신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2018(9)-제1장 재난재해 방지를 위한 소재기술-철근 콘크리트 구조물 매립형 부식 모니터링 센서 소재기술(2)-집필 임재홍(재료연구소)

신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2018(9)-제1장 재난재해 방지를 위한 소재기술-철근 콘크리트 구조물 매립형 부식 모니터링 센서 소재기술(2)-집필 임재홍(재료연구소) - 철근콘크리트 수명연장 ‘부식 모니터링’ 각광

기사등록 2020-03-26 16:10:52
수정 2020-03-26 16:11:24

재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 10번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘국민생활문제 해결용 소재’다. 재난재해 방지를 위한 소재기술, 청정한 대기를 위한 소재기술, 깨끗하고 안전한 물을 위한 소재기술, 생활안전을 위한 소재기술 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2018’을 연재한다.

철근콘크리트 수명연장 ‘부식 모니터링’ 각광

철근 콘크리트 표면으로 침투하는 염소이온은 철근의 부식을 유발하고 더 나아가 콘크리트까지 파괴하여 이를 보수하는데 막대한 유지 관리 비용이 소요된다. 따라서 염소이온의 침투 정도를 미리 파악할 수 있다면 초기에 간단한 염해 억제 보수 공정 등을 통해 건축물의 내구성을 확보할 수 있고 유지관리 비용도 상당히 줄어들 것으로 판단된다. 하지만 현재까지의 연구 동향은 철근 콘크리트 구조물의 염해 보수 진단이나 염해 보수 공법을 선정하기 위해서 염해피해 정도를 조사하는 연구들이 많이 진행되고 있고, 콘크리트 내부로의 염소이온 침투를 모니터링하는 센서의 개발이나 모니터링 관련 연구는 매우 미흡한 실정이다. 최근에는 전 세계적으로 이와 같은 문제점을 인지하고 많은 국가와 기관에서 부식 모니터링용 센서의 연구개발에 노력을 기울이고 있다. 여기에서는 현재 연구개발 중인 비파괴시험 방법 기반 부식 모니터링 센서 연구를 중심으로 살펴보고자 한다.

■ 부식모니터링 센서 기술

1) 국내 동향

철근 콘크리트 표면에서 내부로 염화이온이 침투하게 되면 철근의 부식을 유발하고 더 나아가 콘크리트의 균열 및 파괴까지 일으키기 때문에 이를 보수하기 위해서는 막대한 유지 관리 비용이 소요된다. 나라마다 다르지만 과학계에서는 유지 관리 비용을 국민총생산(Gross National Product, GNP)의 약 2~5% 수준으로 평가하고 있다. 부식방지 기술 수준이 높은 방식(防蝕) 선진국의 경우는 2%, 방식 후진국의 경우는 5% 정도의 비용이 부식 유지 관리 비용으로 소요되고 있고, 우리나라의 경우는 후자에 속하면서 미국이나 유럽 일본보다 매우 낮은 부식방지 기술 수준을 나타내고 있다. 이와 같은 비용 소모를 줄이기 위해서는 방식 기술 수준을 선진국 수준으로 끌어올리는 노력이 필요하다. 만약 철근이 부식되기 전에 염소이온의 침투를 정량적으로 파악할 수 있다면 초기에 간단한 염해 억제 보수 공법 등을 통하여 구조물의 내구성 확보 및 유지 관리 비용의 절감 효과를 기대할 수 있을 것이다. 국내에서는 이러한 노력의 일환으로 부식방지 기술 개발과 관련한 협회 및 학회 활동이 진행되고 있다.

(사)한국부식방지기술협회(Korea Corrosion Control Association, KCCA)의 경우 70년 역사의 미국 NACE(National Association of Corrosion Engineers), 일본의 (사)일본방청기술협회를 모델로 하여 2016년에 세워졌다. 부식으로 인한 경제적 손실을 감소시킴으로써 경제성장률 1~2% 향상과 부식방지 엔지니어 양성이라는 목표하에 방식기술학교를 설립하였고, 이를 통해 종합방식기술자 및 부식방지 엔지니어 양성프로그램을 개발하여 매년 온·오프라인 교육을 통해 방식기술자를 양성하고 있다.

또한, (사)한국부식방지학회(Corrosion Science Society of Korea, CSSK)의 경우 1971년 창립총회를 개최하여 전민제 박사를 선출하는 것을 시작으로 지금은 정회원 280명, 준회원 1811명을 가진 학회로 성장하였으며 각종 학술대회, 강습회, 특별 심포지엄 등을 꾸준히 개최하고 있다. 부식방식의 학술적·기술적 증진을 위해 국제부식기구(International Corrosion Council), 아시아 태평양 재료부식기구(Asia Pacific Materials and Corrosion Association), 아시아태평양부식학술회의(Asia-Pacific Corrosion Conference), 세계부식학회(International Corrosion Congress) 등에 참석하며 국제교류 사업을 꾸준히 수행하고 있다.

하지만 이러한 노력에도 불구하고 현재까지 부식 관련 연구는 철근 콘크리트 구조물의 염해피해 정도를 조사하는 범위의 연구로 실질적으로 콘크리트 내부로 침투하는 염소를 모니터링하는 센서의 개발이나 시스템은 전무하다. 국내 각 기관에서는 이러한 문제점을 인지하고 이를 해결하기 위해 많은 연구개발을 진행하고 있다. 그 중 대표적인 국내 연구개발 기술들을 아래에 열거하였다.

한양대학교 이한승 교수팀은 기존에 연구개발된 염소이온 침투 모니터링의 한계점을 분석하고 실용적인 염소이온 침투 모니터링용 부식 센서 개발 및 제작에 스크린 프린팅(screen printing) 기법을 도입하였다.

스크린 프린팅 장비는 한 번의 프린팅 기술로 대량의 부식 센서와 다양한 형태를 가지는 센서를 제작할 수 있어서 상당히 효과적이다. 철(iron) 분말과 은(silver) 페이스트를 혼합한 후 스크린 프린트 장비로 프린트하여 제작한 부식 센서의 경우 염소이온 혼입 몰비가 증가할수록 센서의 부식 전위는 낮아지고, 부식 속도는 증가하며, 분극 저항은 작게 나타나는 경향을 보였다. 이를 통해 제작된 센서는 염소이온에 대해 높은 응답 특성을 가졌고, 센서 세선(fine line)의 수가 많을수록 염소이온에 기인한 센서 부식의 저항 변화가 커져서 높은 민감도를 나타내었다.

한국해양대학교 이상득 교수 연구팀은 다양한 부식 환경 조건에서 부식 데이터를 확보하고자 갈바닉 셀(galvanic cell) 타입의 부식 모니터링 센서를 제작하여 부식이 시작되는 시점과 진행 상태를 모니터링하였다.

<그림 3-1-4-7>은 연구팀에서 사용한 갈바닉 셀 타입 쿠폰 전극(coupon electrode)과 시멘트 몰탈 시험편을 나타낸 것이다. 쿠폰 전극과 갈바닉 쌍을 이루기 위해 스테인리스 스틸 재질의 판재를 이용하였고 모니터링 결과 매립된 갈바닉 셀 타입 쿠폰 전극을 통해 부식성이 강한 환경일수록 부식 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 콘크리트의 비저항은 온도와 염분의 증가에 따라 감소하며, 노출 환경의 온도 증가에 따라 염소이온 확산율이 증가하는 것을 확인하였다. 이와 같은 센서를 이용하여 정성적·정량적 모니터링이 가능함을 보여주었다.

경남대학교 김영훈 교수 연구팀에서는 은-염화은(Ag-AgCl) 기준전극(reference electrode)을 이용하여 제작한 부식 감지 센서를 이용하여 복잡한 내부 구조를 가지는 구조물에 적합한 통합 부식 모니터링 및 제어 시스템(Integrated Corrosion Monitoring and Control System, ICMCS)을 개발하였다.

기존에 사용되고 있는 희생양극(sacrificial anode) 방식은 일정 기간이 지나면 양극이 소모되어 교체가 필연적이며 복잡한 구조에서는 교체 작업 또한 용이하지 않았다. ICCP(Impressed Current Cathodic Protection)방식 역시 희생양극 방식과 더불어 많이 쓰이고 있지만, 선박의 밸러스트 탱크와 같은 복잡한 구조에서는 부식을 제어하기에 적합하지 않다는 문제점이 있었다. <그림 3-1-4-8>은 연구팀에서 개발한 부식 감지 센서로 일정한 시간 간격으로 전위차를 측정한 후 부식 제어 모듈로 신호를 보내 출력하는 방식을 이용한 것이다. 연구팀에서 개발한 ICMCS 시스템을 선박에 적용할 경우 구역별로 설치된 부식 감지 센서를 이용하여 측정된 선체 전위를 디지털 신호로 변환, 시리얼 방식으로 데이터를 전송한다. 이를 통해 부식 진행 상황을 실시간으로 모니터링하고, 이 과정에서 수집한 정보를 이용하여 전체 또는 부분적으로 부식을 제어할 수 있다는 장점이 있다.

2000년대 후반 연구 및 논문 급속도로 증가

세계 각국 국가표준을 국제표준화 작업 박차

2) 해외 동향

기술 선진국들의 경우 부식방지기술과 관련하여 정책적으로 국제규격이나 표준을 자국의 이익에 맞게 만들고 있으며 미국, 일본, 유럽의 경우 품질인증, 안전성, 신뢰성 확보를 위한 국제기술기준을 강화하고 국가표준을 국제표준화하는 작업을 수행 중이다. 이와 관련한 나라별 연구 활동 및 운영 현황을 아래에 열거하였다.

가. 미국

미국의 국립과학재단(National Science Foundation, NSF)의 경우 ‘센서와 센싱시스템’ 개발 프로그램을 통해 2000년도 중반까지 약 6,500달러를 연구개발에 투자하였다. 또한, 건축법(International Building Code, IBC) 안에 건물의 안전 및 유지 관리와 관련된 IEBC(International Existing Building Code), ICCPC(ICC Performance Code), IPMC(International Property Maintenance Code) 등의 규정을 마련하였다.

다음은 미국 정부기관의 지원을 받는 건설구조물 부식방식 관련 기관들이다. (1)연방고속도로국(Federal Highway Administration)의 코팅부식연구소(Coatings and Corrosion Laboratory), (2)Western Transportation Institute의 Corrosion and Sustainable Infrastructure Laboratory(CSIL), (3)미국 국방성(DOD)지원 애크런 대학교(University of Akron)의 Corrosion Engineering and Reliability Program, (4)텍사스 A&M 대학교(Texas A&M University)의 The National Corrosion Center(NCC), (5)NASA KSC(J. F. Kennedy Space Center)의 Corrosion Engineering Laboratory 등이 있다.

나. 일본

일본의 경우 장기우량보급주택 촉진에 대한 법률을 제정하여 설계에서부터 구조물 노후화에 대비하여 최장 200년까지 구조물의 내구수명을 정하도록 하고 있다. 또한, 시공단계에서 콘크리트 강도가 정확하게 반영되도록 국가 기술지침에 명확히 제시하고 있는데 국내보다 150% 높은 콘크리트 강도를 적용하고 있다.

일본의 이노베이션 25(Innovation 25)는 제3차 과학기술 기본계획을 바탕으로 2025년까지 장기 전략을 가지고 있다. 5가지 목표 중 하나인 ‘Safe and Secure Society’는 사회 및 국민의 안전을 제공하기 위한 센싱 모니터링 분야, 장수명을 위한 고강도 재료 및 자기치유 관련 기술 분야 등의 세부내용을 포함하고 있다.

주요 유지관리 법령으로는 건축기준법(제8조), 건설업법, 건축사법, 택지건물거래업법, 주택의 품질확보의 촉진 등에 관한 법률, 맨션 관리의 적정화 추진에 관한 법률이 있으며, 그 중 건축기준법과 건설성에서 고시한 준칙, 건축물의 내진 개수 촉진에 관한 법률이 유지관리에 대하여 가장 상세히 언급하고 있다. 즉 건축물의 안전에 대한 유지 관리뿐만 아니라 기존 건축물의 개선, 유효활용에 중점을 둔 정책들을 시행하고 있다. 안전과 위생에 대한 배리어 프리(barrier-free) 등의 기본적인 성능 확보, 에너지 절약 등의 지구 환경 대책의 추진, 도시 재생 및 경관 형성 등의 도시계획에 대한 배려, 건축물 스톡 시장에 대한 고려 등 다방면의 문제점을 개선하는 방향으로 바뀌고 있다.

다. 유럽

EU 및 유럽 각국의 부식 정책 및 구조물 내구성 향상에 관한 연구 활동 현황은 다음과 같다. (1) CEOCOR은 유럽 표준화의 내구성 향상을 위한 연구, (2) 영국 국립물리학연구소(National Physical Laboratory)의 National Corrosion Service, (3) French Corrosion Institute, RISE(Swerea Kimab), Netherlands Corrosion Center, Danish Corrosion Center의 내구성 및 부식과 관련된 연구, (4) 스페인의 Institute of Construction Science Eduardo Torroja - IETcc는 구조물 내구성 및 부식방식 연구 등을 수행하고 있다.

<표 3-1-4-4>는 주요 선진국들의 건축 모니터링에 관한 주요 기술들을 나열한 표이다. 표를 통해 선진국들은 오래전부터 건축물의 내구성 저하 및 부식 문제를 국가 산업 및 안전의 중대한 위협 요인으로 인지하고 이를 방지하고 해결하기 위하여 국가 및 민간 차원에서 다양한 연구개발 노력을 진행해오고 있다는 것을 알 수 있다. <표 3-1-4-4>는 주요 선진국의 건물 모니터링 기술을 나타낸 표이다. 이처럼 방식선진국의 경우 정부 또는 협회 차원에서 건축물 모니터링 기술개발을 적극적으로 지원하고 있다는 것을 알 수 있다.

다음은 국외의 다양한 비파괴 기반 부식 연구개발 기술 몇 가지를 선정하여 아래에 열거하였다. 전기화학 기반의 부식 감지법의 경우 철근 콘크리트의 부식 모니터링을 위한 검사 방법 중 가장 적합하다고 알려져 있다. 중국 저장대학교(Zhejiang university)의 Chen Xu 교수 연구팀에서는 three-electrode electrochemical test architecture를 기반으로 한 새로운 타입의 부식 센서를 제작하였다. 그리고 철근의 부식성능 평가를 위해 전기화학적 분극(electrochemical polarization) 기반의 anodic polarization current 방법을 제안하였다. 그 결과 anodic polarization current와 부식 전류(corrosion current) 사이에 선형적인 관계가 나타난다는 것, 제작된 부식 센서의 경우 콘크리트 내 염화물 침투를 콘크리트 내 상대습도의 영향을 거의 받지 않으면서 효율적으로 모니터링할 수 있다는 것을 증명하였다(그림 3-1-4-9).

비파괴검사 방법인 탄성파를 이용한 측정법(elastic wave method)의 한 종류인 음향방출(Acoustic Emission, AE)법의 경우 구조안전모니터링(Structural Health Monitoring, SHM)분야에서 널리 쓰이는 방법의 하나다. 대상물에서 발생하는 이상마찰음, 구조균열 등을 초음파를 이용하여 확인하는 방법으로 발생 초음파를 받으면서 구조의 안정성을 확인한다. 일본의 수도대학도쿄(Tokyo Metropolitan University)의 Kentaro Ohno 교수 연구팀은 AE법을 이용하여 철근 콘크리트 구조물 내에서 발생하는 균열(crack)과 열화(degradation)를 평가하였고 더 나아가 인장균열(tensile crack)과 전단균열(shear crack)의 상관관계를 해명하는 연구를 진행하였다.

광센서방법(optical sensing method)의 경우 FBG(Fiber Bragg Grating)를 사용하는데 이는 가장 널리 사용되고 있는 광센서로 빛의 성질을 이용하여 물리적 현상을 측정하는 원리를 가지고 있다. 센서에 들어가는 FBG의 경우 온도(temperature) 또는 스트레인(strain)변형에 반응하여 변하는 빛의 파장을 반사한다. 중국 난징대학교(Nanjing university)의 Junqi Gao 교수 연구팀에서는 철근의 부식을 감지하기 위해서 한 개의 FBG와 쌍둥이 철근(twin steel rebar)으로 구성된 Fiber Optic Corrosion Sensor(FOCS)를 제작하였고, 가속화된 부식 테스트 실험을 통해서 시간이 지남에 따라 파장의 시프트(shift)가 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 반사된 파장의 시프트가 증가할수록 철근의 무게 감소 비율도 증가한다는 상관관계를 도출하였고 이를 통해 제작된 FOCS의 철근 콘크리트 내에서 철근 부식 감지의 효율성 및 적합성을 규명하였다.

적외선열화상(Infrared thermography, IRT)기술의 경우 대상의 표면 복사에너지를 검출하고 이를 온도로 환산하여 실시간으로 영상을 제공하는 기술로, 표면 온도변화를 비파괴·실시간으로 측정할 수 있기 때문에 다양한 분야에 활용되고 있다. 일본 기후대학(Gifu university)의 K. Kobayashi 교수 연구팀은 유도가열(induction heating)과 적외선 서모그래피(infrared thermography)를 조합하여 새로운 타입의 철근 콘크리트 비파괴 부식 감지 연구를 진행하였다.

이 기술의 원리는 부식생성물의 낮은 열전도도를 이용한 것으로 콘크리트 표면에서 부식생성물의 온도 프로파일 측정이 용이하다는 것을 보여주었고, 특히 철근의 직경이 크거나, 측정 범위의 깊이가 작을수록 특성이 뚜렷이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

■ 국내외 선도기관

내구성 증진을 통한 철근 콘크리트 구조물의 수명연장을 위해서 구조물의 상태를 미리 점검하고 유지·관리하기 위한 연구개발이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 지난 반세기 동안 기하급수적으로 증가해왔던 콘크리트 구조물의 건설이 최근에는 감소하고 있고, 동시에 이러한 건축물에 시간이 지남에 따라 나타나는 열화현상으로 인한 문제들이 서서히 나타나고 있기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안 중 하나가 부식 모니터링 기술을 이용한 예방적 유지관리이다. 부식모니터링 기술은 구조안전모니터링(SHM)이라는 큰 개념으로 현장에 적용되고 있으며, 세계 각국에서 부식을 모니터링하기 위한 센서 및 모니터링 시스템 개발을 위해서 많은 노력을 기울이고 있다. 현재까지 상용화되고 있거나 연구개발 단계에 있는 모니터링 센서를 다음의 표에 나타내었고, 국내 및 해외 선도연구기관의 연구개발 내용을 <표 3-1-4-6>과 <표 3-1-4-7>에 나타내었다.

■ 국내외 논문 및 특허 동향

구조물 안전진단용 센서와 관련한 국내외 학술지 논문은 15년간 약 1,000여편이 출간되었으며 이 수치는 2000년대 후반에 들어서 급속도로 증가하고 있다. 이러한 연구는 미국과 중국이 주도하고 있으며 두 국가의 출판된 논문 수는 전체논문 수의 37%와 31%를 각각 차지하고 있다. 한국의 경우는 전체 논문 수의 약 6%(4위)로 낮지 않은 수치를 가지고 있다. 이는 한국의 경우도 2000년대부터 구조물의 안전진단의 중요성을 충분히 인식하고 연구개발 중임을 알 수 있다. 연도별 특허 역시 2000년대 이후 일본과 미국을 선두로 하여 상당히 많이 나오고 있다. 특히 일본의 경우 전체 출원 건수 989건 중의 561건으로 전체의 57% 이상을 차지하고 있다. 이는 일본의 대표적인 진단 센서 업체인 올림푸스(OLYMPUS)와 코닥(Kodak)의 영향으로 사료된다.

2000년대 이후의 최근 10년간 연구 동향을 살펴보면 2000년대 초반까지는 비파괴검사와 관련한 논문수가 모니터링보다 압도적으로 많았으나, 2000년대 후반으로 들어서면서 모니터링 분야의 논문수가 비파괴검사 분야의 수를 넘어서는 것으로 나타났다. 이는 전 세계적으로 구조물 안전 및 유지 관리 분야가 기존의 비파괴검사에서 모니터링 분야로 빠르게 전환되고 있다는 것을 보여준다. 이를 뒷받침하는 결과로 구조물 모니터링과 관련한 대표 저널들인 International Journal of Structural Health Monitoring, Structural Control and Health Monitoring의 피인용지수(IF : Impact Factor)가 계속해서 상승세를 타고 있는 것을 들 수 있다.