KRISS 안전측정센터 권일범 박사팀이 항공우주 구조물에 사용하는 복합재료 내부의 손상을 정확하게 검출하는 기술을 개발하였다. 연구팀은 복합재료에 광섬유를 매설하고 변형 패턴을 측정함으로써 손상을 파악하는 ‘광섬유 감지 신경망 기술’을 세계 최초로 개발하였다.  

두 재료 이상을 조합한 복합재료는 가볍고 높은 강성을 갖고 있어 항공우주 구조물을 비롯하여 자동차, 선박 등의 재료로 각광받고있다. 하지만 물리적 강도가 일정하지 않은 복합재료의 특성상 한번 손상이 발생하면 정확한 손상부위를 찾아 수리하기 어렵다는 문제점이 있다. 우주선 발사체에는 탄소섬유로 강화된 복합재료를 사용하는데, 충격을 받아도 내부에만 손상을 입고 표면은 복구하여 드러나지 않는다. 이를 검출하지 못한 상태에서 발사되면 손상된 부분으로 압력이 분출되어 폭발사고 등이 발생할 수 있다.

기존에는 복합재료의 손상을 검출하기 위하여 일일이 초음파 및 방사선 촬영으로 내부 손상을 영상화했다. 하지만 이 방법은 손상에 대한 신호를 얻는 과정에서 오류가 발생하면 정확한 정보를 얻을 수 없고 많은 부수장치와 노동력, 시간이 필요하다는 큰 단점이 있었다.

연구팀은 복합재료에 알루미늄 코팅 광섬유를 매설하고 손상이 발생하면 재료의 변형 패턴이 광섬유에 남도록 설계하였다. 그 다음 광섬유의 변형률 측정을 위한 BOCDA1) 센서 시스템을 구성하여 정확한 손상 위치와 정도를 검출하였다.

적층하여 만드는 복합재료 실린더(직경 25 cm, 길이 1.6 m)의 제작 당시 광섬유를 일정한 간격(12 mm)으로 실린더에 감아 매설하였다. 그 후 충격에 의한 영향을 탐지한 결과 손상 위치(약 3 cm의 정확도) 및 정도(4등급)를 정확하게 검출할 수 있었다.

복합재료의 손상을 정확하고 손쉽게 검출하는 이번 기술은 우주발사체 추진기관, 중대형 산업 설비 및 조선해양 분야에서 대형구조물의 안전성 검사를 위한 측정기술로 넓게 활용될 수 있다. 또한 복합재료의 안전성을 확보함으로써 항공우주 구조물 및 자동차 등 산업 전반에 복합재료의 적용을 더욱 활성화시킬 것으로 기대된다. 

권일범 박사는 “사람의 신경망이 통증, 온도, 압력 등을 감지하여 느끼게 하는 것처럼 구조물에도 광섬유를 통해 손상을 감지하는 신경망 기술을 개발하였다.”며 “산업 전반에 사용하는 복합재료의 찾아내기 힘든 충격 손상을 유효하게 검출할 수 있는 기술이다.”라고 말했다.

국가과학기술연구회 민군융합연구사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 복합재료 연구분야 학술지 ‘컴포지트 사이언스 앤 테크놀로지’(Composites Science and Technology - IF: 3.897) 2017년2월 28일 온라인 판에 게재되었다.