한국 첨단기술의 요람 대전에 위치한 한국표준과학연구원은 우리 생활 깊숙이 자리잡고 있는 측정과 단위 그리고 표준을 정하는 매우 중요한 역할을 하고 있다. 마치 공기처럼 평소에 그 존재와 고마움을 의식하지 못하지만 우리는 늘 표준과 측정의 단위 안에서 생활하고 있다. 아마 표준과 측정이 없다면 인류의 문명은 이처럼 눈부시게 발전하지 못했을 것이다.
한국표준과학연구원 (Korea Research Institute of Standards and Science: KRISS)은 1975년 설립 이래 국가측정표준 대표기관으로서 국가과학기술 발전의 토대를 제공하고 있으며 항공우주, 중화학, 반도체, 조선, 자동차 등 우리나라의 주력산업 제품의 품질을 국제적 수준으로 향상시키는데 중추적인 역할을 수행해오고 있다. 그리고 교정시험 서비스의 제공, 중소기업에 대한 기술 지원을 통하여 우리나라 산업의 국가측정표준 품질을 선진국 수준으로 높이는데 기여하고 있다.
수많은 연구 과제 중 현재 KRISS가 주도하고 있는 새로운 연구분야 중 하나는 적외선 열화상에 의한 비파괴평가 표준의 개발이다. KRISS는 국제 표준 비파괴검사 적외선 분과(ISO /TC135/ SC8)의 의장과 국제간사로 활동 중이며 의사결정권이 주어지는P 멤버로서 금속 표준시험편의 검사에 관한 국제표준 개발 및 풍력발전기에 사용중인 복합재료의 적외선 열화상 검사 방법 등의 국제 적외선 열화상 검사 표준을 연구 개발하고 있다.
풍력 발전기의 구성 요소중 바람을 회전 방향으로 힘을 전달해주는 블레이드의 경우 발전용량에 따라 길이가 결정되며 짧게는 수 십 미터부터 길게는 수 백 미터에 이르고, 무게만도 수십 톤에 이른다. 풍력 발전기 블레이드는 복합재료 소재로 제작되어 타 소재에 비해 가볍고 견고한 편이지만 발전 과정에서 엄청난 응력을 지속적으로 받기 때문에 시간이 지나면서 균열이 발생한다.
이와 같은 문제들로 인하여 한국보다 풍력 발전을 일찍 시작한 유럽국가들에서는 발전 중 블레이드가 파손되거나 고장을 일으키는 문제 등이 발생하고 있다. KRISS에서 풍력 블레이드의 비파괴 검사 표준을 연구하게 된 계기는 대관령과 서해, 제주 등에 설치된 풍력 발전기들의 안전사고를 미연에 방지할 뿐만 아니라 국제 규격의 표준을 주도적으로 개발함으로써 국가의 근간이 되는 전력시절의 안정적 유지와 국민 들의 안전을 위하여 지속적인 연구를 진행하고 있다.
지금까지 각국에서는 블레이드의 결함 검사를 위해 초음파 검사와 직접 접촉을 통한 검사 등 다양한 방법을 동원해 왔지만 이런 검사 방법으로는 블레이드에 균열이 일정 부분 진행된 후에야 발견할 수 있다는 단점이 있다. 초음파 기법의 경우에는 복합재료의 매질에 따른 음향 임피던스의 차이로 인하여 결함을 쉽게 발견하기 어려우며, 대부분 균열이 일정한 크기로 발생하기 전에는 탐지가 용이치 못한 경우가 많다.
또한 초음파를 활용한 방법은 국소 영역만을 탐지하기 때문에 100미터 이상에 이르는 블레이드 하나를 검사하는 데 만도 엄청난 시간과 노력이 필요하다. 초음파탐상과 더불어 흔히 활용되는 육안검사나 사람의 손에 의한 직접 접촉 방법도 블레이드 내부에 있는 미세한 균열이나 게재물의 결함을 미연에 방지하는 것에는 한계가 존재한다.
이런 노력과 시간을 단축시킬 수 있는 방법으로 고안된 것이 능동적 적외선 열화상 비파괴 평가기법이다. 적외선 열화상 카메라는 직접적으로 측정 대상체에 접촉하지 않고도 대형 물체를 빠른 시간에 스캐닝 할 수 있다. 뿐만 아니라 장비의 활용성과 운용방법이 어렵지 않아 비교적 빠른시간에 비파괴평가 기술을 습득할 수 있는 장점이 있다.
수동적 적외선 열화상 기법은 단순히 검사 대상체에서 방출하는 에너지를 수동적으로 받아들여 해석하는 기법인데 반해, 능동적 열화상 기법은 할로겐 램프, 플래쉬 램프, 초음파 가진, 유도전류, 히팅건 등을 이용하여 대상체에 에너지를 가한 후 대상체가 방출하는 에너지 이상 거동을 탐지해 내는 최신 기법이다.
초음파탐상 기법에 비하여 적외선 열화상 기법은 블레이드에서 방출되는 극히 미세한 적외선 에너지의 온도 차를 탐지하여 매질 속의 비균질성을 감지하여 결함의 유무를 초기에 발견함으로써 사전 정비하거나 수리, 교체할 수 있도록 한다. 뿐만 아니라 비접촉 검사 방법이므로 경우에 따라서는 블레이드를 발전기에서 분해하지 않고도 현장에서 단시간에 결함 부위를 탐지할 수 있는 장점이 있으며, 따라서 정밀한 수준의 결함을 탐지하기 위해서는 온도 분해능과 적외선 파장대역을 효과적으로 사용할 수 있는 중적외선 대역의 좋은 적외선 열화상 카메라가 유리하다.
현재 KRISS는 이러한 풍력 블레이드 결함검사 기법을 정량화하고 산업체에서 어려움을 겪고 있는 표준화된 결함 검사기법 및 전용 검사 시스템 개발을 목표로 연구를 수행하고 있다. 이 중에서 검사와 관련된 용어개발은 5년 전 시작, 올해 완성할 계획이다. 연구원이 적외선 열화상 비파괴 검사의 표준을 완성하기 위해서는 시험 방법서, 장비, 인력의 자격에 관한 표준을 마련해야 한다. 이것을 비파괴검사의 정량화 작업이라고 부른다. 지금까지 정성화는 어느 정도 이루어졌지만 표준으로 인정받기 위해서는 정량화가 필요하기 때문이다.
KRISS는 수평거치 또는 수직 거치된 풍력 블레이드 결함 검출이 모두 가능하며 초음파 적외선 기법과 광적외선 기법이 모두 수행 가능한 모듈 개발에 착수해 있다. 블레이드의 재질과 같은 GFRP 인공결함 시험편의 제작을 통한 결함형태에 따른 검출 기술개발이 목표로 하여 기존의 전통적인 검사 방법 보다 신뢰성 있는 결과 획득과 검사 시간을 획기적으로 단축시킴으로써 산업체에서 어려움을 겪고 있는 풍력 블레이드 결함 검출에 대한 노력과 시간을 보다 최적화시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.
현재 풍력 블레이드와 같은 복합재료 소재의 결함 검출을 위한 적외선 열화상 국제 검사 표준 개발을 총 지휘하고 있는 한국비파괴검사학회의 최만용 부회장은, “2년 후 국제표준 규격 개발을 목표로 현재 플리어시스템의 SC-5200 열화상 카메라를 이용하여 연구를 진행하고 있는데 매우 성과가 좋다. 플리어시스템의 SC-5200를 선택하게 된 것은 다른 선택의 여지가 없었기 때문이다. 그만큼 열화상 기법에 필요한 고분해능 등 필요한 성능을 갖추었기 때문이다”라고 말했다.
온라인뉴스팀
