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콘크리트 구조물에 포집된 이산화탄소 깊이를 비파괴적으로 측정할 수 있는 기술이 개발됐다. 의료 분야에서 활용되던 초음파 이미지 기술을 건설 분야에 적용한 최초 사례다. UNIST(총장 이용훈) 지구환경도시건설공학과 김건 교수는 조선대학교 건축공학 김형기 교수, 美 일리노이대학교 전기전자공학 Michael Oelze 교수팀과 함께 시멘트의 탄산화 깊이를 정밀하게 시각화할 수 있는 정량적 초음파 이미징 (Quantitative Ultrasound, QUS) 기술을 개발했다고 밝혔다. 콘크리트의 탄산화는 대기 중 이산화탄소를 콘크리트 구조물에 포집시키는 것으로 탄소중립을 위한 건설 산업 분야의 핵심 전략 기술 중 하나다. 탄산화가 진행됨에 따라 콘크리트 부재 내의 미세구조가 변화하는데, 이러한 구조적 변화는 기존 비파괴 방법들로는 측정이 어려워 파괴적 방법에 의존해 왔다. 연구팀은 수집한 초음파 신호로부터 재료의 초음파 산란 및 감쇠 특성을 추출해 이를 이미지로 시각화함으로써 미세구조 변화를 포착했다. 해당 이미지는 기존의 파괴적 시험기법인 페놀프탈레인 지시약법으로 측정된 결과 대비 약 1mm 정도의 오차만을 허용하며 탄산화 깊이를 정확히 탐지했다. 탄산화 깊이를 위치별로 비파괴적으로 측정 가능함이 증명된 셈이다. 현재 보편화된 초음파 이미징 검사 기법은 낮은 해상도의 한계로 전문가나 의사의 경험에 절대적으로 의존할 수 밖에 없다. 하지만 개발된 기술은 재료에 의해 결정되는 정량적 지표를 기반으로 이미지 픽셀을 구성하기 때문에 경험이 부족한 사람도 재료의 구조적 변화를 손쉽게 판단할 수 있다. 김건 교수는 “바이오 메디컬 분야로 국한돼 사용됐던 정량적 초음파 이미징 기술이 건설 분야에도 유용하게 활용될 수 있음을 증명한 첫 사례다”며 “해당 기술은 앞으로 자동차 배터리 수명 예측, 암 조직 정밀 시각화 등 다양한 연구 분야에 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다. 이번 연구 결과는 건설 분야 최상위 학술지인 ‘Cement and Concrete Research’에 4월 25일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 신진연구과제 및 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 한편, 지난 2020년 UNIST 지구환경도시건설공학과에 부임한 김건 교수는 건설공학, 고분자화학 등을 아우르는 다학제간 융합 연구를 하고 있다. 집속된 초음파 에너지를 이용한 암 조직 파괴, 폴리머 분자 사슬 강화, 초음파 기반 구조물 건전성 평가, 구조물 진단을 누구나 쉽게 할 수 있는 응력 시각화 고분자 센서 개발 등이 대표적이다. (논문명: Can carbonation depth be measured in a nondestructive way? High-frequency quantitative ultrasound imaging for cement paste) |
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경국제사회가 지구 온난화에 대응하기 위해 탄소중립을 강력하게 추진함에 따라 건설 산업 분야에서는 대기 중 이산화탄소를 포획해 구조물에 고정시키는 시멘트 탄산화(Carbonation)1) 기술을 중요한 전략으로 채택하고 있다. 시멘트의 탄산화 과정은 시멘트 수화 반응물(Ca(OH)2)과 대기 중 이산화탄소(CO2)의 반응을 통해 이산화탄소를 콘크리트 구조물에 고정하는 것을 의미한다. 탄산화 과정은 구조물의 내구성에 영향을 주기에 탄산화의 진행 정도, 즉 탄산화 깊이의 공간적 분포를 정확히 파악하는 것이 필수적이다. 해당 반응은 콘크리트의 pH를 9 이하로 떨어뜨려 철근 부식을 유발함으로써 부식을 일으킬 수 있으나, 탄산화 생성물로 인한 미세구조의 밀도화, 균열 치유, 강도 증진을 통해 철근이 없는 영역의 내구성을 향상시킬 수도 있다. 현재 탄산화 깊이를 측정하는 연구는 대부분 파괴적 시험에 의존하고 있거나, AI 및 회귀분석 기반의 예측이 대부분이기에 적용성 및 정확성의 한계를 가지고 있다. |
2. 연구내용본 연구에서는 정량적 초음파(Quantitative ultrasound, QUS)2) 이미징 기법을 개발하여 시멘트의 탄산화 깊이를 비파괴적으로 측정하였다. 탄산화된 시멘트 페이스트 시편에 대해 위상배열 초음파탐촉자(Phased array transducer)3)를 사용하여 후방산란 신호를 수집하였고, 수집된 신호에 대한 정교한 신호 후처리를 통해 재료의 산란 및 감쇠 특성을 반영한 물성 인자를 추출하였다. 해당 물성 인자의 공간적 분포를 통해 탄산화 및 비탄산화 영역의 경계면을 위치에 상관없이 시각화하였다. 전통적인 파괴적 시험방법(페놀프탈레인 지시약법)과의 비교 검증을 통해 초음파 이미징 기법을 통해 측정된 탄산화 경계면이 매우 높은 정확도(오차 약 1 mm)로 실제 경계면과 일치하는 것을 확인하였다. |
3. 기대효과본 연구에서는 시멘트의 탄산화 깊이의 비파과적 측정이 가능하다는 것을 증명하였다. 해당 기법을 통해 구조물의 탄산화 깊이를 높은 정확도로 시각화할 수 있으며 초음파 이미징 장비의 휴대성을 통해 현장 적용 또한 용이할 것으로 기대된다. 기존 '바이오 메디컬' 분야에서 제한적으로 개발되어 사용되던 초음파 이미징 기술을 건설 분야로 확대 적용하였으며, 해당 기술은 앞으로 배터리, 혈관 내 동맥경화 이미징 개선 등 다양한 연구 분야에서도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. |
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[붙임] 용어설명 |
1. 탄산화 (Carbonation)콘크리트 구조물이 자연 발생적으로 대기 중의 이산화탄소를 흡수하는 현상으로, 이를 통해 이산화탄소를 포획할 수 있다는 점에서 탄소중립 기술 중 하나로 간주된다. 하지만 이를 통해 콘크리트 내부의 pH가 낮아져 철근 부식을 일으킬 수 있다는 점에서 보다 정밀한 평가가 필요하다. |
2. 정량적 초음파 (Quantitative ultrasound, QUS)정량적 초음파(Quantitative ultrasound, QUS) 기법은 수집된 초음파 신호로부터오직 재료 특성에 의해서만 결정되는 정량적 물성 인자를 추출하는 기법이다. 본 연구에서는 주파수 성분 분석 기반의 분석을 통해 재료의 산란 및 감쇠 특성을 반영한 물성 인자를 측정하였으며 이들의 공간적 분포를 이미지로 시각화하였다. |
3. 위상배열 초음파탐촉자 (Phased array transducer)위상배열 초음파탐촉자는(Phased array transducer)란 초음파를 송수신할 수 있는 탐촉자(transducer)를 배열의 형태로 구성한 것으로 각 탐촉자의 개별적 동작 제어를 통해 초음파의 빔형성을 조절할 수 있다. 대부분의 초음파 이미징 장비는 해당 위상배열 초음파탐촉자를 활용하고 있다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림1. 개발된 정량적 초음파 (Quantitative ultrasound, QUS) 이미징 기법(1) 시멘트 탄산화에 따른 시멘트 미세구조 변화 및 초음파 산란 특성 변화. (2) 탄산화 시편에 대한 지시약법 및 개발된 QUS 이미징 비교. (2) 이진화 이미지(binary image)를 통한 탄산화 경계면 추출 및 QUS 이미징 기법 성능 평가 (오차 범위 1 mm 이내). |
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![[연구그림] 개발된 정량적 초음파 (Quantitative ultrasound, QUS) 이미징 기법](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2014/11/press_20141125_03.jpg)
