스마트IoT 센서 건축물 부식 예방, 재난안전 비약적 발전

■ 기술의 정의 및 분류

철근 콘크리트(reinforced concrete) 내 철근의 부식은 전 세계적으로 중요한 사안이다. 특히 해수 혹은 제설제의 소금 성분 등에 노출된 구조물이나, 주변의 환경에 노출된 교량, 터널, 해안 접안 시설 등에서 부식 문제가 더욱 심각하며, 국가 경제적으로도 손실 규모가 막대하다. 세계부식협회(World Corrosion Organization)가 2010년부터 4월 24일을 ‘세계 부식의 날(Corrosion Awareness Day)’로 정한 것도 부식이 초래하는 사회·경제적 손실과 그 위험성을 일깨우기 위함이다. <표 3-1-4-1>은 부식으로 인한 경제적 손실 규모를 나타낸 것이다.

우리나라의 경우 2005년 기준 국내 총생산(Gross Domestic Product, GDP)대비 2.9%가 부식으로 인한 손실로 피해가 상당하다. 이제 철근 콘크리트 구조물의 적절한 보수 및 보강은 사회적인 요구를 넘어서 개인 및 국가자산의 수명을 연장하는 매우 중요한 과제이다.

선진국에서는 오래전부터 산업설비 및 건축 구조물에서 발생하는 부식의 손상과 심각성을 인식하고 체계적이고 효율적으로 대처 할 수 있는 시스템을 잘 구축해 놓고 있다. 하지만 보수 시기나 공법을 선택하기 위하여 구조물의 손상 정도를 조사하는 방법들은 많지만, 철근의 부식이 일어나기 전에 철근 부식의 원인이 되는 염소이온(Cl-)이 침투하는 것을 모니터링하는 시스템은 매우 부족하다. 즉, 지금의 시스템은 콘크리트 구조물의 열화(degradation)가 발생하고 나서야 유지 관리를 하는 경우가 대부분이다. 따라서 철근의 부식이 발생하기 전, 부식에 영향을 주는 염화 이온이 침투하는 과정을 모니터링 할 기기 개발이 필수적이다.

부식 센서(corrosion sensor)는 콘크리트의 열화를 야기하는 물리적 또는 환경적 인자를 모니터링하기 위해 사용되는 기기이다. 부식모니터링(corrosion monitoring)이란 1979년 영국 부식산업위원회(Department of Industry Committee on Corrosion)에서 ‘부식과정을 이해하거나 부식과 그 일련의 과정을 제어하는데 사용될 정보를 얻을 목적으로, 부품의 부식 또는 성능 저하를 체계적으로 측정하는 것’이라고 정의하였다. 즉, 부식 모니터링 기기들은 콘크리트 구조물 내에서 철근의 부식이 발생하기 전에 부식 유발인자들과 반응하여 신호를 보내줌으로써 부식을 사전에 예견하고 이러한 정보를 이용하여 부식을 억제하기 위한 피드백(feedback)제어에 사용하도록 개발된 것으로 이미 산업 전반에 걸쳐 폭넓게 이용되고 있다.

■ 기술의 원리

철근 콘크리트의 부식을 진단하는 방법은 크게 비전기화학적 방법과 전기화학적 방법 두 가지로 나눌 수 있다. 비전기화학적 방법에는 무게감량법, 용액분석법, 적외선법, 레이저법 등이 있고, 전기화학적 방법으로는 자연전위법, 선형분극저항법, 콘크리트 비저항법, 교류 임피던스법, 정전류·정전위 펄스법 등이 있다. 각각의 측정 방법에 따른 특성을 <표 3-1-4-2>에 나타내었다.

이중 전기화학적 방법(electrochemical method)을 이용한 부식 진단 방법은 비교적 정확성이 높고 짧은 시간 내에 적은 부식양도 측정이 가능하다는 장점이 있다. 그리고 부식상태를 비파괴로 진단하기 때문에 구조물의 안전에 영향을 끼치지 않아 크게 주목받고 있다. 대표적인 전기화학적 기술 기반의 부식 측정기법을 아래에 자세히 기술하였다.

1) 자연전위법(Half Cell Corrosion Mapping)

자연전위란 철근 콘크리트 내부 철근의 부식상태에 따라 발생하는 전위를 칭한다. 강알칼리(pH 12.5 이상)인 철근 콘크리트 환경에서는 철근 표면에 부동태피막이 형성되어 높은 자연전위를 나타내게 된다. 하지만 외부요인에 의해서 콘크리트가 중성화되거나 내부에 염화 이온이 존재하게 되면 철근 표면의 부동태피막이 파괴되어 부식이 발생하게 되고 이러한 경우 전위가 낮아지게 된다. 즉, 자연전위법은 불활성전극(half-cell)을 이용하여 콘크리트 내부 철근의 부식전위(corrosion potential)를 측정하는 비파괴적 진단으로 철근 부식 가능성과 그 부위를 빠르고 간단하게 측정할 수 있는 방법으로 널리 이용되고 있다(그림 3-1-4-1).

염화 이온 침투 과정 모니터링 기기 개발 필수

부식 모니터링기기 이미 산업전반 폭넓게 이용

2) 콘크리트 비저항법(Concrete Resistivity)

이 진단법은 콘크리트 내부의 철근과 전기적 연결 없이 콘크리트 표면에서 비저항을 측정하는 간단하면서 유용한 기술이다. 측정선상의 외측에 두 개의 전류 전극과 내측에 두 개의 전압 전극을 설치하는 4전극법 중에 웨너(Wenner)전극배치법을 이용하여 구조물에 거의 손상을 가하지 않는 비파괴 진단법이다. 비저항이 낮은 구조물의 경우는 부식의 위험이 크고 비저항이 높은 경우는 부식의 위험성이 상대적으로 적다는 것을 알 수 있다. 그러나 이 방법은 콘크리트 내부 철근의 부식을 정량적으로 측정할 수 없어 콘크리트 구조물의 부식진단에 적극적으로 활용하지 못하는 단점이 있다.

3) 선형 분극 저항법(Linear Polarization Resistance)

선형 분극 저항법은 철근 콘크리트 구조물에서 내부 철근의 순간 부식을 직접 측정할 수 있는 가장 간단한 방법으로 가장 많이 사용되고 있다. 콘크리트 내부의 철근 부식이 발생하면 전기화학적 반응에 의해 부식전지(corrosion cell)가 형성되고 양극에서 음극으로 흐르는 전류에 의해서 전극전위(electrode potential)의 변화가 발생하게 된다. 발생한 전위의 변화를 분극(polarization)이라고 하며 분극은 부식속도에 영향을 주게 된다. 측정원리는 철근의 부식전위(Ecorr=ΔE/ΔI)로부터 ±10mV 이내에서 미소한 전위차(ΔE)를 부하한 후 전류의 변화분(ΔI)을 구하여 부식속도와 관련된 분극 저항을 구하는 것이다. 분극 저항법은 분극 시키는 방법에 따라 선형 분극법과 교류 임피던스 측정법으로 나눌 수 있다.

4) 교류 임피던스법(Alternating Current Impedance)

선형 분극 저항법의 직류(direct current) 대신 10~20mV 범위의 교류(alternating current)를 인가하였을 때의 저항을 측정하는 방법으로, 이 방법에서 교류 주파수는 약 100kHz~1mHz 정도이다. 주파수가 다른 전압을 인가함으로써 부식속도와 함께 콘크리트 비저항 등의 정보를 얻을 수 있고 전해질의 비저항 크기와 관계없이 분극저항을 측정할 수 있다는 장점 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 이 방법의 경우 측정 시간이 비교적 길고 시험 결과에 대한 해석이 어렵기 때문에 실용성이 낮다.

5) 정전류 펄스법(Galvanostatic Pulse Transient Method)

콘크리트와 내부 철근 표면 사이에 인가된 전류에 대한 부식 전위의 동적 응답을 연구하기 위해 최근에 개발된 방법이다. 이 방법은 1mA 이하의 정전류(galvanostatic pulse)를 콘크리트 표면으로부터 내부 철근으로 인가하고 이로 인해 발생된 부식전위의 변화(transient response)를 시간에 따라 측정하는 진단법이다. 시간의 함수로 나타낸 부식전위의 변화 곡선은 콘크리트 내 철근의 전기화학적 부식 메커니즘에 기초하여 분석된다.

■ 4차 산업혁명 관점에서 기술의 중요성

18세기 제1차 산업혁명을 시작으로 한 시대별 기술의 발전이 세계 경제사회 패러다임의 전환을 주도하고 있다. 4차 산업혁명 시대란 인공지능, 빅 데이터(big data), 네트워크, 로봇공학, 사물인터넷(IoT: Internet of Things), 나노기술과 같은 새로운 과학 및 정보통신 기술(ICT: Information & Communication Technology)의 융합을 통해 사람과 사물 더 나아가 공간 등을 연결하는 시대이다. 이러한 4차 산업혁명 시대는 다양한 산업이 초연결성(Hyper-Connected), 초지능화(Hyper-Intelligent) 기반 하에 상호 연결되어 융·복합된 새로운 기술로 인류의 삶의 방식을 획기적으로 변혁할 수 있다는 전망이 나오고 있다. 특히 4가지 융합 기술이 핵심을 이루고 있다.

첫 번째는 사물과 ICT의 융합, 두 번째는 사람과 ICT의 융합, 세 번째는 운송수단과 ICT의 융합, 마지막으로 인공지능(AI : Artificial Intelligence)과 빅 데이터의 융합이다. 이 중에 사물과 ICT 융합의 경우 센서, 스마트 홈서비스, 공장 자동화 등과 같은 기술을 의미한다. 사물인터넷 기반의 센서에서 다양한 정보를 수집, 처리, 관리하고 인터페이스 구현을 지원하여 사용자들에게 정보를 서비스로 구현한다. 더욱이 사물인터넷에서 사용되는 센서는 과거의 기계식 센서와는 달리 최첨단 스마트 기기에 이용되는 초소형 센서로 반도체 제조공정에서 미세가공 기술 등을 이용하는 MEMS(Micro-electro-mechanical Systems) 공정 기반의 센서가 주를 이루고 있기 때문에 고감도, 고특이성 센서를 만들 수 있다는 장점이 있다. <그림 3-1-4-5>는 사물인터넷 연결 기반의 스마트 센서, 기기 융합 기술 구조를 나타낸 그림이다.

다양한 스마트 IoT 센서 기술 가운데 최근 건축물, 교량 및 해양구조물 등과 같은 곳에 설치되어 스마트 기기나 PC 등을 통해서 균열이나 내부 결함, 더 나아가 부식상태 등을 무선으로 실시간 모니터링하는 센서 기술이 발달하고 있다. 4차 산업혁명 사회에서 IoT 기반의 첨단과학 센서 기술은 재난 및 안전 분야의 현안을 해결하기 위한 직접적인 대안을 제시해 줄 것이며, 이러한 기술은 이제 선택이 아니라 필수가 되고 있다.

하인리히 법칙(Heinrich’s Law)에 따르면 대형 재난이 발생하기 전 그와 관련된 수십 차례의 경미한 사고와 수백 번의 징후들이 반드시 나타난다고 한다. 즉, 사소한 문제가 발생하였을 때 이를 사전에 인지하고 조치하면 큰 재난을 방지할 수 있지만, 사전에 징후가 있음에도 불구하고 이를 간과하면 돌이킬 수 없는 큰 재난이 발생한다는 것을 의미한다. 스마트 IoT 기술을 이용하면 초연결, 초지능 인프라의 활용을 통해 건축물에서 부식을 포함한 다양한 결함이나 위험요인을 조기에 감지할 수 있기 때문에 보다 진보된 재난 예방 시스템을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 예방에서 그치는 것이 아니라 재난 대비, 대응 및 복구 활동에도 활용하여 재난 안전 분야의 모든 활동을 비약적으로 발전시킬 것으로 보인다. 이처럼 스마트 IoT 센서 기술은 4차 산업혁명 시대에 다양한 분야에서 주목받고 있고 앞으로도 활용 분야가 더욱 확대될 전망이다.

▲ <표 3-1-4-1>세계 각국의 부식으로 인하여 발생되는 손실액

▲ <표 3-1-4-2>철근 콘크리트 부식 측정방법에 따른 특성

▲ <그림 3-1-4-1>자연전위법에 의한 철근 부식도 측정방법

▲ <그림 3-1-4-2>웨너의 4전극법을 활용한 비저항법 도식화

▲ <표 3-1-4-3>분극 저항법에 의한 철근의 부식률

▲ <그림 3-1-4-3>등가회로 모델, 콘크리트의 전기저항(Rc), 분극저항(Rp), 콘덴서(Cdl)

▲ <그림 3-1-4-4>시간 t에 따른 ln(Vmax-Vt) 곡선(좌), 복잡한 전기화학적 등가회로(우)

▲ <그림 3-1-4-5>스마트 센서 적용 도메인