1. 서 론
최근 건설 구조물의 노후화가 가속됨에 따라, 구조물의 건전성을 모니터링하는 기술의 중요성이 점차 강조되고 있다. 특히 건축 구조물의 경우, 풍하중 및 바닥 충격음 등으로 인한 반복 하중에 의해 접합부에서 피로하중이 누적되며, 이를 조기에 진단할 수 있는 기술의 필요성이 대두되고 있다. 그러나 현재의 구조물 유지관리 연구는 주로 인력과 육안 점검에 의존하고 있어, 미세한 초기 피로균열을 탐지하는 데 한계가 있다. 강구조물 접합부의 경우 도장층이 존재하므로 내부 균열 감지가 어렵고, 도장층은 강재보다 연성이 크기 때문에 먼저 도장면에서 균열이 발생하는 경우가 많아 유지관리가 더욱 복잡해진다(Deepak e al. 2021).
이러한 배경에서 다양한 비파괴검사(NDT) 기법이 건설 구조물의 피로균열 감지를 위해 제안되었으나, 대부분이 파괴검사 또는 접촉식 검사 방식으로 이루어져 정밀 검사가 요구되는 제한적인 상황에서만 활용되고 있다. 침투 탐상, 자분 탐상(Zolfaghari et al. 2018; Mandache et al. 2021), 와전류 탐상(Machado et al. 2022; Xie et al. 2021), 위상 배열 초음파 탐상(Wang et al. 2019; Javadi et al. 2020) 등 기존의 NDT 기술은 균열 감지에 효과적이지만, 검사 전 표면 처리가 필요하고 숙련된 기술자의 데이터 해석이 요구되며, 검사 시간이 많이 소요되어 자동화 적용이 어렵다는 한계를 가진다. 특히 강구조물의 복잡한 용접 시공부에서 발생하는 피로균열은 균열 폭이 30 µm 이하로 매우 작아 육안으로 식별하기 어려우며, 용접 패턴과 균열의 구분이 어려워 오인식 가능성이 높다.
레이저 열화상 시스템은 균열의 고유한 열 반응 특성을 이용하여 비접촉 방식으로 균열을 감지할 수 있는 기술로, 30 µm 이하의 미세 균열도 감지 가능함이 보고된 바 있다(Li et al. 2011; Puthiyaveettil et al. 2020). 그러나 기존 기술은 주로 실험실 환경에서 사용되었고, 실제 건설 현장에 적용된 사례는 드물다. 또한 복잡한 용접 패턴이 탐지 성능을 저하시킬 수 있어, 현장 적용성 확보가 중요한 과제로 남아 있다. 본 연구는 이러한 기술적 한계를 극복하고자, 레이저 열화상 시스템의 건설 현장 적용 가능성을 평가하고 그 성능을 검증하는 것을 목표로 한다.
이를 위해 본 연구에서는 실제 운용 중인 건설 구조물을 대상으로 레이저 열화상 기법을 활용한 피로균열 탐지 기법을 제안하고, 이에 적합한 시스템 하드웨어를 개발하여 현장 적용 가능성을 확인하였다. 기존 레이저 열화상 기술은 실험실 환경에서만 주로 활용되던 분석용 검사 방식으로, 현장 적용 사례가 부족하였다. 본 연구에서는 장비 하드웨어를 간소화하여 휴대성을 확보하고, 열화상 영상 데이터 처리 절차를 단순화하여 실시간 검사 결과 도출이 가능하도록 개선함으로써 현장 활용성을 강화하였다. 실제 테스트베드로 사용된 강구조물에서 피로균열을 성공적으로 탐지함으로써, 본 연구는 다음과 같은 주요 성과를 도출하였다: (1) 비파괴 및 비접촉 방식으로 도장층 내부 균열의 감지가 가능함을 입증; (2) 육안으로 식별이 어려운 미세 균열을 효과적으로 시각화할 수 있음을 확인; (3) 기존에 실내 환경에 한정되었던 열화상 기반 비파괴 검사 기술의 옥외 환경 적용 가능성을 확보하여 사업화 가능성을 제시하였다.
레이저 열화상 시스템은 Fig. 1과 같이 열 가진부, 계측부, 제어부의 세 영역으로 구성되며, 각 부는 제어부를 중심으로 상호 동기화되어 하나의 통합 시스템을 형성한다. 열 가진부는 레이저 다이오드, 선형 레이저 생성 렌즈, 초점 렌즈로 구성되며, 제어부에 내장된 레이저 컨트롤러에 의해 제어된다. 컨트롤러는 레이저 다이오드에 제어 신호를 전달하여 점형 레이저 빔을 구조물 표면에 조사하고, 이를 통해 열에너지를 생성한다. 이때 조사 면적이 넓을수록 단시간 내 넓은 영역에 열이 가해져 검사 속도가 증가한다. 따라서, 선형 레이저 생성 렌즈와 초점 렌즈를 활용하여 점형 레이저 빔을 선형으로 변환함으로써 검사 효율을 높일 수 있다. 생성된 표면의 열 반응은 계측부의 열화상 카메라를 통해 영상으로 취득되며, 이 영상은 제어부로 실시간 전송되어 소형 컴퓨터에 내장된 신호 및 영상처리 알고리즘을 통해 균열 정보를 도출할 수 있다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 제2장에서는 레이저 열화상 시스템의 작동 원리를 설명한다. 제3장에서는 옥외 현장 적용을 위한 레이저 열화상 하드웨어 구성을 소개한다. 제4장에서는 개발된 옥외 현장 적용용 열화상 하드웨어의 현장 검증 결과를 제시한다. 마지막으로, 제5장에서는 본 연구의 내용을 요약하고 향후 논의를 제시한다.
2. 레이저 열화상 시스템 구동 원리
레이저 열화상 시스템은 구조물 결함을 탐지하기 위한 비접촉식 비파괴검사 시스템이다. 본 시스템은 레이저를 이용해 구조물 표면에 열에너지를 주입하고, 이로부터 발생하는 열의 전파 양상을 열화상 카메라로 계측한 뒤, 신호 및 영상처리를 통해 구조물 내 균열의 존재 여부, 위치, 크기를 실시간으로 검출할 수 있다. 레이저 열화상 시스템을 균열 검출에 활용할 경우 다음과 같은 장점이 있다: (1) 균열의 존재 여부 판별과 더불어 균열 형상의 시각화 및 크기의 정량화가 가능하다; (2) 육안으로 식별이 어려운 미세 균열도 이상 열 반응을 통해 손쉽게 검출할 수 있다; (3) 적외선 대역의 열화상 영상 계측을 통해 조도가 낮은 환경에서도 검사가 가능하다; (4) 비접촉식 검사 방식으로, 별도의 매개물질(couplant)이 불필요하다.
레이저 열화상 시스템은 크게 열 가진부, 계측부, 제어부의 세 영역으로 구성되며, 이들은 제어부를 중심으로 상호 동기화되어 하나의 통합 시스템을 이룬다. 열 가진부는 레이저 다이오드, 선형 레이저 생성 렌즈, 초점 렌즈로 구성되며, 제어부에 내장된 레이저 컨트롤러에 의해 작동된다. 컨트롤러가 제어 신호를 레이저 다이오드에 전달하면, 점형(point-type) 레이저 빔이 구조물 표면에 조사되어 국부적인 열에너지를 발생시킨다. 조사 영역이 넓을수록 동일 시간 내 넓은 면적에 열에너지를 주입할 수 있어 검사 속도가 향상된다. 이에 따라, 선형 레이저 생성 렌즈와 초점 렌즈를 활용하여 점형 레이저 빔을 선형(line-type) 레이저 빔으로 변환함으로써 검사 속도를 높일 수 있다. 생성된 열에너지는 구조물 표면을 따라 전파되며, 이러한 열 전달 양상은 계측부의 열화상 카메라에 의해 영상으로 계측된다. 계측된 열화상 영상은 실시간으로 제어부로 전송되어, 소형 컴퓨터에 내장된 신호 및 영상처리 알고리즘에 의해 균열 정보로 변환된다.
레이저 열화상 기법을 이용한 구조물 균열 검출 원리는 다음과 같다. 이 기법은 레이저를 열원으로 사용하여 검사 대상 구조물에 열에너지를 주입하고, 열화상 카메라로 구조물 표면의 열에너지 흐름을 계측하여 결함 여부를 판단하는 방식이다. 레이저 가진을 통해 관심 영역에 국부적으로 열을 가하면, 구조물 내 균열의 존재 여부에 따라 Fig. 2 및 Fig. 3과 같은 표면 온도 분포가 형성된다. 균열이 존재하지 않을 경우, 열은 가우시안 형태로 방사(radial) 방향으로 균일하게 전파된다. 반면, 균열이 존재하면 열 흐름이 방해를 받아 열 분포에 불연속성이 나타난다. 이는 균열에 의해 강재의 매질이 공기로 바뀌기 때문이다. 일반적으로 강재의 열전도율은 약 54 W/(m·K)인 반면, 공기의 열전도율은 약 0.025 W/(m·K)로 약 2,000배 이상 낮다. 따라서 열이 전파되는 경로에 공기층(균열)이 존재할 경우, 열은 균열 경계면에서 정체되고 해당 부위는 주변보다 높은 온도를 나타내게 된다.
열화상 카메라가 계측한 영상은 외부 환경 요인이나 장비 노이즈로 인해 오차가 발생할 수 있다. 보다 정확한 균열 정보를 얻기 위해, 계측된 열화상 영상에는 위상잠금 영상처리 기법(lock-in processing)이 적용된다. 이를 위해 시스템은 미리 설정된 레이저 스캐닝 경로를 따라 순차적으로 열을 가하고, 그에 따른 표면의 열 응답을 영상으로 획득한다. 이후 수집된 열화상 영상에 대해 위상잠금 알고리즘을 적용하여 각 픽셀의 온도 신호에서 최대값, 최소값을 포함한 세 개의 샘플링 지점을 Fig. 4와 같이 다음의 수식을 이용하여 해당 픽셀의 위상잠금 진폭를 계산한다.
모든 픽셀에 대해 위상잠금 진폭를 계산함으로써, 하나의 스캐닝 주기 동안 수집된 열화상 영상은 위상잠금 영상으로 변환된다. 균열이 존재하는 영역은 그렇지 않은 영역에 비해 더 큰 위상잠금 값을 갖게 되며, 이는 시각적으로 뚜렷하게 구분 가능하다. 이러한 방식은 현장에서 균열을 효율적이고 정확하게 검출 및 분석하는 데 효과적이다.
3. 현장 적용을 위한 레이저 열화상 하드웨어 구축
본 연구에서는 기존에 실내 환경에서만 운용되던 레이저 열화상 하드웨어를 옥외 환경에서도 활용할 수 있도록 개량하였다. Fig. 5에 제시된 바와 같이, 옥외용 레이저 열화상 하드웨어는 모든 구성 장비를 소형화하거나 자체 제작하여 경량 프레임에 탑재함으로써 현장 활용성을 극대화하였다. 열원으로 사용된 레이저는 광섬유를 통해 타겟 위치로 빔을 전달하며, 스캐너 대신 별도의 레일을 이용하여 1축 방향으로 이동할 수 있도록 설계되었다. 특히, 강교량에서의 운용을 고려하여, 모든 장비와 프레임에는 스위치형 자석을 부착함으로써 고소 작업 시 안정성을 확보하였다. 현재 개발된 시스템은 프로토타입 수준이며, 향후 장비화 및 상용화를 위한 추가 개선이 필요한 상황이다.
본 옥외용 균열 탐상 하드웨어는 Fig. 1 및 Fig. 5에서 나타낸 바와 같이 계측부, 열 가진부, 제어부의 세 부분으로 구성된다. 계측부는 상용 소형 열화상 카메라(A65SC, FLIR)로 구성되며, 열 가진부는 레이저 드라이버, 레이저 다이오드, 콜리메이터, 광섬유, 쿨러, 레이저 스캐닝 레일로 구성되어 모두 자체 제작되었다. 제어부는 소형 컴퓨터(Alpha 864s, LattePanda)와 터치 디스플레이(FIT0551, LattePanda)로 구성된다. 계측부와 제어부는 경량 및 소형화를 고려하여 상용 제품을 활용하여 구성하였다.
계측부의 핵심 장비인 열화상 카메라는 구조물 표면의 온도 분포를 시각화하여, 다양한 위치의 온도를 동시에 측정하고 국부적인 이상 온도 반응을 식별할 수 있도록 한다. 열화상 카메라의 성능은 온도 분해능과 적외선 해상도에 따라 결정되며, 온도 분해능이 낮을수록 미세한 온도 변화 감지가 가능하고, 해상도가 높을수록 더 정밀한 영역 분석이 가능하다. 본 연구에서는 현장 적용성을 고려하여 소형 상용 열화상 카메라를 활용하였으며, 관련 사양은 Table 1에 제시하였다.
Table 1.
Specification of Infrared Camera
Table 2.
Specification of continuous wave laser
열 가진부의 주요 장비인 레이저는 구조물 표면에 열에너지를 주입하기 위한 장비로, 본 연구에서는 연속 발진이 가능한 연속파(CW) 레이저를 사용하였다. 휴대성을 높이기 위해 레이저 구성 요소를 재배열하였으며, 광섬유와 콜리메이터를 활용하여 선형 형상의 레이저 빔이 목표 위치에 정확히 조사되도록 구성하였다. 이를 통해 기존의 점형(point-type) 레이저보다 넓은 영역에 열을 가하여 검사 속도를 향상시킬 수 있었다. 또한, 스캐너 설치가 어려운 현장 조건을 고려하여 콜리메이터의 위치를 수동으로 조절할 수 있는 레일을 제작하여 운용하였으며, 해당 장비의 사양은 Table 2에 정리되어 있다.
제어부의 주요 장비인 소형 컴퓨터 및 터치 디스플레이는 계측부와 열 가진부의 제어 및 데이터 연산을 위한 장비이다. 본 연구에서는 옥외 환경에서도 제약 없이 운용 가능한 수준의 소형 경량 장비를 선정하여 사용하였다. 특히, 제어용 소형 컴퓨터에는 Arduino Leonardo 기반의 마이크로컨트롤러 보드가 내장되어 있어, 각 장비 제어가 간편하게 이루어질 수 있었다.
4. 현장 강구조물 용접부 균열 탐상
본 연구에서는 구축된 옥외용 레이저 열화상 하드웨어를 활용하여, 실제 강박스거더교량 내부 U-rib 용접부를 대상으로 균열 검사를 수행하였다. 레이저 열화상 하드웨어의 선형 레이저 스캐닝에 따라 구조물 표면에 국부적인 열에너지가 생성되며, Fig. 6과 같이 열화상 영상에서 레이저 조사 위치가 스캐닝 경로에 따라 이동하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 레이저 스캐닝 경로 상 균열 존재 여부에 따라 Fig. 7과 같은 상이한 열 반응 양상이 나타난다. 균열이 존재할 경우, 균열이 없는 영역에 비해 레이저 스캐닝에 따른 표면 온도 상승량이 크며, 레이저 조사 이후 잔열이 비교적 오랫동안 유지되는 특성이 관찰된다.
다만, 열화상 카메라로 계측한 원 영상은 구조물의 내부 및 외부 온도 조건에 영향을 받기 때문에 균열 진단 시 오차가 발생할 수 있다. 이에 따라 보다 정확한 균열 정보를 도출하기 위해 영상처리 기법을 적용하였다. 먼저, 검사 시간 동안 다수의 프레임으로 계측된 열화상 영상(Infrared image, I)으로부터 구조물 표면의 온도 변화량을 하나의 영상으로 통합하기 위해 위상잠금 알고리즘을 적용하여, 위상잠금 이미지(Lock-in amplitude image, L)를 생성하였다. 이후, 극대값 기반 이진화 임계치를 설정하기 위해 Weibull 분포 기반의 임계값(Threshold, T)을 도출하였으며, 해당 값을 기준으로 위상잠금 영상을 이진화 영상(Binary image, B)으로 변환하였다. 마지막으로, 이진화 영상에 존재하는 영상 노이즈를 제거하기 위해 중간값 필터(Median filter)를 적용하여 최종 이미지(Final image, F)를 생성하였다. 이 전체 영상처리 과정은 다음 수식으로 정리될 수 있다:
여기서, 및 는 위상잠금 영상 의 픽셀 값 분포에 대해 Weibull 분포로 피팅한 scale 및 shape 파라미터이며, 은 중심 픽셀를 기준으로 하는 3×3 윈도우 영역을 의미한다. 최종적으로 도출된 용접 균열 영역은 위상잠금 이미지 위에 붉은색 마커로 시각화하여 균열의 발생 위치를 명확히 파악할 수 있도록 하였다.
Fig. 8은 각각 균열이 발생하지 않은 영역과 발생한 영역에 대한 검사 결과를 나타낸다. 균열이 발생하지 않은 영역에서는 비정상적인 표면 온도 변화 양상이 나타나지 않으며, 정상 영역과 유사한 온도 패턴을 보여 균열이 탐지되지 않았다. 반면, 균열이 발생한 영역에서는 인접 정상 영역 대비 현저히 높은 온도 변화가 관측되었으며, 제안된 영상처리 알고리즘을 적용함으로써 해당 영역에서 균열 패턴을 성공적으로 추출할 수 있었다.
레이저 열화상 시스템을 통해 식별된 균열 영역에 대해서는 자기탐상(MT) 비파괴검사를 통해 실제 균열 존재 여부를 검증하였으며, 고해상도 카메라를 이용한 관측 결과, 균열 폭은 약 30~80 µm 범위에 분포하는 것으로 확인되었다.
일반적으로 강재는 도막보다 연성이 크기 때문에, 피로균열이 발생하지 않은 경우에도 외부 진동에 의해 도막에 미세한 균열이 먼저 발생하는 경우가 많다. 이로 인해 일반적인 외관 조사를 통해서는 도막 내부에 존재하는 피로균열을 정확히 식별하기 어렵다. 반면, 본 연구에서 제안한 열전달 분석 기반 레이저 열화상 기법은 도막 내부의 강재에 존재하는 피로균열 여부를 레이저 조사에 따른 표면 온도 변화 분포를 통해 효과적으로 감지할 수 있는 장점을 지닌다.
5. 결 론
본 연구에서는 실제 운용 중인 현장 건설 구조물의 용접부 균열을 탐지하기 위한 레이저 열화상 기법을 제안하고, 해당 기법의 하드웨어 개발 및 현장 실험을 통해 성능과 사용성을 검증하였다. 기존의 레이저 열화상 기법은 실험실 환경에서 분석용 검사 방법으로 주로 활용되어 왔으며, 실제 현장 적용 사례는 거의 존재하지 않았다. 본 연구를 통해 레이저 열화상 시스템 하드웨어를 간소화하여 장비의 휴대성을 확보하였고, 열화상 데이터 처리 기법 역시 단순화하여 실시간 검사 결과 도출이 가능하도록 개선함으로써 현장 적용 가능성을 확보하였다.
실제 테스트베드로 활용된 현장 운용 강구조물에서 용접부 균열 탐지에 성공함으로써, 본 연구의 주요 성과는 다음과 같이 요약할 수 있다: (1) 비파괴 및 비접촉 방식으로 도장층 내부에 존재하는 균열을 검출할 수 있음을 확인하였다; (2) 육안으로 식별이 어려운 미세 균열을 시각화할 수 있는 기술적 가능성을 입증하였다; (3) 기존에 실내 환경에 한정되어 운용되던 열화상 기반 비파괴 검사 시스템을 옥외 환경에서도 활용 가능함을 확인하여, 기술의 사업화 가능성을 제시하였다.
향후 본 연구 결과를 바탕으로, 열화상 기반 건설 구조물 비파괴 검사 장비의 개발 및 실용화를 추진할 계획이다. 아울러, 지자체 및 정부가 관리하는 대형 건설 구조물의 유지관리 및 안전관리 업무에 본 기술이 활용될 수 있도록, 기술의 완성도를 지속적으로 고도화해 나갈 예정이다.
