초음파 센서 성능 3배 높이는 기술 개발

서울대 기계항공공학부 김윤영 교수 연구팀은 기계장치나 건물을 검사할 때 쓰는 센서의 성능을 3배 이상 높이는 기술을 개발했다. 왼쪽부터 김윤영 교수, 김기연 박사후연구원 -서울대 제공

기계 장치나 건물을 검사하거나 사물인터넷(IoT)에 쓰이는 진동·초음파 센서 성능을 3배 이상 높이는 기술이 개발됐다.

서울대 기계항공공학부 김윤영 교수팀은 진동 초음파 센서가 부착되는 곳 양 옆에 한 쌍의 공진기를 붙여 센서 신호를 3배 이상 증폭하는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

기계 장치나 건물 내부 결함을 보기 위해 이를 부수기는 어렵다. 대신 진동이나 초음파를 쏘아 돌아오는 신호를 분석하는 ‘비파괴 검사’로 내부의 결함을 찾는다. 결함이 있다면 구조가 바뀌어 반사되어 돌아오는 신호가 정상 때와 다르다는 점을 이용한다. 최근에는 IoT 기술이 발달하면서 센서를 달아 실시간으로 기계장치나 건물의 상태를 검사하기도 한다. 센서는 신호가 세기가 강할수록 감도가 뛰어나 검사의 정밀도가 올라간다.

연구팀은 센서가 아닌 센서 주변 환경을 바꿔 성능을 높이는 방법을 개발했다. 지금까지는 센서 출력을 키우는 연구는 센서 자체로만 연구 범위를 좁혔다. 연구팀은 센서 주변에 메타물질 공진기를 달아 주변의 진동 저항을 감소시켜 신호를 증폭시키는 방법을 개발했다. 메타물질은 물질의 구조나 배열을 조절해 특성을 높였다. 메타물질로 만든 공진기는 특정 주파수의 진동이 저항을 거의 받지 않고 통과한다. 개발된 기술을 진동·초음파 센서 중 하나인 압전 센서에 적용했더니 신호가 이전에 비해 3배 이상 커졌다.

연구진은 센서의 주변부에 메타물질 공진기(노란색)를 달았다. 실험 결과 메타물질 공진기를 달았을 때(빨간 원) 달지 않았을 때(파란 원)에 비해 출력이 3배 이상 증폭됨을 확인했다. -서울대 제공

김 교수는 “공진기를 붙이면 센서가 부착된 주변의 기계적 저항을 사실상 0으로 만들 수 있다는 아이디어에서 출발했다”며 “이 기술은 사물인터넷 핵심 기술인 센서 기술에 바로 접목할 수 있다는 점에서 실시간 기계 진단 분야에 큰 파급 효과를 보일 것”이라고 말했다.

연구 결과는 이달 10일 국제학술지 ‘네이처 처뮤니케이션스’에 실렸다.

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]