상용 구조물 건전성 모니터링 센서를 간소화하는 새로운 차세대 나노복합재 센서 시스템을 개발했다. 이 시스템은 4개의 상용 센서를 필요로 하는 전방향 변형율과 온도를 단일 나노복합재 센서로 실시간으로 모니터링 할 수 있다.

구조물 건전성 모니터링 시스템은 구조물에 도입된 센서의 계측 물리량을 수집하고 분석하여 구조물 내부에 존재하는 손상을 실시간으로 파악하는 기술로, 높은 구조적 신뢰성과 수명을 가지는 지속가능한 구조물을 운용하기 위해 적용되어 왔다. 특히 항공항공우주분야를 비롯하여 다양한 분야에서 급격하게 활용이 증가되고 있는 복합재 구조물은 서로 다른 물질로 구성되어 결함 예측이 어렵기 때문에 구조물 건전성 모니터링 기술이 더욱 필요하다.

모니터링에 사용되는 가장 대표적인 계측 물리량은 변형율로 금속 변형율 게이지, 광섬유 브래그 격자 센서 등 다양한 변형율 센서로 이를 감지한다. 하지만, 상용 변형율 센서는 단방향의 변형율에만 반응하고 온도에도 민감한 한계점을 가진다. 이러한 특성 때문에, 구조물의 모든 방향의 변형율과 온도를 감지하기 위해 최소 4개의 센서를 필요하며 센서의 구성 및 배선이 복잡해지는 문제점을 지닌다.

상용 변형율 센서의 한계를 극복하기 위해, KAIST 항공우주공학과 첨단소재 및 공정 연구실 (지도교수: 이전윤) 에서는 전방향의 변형율을 단 한 개의 센서로 측정 가능한 나노복합재 센서 시스템을 개발하였다. 개발한 센서 시스템은 단일 나노복합재 센서로 모든 방향의 변형율을 감지할 뿐만 아니라, 온도를 동시에 측정해 그 영향을 분리시킬 수 있다. 이를 통해 최소 4개의 센서로 구성되는 상용 시스템을 간소화할 수 있으며, 낮은 밀도의 나노소재를 활용하였기에 경량화 효과 또한 기대할 수 있다.

연구팀은 개발한 나노복합재 센서의 성능 검증을 위해 그림 2 (a)의 인장 시험에서 나노복합재 센서로부터 변형율과 온도를 실시간으로 계측하였으며, 상용 변형율 게이지와 적외선 카메라의 측정값과 비교하였다. 성능 시험 결과, 그림 2 (b), (c)와 같이 나노복합재 센서는 전방향의 변형율을 결정하는 3개의 독립적인 방향의 변형율과 온도를 동시에 모니터링 할 수 있음을 입증하였다.

또한 본 연구팀은 구조물 내부에 일체화 시킨 자가 상태 모니터링 복합재 구조물의 개발 가능성을 확인하였으며, 해당 연구에서 개발한 나노복합재 센서는 단순화된 초경량 차세대 구조물 모니터링 시스템 개발의 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.