학과 전자재료연구실이 상수도 배관 등 대형 구조물의 안전성을 검사할 수 있는 친환경 초음파 센서를 공동 개발했다.

유도초음파를 이용한 상수도 배관 검사는 부식 등 배관 내부의 손상을 확인하기 위한 검사이다. 적은 개수의 센서로도 넓은 범위를 비파괴 방식으로 검사할 수 있어 효율성이 뛰어나다.

수도용 배관의 무인 모니터링에 적용 가능한 친환경 전방향 초음파 센서 개념도. [사진=표준연]

단점은 유도초음파 센서가 대부분 납이 들어간 압전 물질로 만들어진다는 점이다. 납은 대표적 유해물질로 유럽 친환경 인증제도인 RoHS에서도 전자제품 등에 사용을 엄격히 제한하고 있다.

KRISS-고려대 공동연구팀은 납을 포함하지 않는 비납계 압전 물질을 이용해 유도초음파 센서 개발에 성공했다. 인체와 환경 유해성에 대한 우려를 해소하면서도 기존의 납 기반 센서 대비 뛰어난 성능을 갖췄다.

이번에 개발한 센서는 360도 방향으로 신호를 고르게 출력하는 전(全)방향 센서다. 초음파의 횡파 모드(shear wave mode)를 이용해 고체와 액체를 동시에 통과해도 신호가 왜곡되거나 약해지지 않는 것이 특징이다. 배관에 물이 흐르고 있어도 에너지 손실 없이 넓은 범위를 효율적으로 검사할 수 있다.

연구팀은 기존 센서 대비 출력 효율이 높은 횡파 모드 센서를 만들기 위해 소자 설계방식을 독창적 사다리꼴 형태로 개선했다. 이를 적용해 비납계 친환경 물질로 센서를 개발한 결과, 기존의 납 기반 센서에 비해 횡파 모드 초음파의 출력 강도가 15% 이상 더 큰 것이 확인됐다.

이번 성과를 활용하면 일반적으로 검사원이 특정 지점에 정기 방문해 시행하고 있는 배관 검사를 넓은 영역에 걸쳐 무인 상시 모니터링 방식으로 실시할 수 있을 것으로 기대된다.

유도초음파를 활용한 비파괴검사가 활발한 영미, 유럽권에서는 이미 배관의 무인 모니터링이 도입되는 추세다.

승홍민 KRISS 소재융합측정연구소 지능형파동측정팀 선임연구원은 “이번에 개발한 센서는 납이 없는 친환경 소재로 배관에 장기간 설치해도 주변 환경이나 용수에 영향이 없어 안심하고 이용할 수 있다”며 “배관 검사 외에도 앞으로 제조‧건설업 분야 등 글로벌 비파괴검사 시장에서 국내 기업의 기술 우위 확보에 기여할 것”이라고 말했다.

연구 성과(논문명: Developing a face-shear lead-free piezoelectric transducer through anti-parallel co-poling and its application to an omnidirectional piezoelectric transducer)는 재료과학 분야 국제학술지 세라믹스 인터내셔널(Ceramics International)에 3월 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)