납 없이 배관 검사하는 친환경 초음파 센서 나왔다

표준연-고려대, 납 제거한 세라믹 유도초음파 센서 개발
넓은 범위 정확하게 검사… 제조·건설 분야서 활용 가능

한국표준과학연구원 소재융합측정연구소 지능형파동측정팀이 개발한 비납계 압전 소자 센서. /한국표준과학연구원

상수도 배관 내부의 손상을 유해물질 없이 초음파로 확인할 수 있는 친환경 검사법이 개발됐다.

한국표준과학연구원(표준연)은 소재융합측정연구소 지능형파동측정팀과 고려대 신소재공학과 전자재료연구실 공동연구팀이 상수도 배관 등 대형 구조물의 안전성을 검사할 수 있는 친환경 초음파 센서를 개발했다고 10일 밝혔다.

유도초음파 상수도 배관 검사법은 배관 내부의 손상을 확인하기 위한 검사로 적은 개수의 센서를 사용해 넓은 범위를 비파괴 방식으로 확인하는 방법이다. 기존 유도초음파 센서는 유해물질인 납이 들어간 압전 물질로 만들어져 유럽에서는 전자제품 등에 사용을 엄격히 제한하고 있다.

공동연구팀은 비납계 압전 물질을 이용해 유도초음파 센서를 개발했다. 기계적인 힘을 가할 때 전압을 발생시키는 압전소자는 납을 기반으로 하는 세라믹 소자가 일반적인데, 이번에 개발된 소자는 납을 완전히 제거해 초음파 검사에 사용한 것이다.

이 센서는 360도 방향으로 신호를 고르게 출력하는 ‘전 방향 센서’다. 또 초음파의 횡파 모드를 사용해 고체와 액체를 동시에 통과해도 신호가 왜곡되지 않는다는 특징을 가진다. 배관에 물이 흐르고 있어도 넓은 범위를 정확하게 파악할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀은 횡파 모드 센서의 출력 효율을 높이기 위해 소자 설계방식을 사다리꼴 형태로 개선했다. 사다리꼴 방식으로 만들어진 비납계 친환경 센서는 기존 납 기반 센서보다 횡파 모드 초음파 출력 강도가 15% 이상 더 컸다.

한국표준과학연구원 소재융합측정연구소 지능형파동측정팀이 개발한 비납계 압전 물진 센서 적용 모식도. /한국표준과학연구원

이번에 개발된 센서는 검사원이 정기적으로 방문해 넓은 영역의 배관을 검사하는 것을 무인 상시 모니터링 방식으로 바꿀 수 있다. 유도초음파를 활용한 비파괴 방식 연구가 활발한 유럽권에서는 이미 배관 무인 모니터링이 도입되는 추세다.

승홍민 표준연 소재융합측정연구소 선임연구원은 “개발한 센서는 납이 없는 친환경 소재로, 배관에 설치해도 주변 환경이나 용수에 영향이 없다”며 “배관 검사 외에도 향후 제조·건설업 분야 등 글로벌 비파괴검사 시장에서 국내 기업의 기술 우위 확보에 기여할 것”이라고 했다.

이번 연구는 환경부 상하수도 혁신 기술개발사업과 과학기술정보통신부 데이터 과학 기반 차세대 비파괴검사 기술개발사업의 지원을 받았다. 연구성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘세라믹스 인터내셔널(Ceramics International)’에 올해 3월 게재됐다.

참고 자료

Ceramics International, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.10.252

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