동아대학교(총장 이해우)는 건설시스템공학과 전동호 교수 연구팀이 콘크리트의 다양한 동적 물성을 비파괴·자동화 방식으로 실시간 측정할 수 있는 다중모드 압전센싱 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

지난 2021년 기존 토목공학과(1955년 창설)를 개편해 스마트시티 분야 핵심 인재 양성에 앞장서고 있는 동아대 건설시스템공학과 연구팀이 거둔 이번 성과는 최근 토목공학 분야 최상위 국제학술지인 『Cement and Concrete Composites』에 게재되며 독보적인 학술적 가치를 전 세계에 증명했다.

『Cement and Concrete Composites』는 영향력지수(Impact Factor) 14.4로 해당 분야 상위 1% 이내에 해당하는 세계 최고 권위의 학술지다.

이번 논문(제목: Multi-mode piezoelectric (PZT) sensing for in-situ profiling of the evolution of dynamic properties in cement-based materials)은 임태정 박사가 제1저자로 연구를 주도했으며 황진호 박사, 변예림 석사과정생, 박현우 교수와 전동호 교수(교신저자)가 저자로 참여해 긴밀한 융합 연구 성과를 냈다.

콘크리트 탄성계수와 푸아송비 등 동적 물성은 재료의 강성 발현, 양생(수화) 진행, 내부 수분 변화 및 손상 상태를 평가하는 핵심 지표다. 하지만 기존 공진시험은 서로 다른 진동 모드를 개별적으로 측정해야 하는 번거로움이 있었고 물성 산정 과정에서 푸아송비를 정적이고 일정한 값으로 가정하는 경우가 많아 자동화 및 실시간 모니터링을 정밀하게 수행하는 데 명확한 한계가 존재했다.

전동호 교수 연구팀은 시멘트계 재료 표면에 압전센서를 부착하고 단 한 번의 주파수 측정만으로 축방향 및 휨 진동 모드를 동시에 계측하는 혁신적인 ‘다중모드 PZT 센싱 기술’을 제안했다.

측정된 다수 공진 주파수를 역해석함으로써 동탄성계수와 동적 푸아송비는 물론 전단계수와 체적탄성계수까지 실시간으로 동시에 정밀 추정하도록 설계했다. 이는 별도의 반복 타격이나 모드별 개별 시험 없이도 재료 물성의 변화를 자동으로 추적할 수 있어 기존 비파괴시험과 확실히 차별화된다.

연구 결과 다중모드 센싱은 수분 재분포와 미세구조 변화에 따라 축방향 및 휨 진동 모드가 서로 다르게 변화하는 미세한 현상을 완벽히 포착했다.

특히 연구팀은 양생 및 건조 과정에서 시멘트 페이스트와 모르타르의 동적 물성을 연속 측정, 단순한 질량 감소보다 내부 상대습도와 공극구조에 따른 수분 재분포가 재료 강성 변화에 더 큰 영향을 미친다는 새로운 사실도 규명했다.

이 기술은 콘크리트의 양생 품질관리, 거푸집 탈형 및 구조물 재하시점 결정, 초기 미세손상 감지 등에 폭넓게 활용될 수 있다. 특히 센서를 구조물에 부착한 상태에서 인위적인 인력 투입 없이도 재료 물성 변화를 모니터링할 수 있어 향후 스마트 콘크리트 구조물의 건전성 모니터링(SHM) 및 디지털 트윈 기반 유지관리 시스템으로 확장이 기대된다.

제1저자인 임태정 박사는 “기존 시험은 특정 시점에서 단일 물성을 측정하는 데 그쳤지만 이번 연구를 통해 단 하나의 센싱 시스템으로 여러 동적 물성의 시간적 변화를 동시에 추적하고 정량적으로 해석할 수 있게 됐다”고 설명했다.

연구책임자인 전동호 교수는 “이번 연구는 콘크리트 재료의 상태를 비파괴·자동화·실시간 방식으로 측정할 수 있는 독보적인 원천기술을 제시한 성과”라며 “앞으로 실제 콘크리트 부재와 다양한 건설 현장에 적용해 스마트 건설 디지털 유지관리 기술을 선도할 수 있도록 고도화해 나가겠다”고 밝혔다.