고분자와 탄소나노소재와의 복합체 재료의 합성기술이 모든 산업분야에서 필수적인 소재로 자리 잡고 있는 가운데 이 분야를 선도하고 있는 울산과학기술대학교 기능성 지능형 재료연구실 박영빈 교수가 항공기나 건축물 등 구조물에 부착 또는 삽입시켜 구조물의 건전성을 실시간으로 진단할 수 있는 탄소나노튜브 고분자 복합체 기반 ‘센싱시스템’ 개발에 큰  성과를 내며 주목받고 있다. 대한민국을 이끌 유망기술을 연구하며 대한민국 싱크탱크로 떠오른 박영빈 교수를 소개한다.

다기능성 복합소재 개발로 획기적 ‘센싱시스템’ 눈앞!

현재 박 교수가 이끌고 있는 울산과기대 ‘기능성 지능형 재료연구실’은 둘 이상의 다기능성(구조적 강도＋전기 전도도＋열 전도도 등)을 가지며 외부환경이나 작동조건에 따라 스스로 생각하고 판단해 적절히 대응할 수 있는 소재를 개발하고 있다. 가령 자가진단이 가능한 항공기를 예로 들어보자. 일반 건축구조물과 같이 항공기도 정해진 주기마다 비파괴검사를 통해 구조건전성의 신뢰도를 확보한다. 그러나 이 방식은 이미 짜여진 검사일정을 따르므로 구조적 결함이 없는 항공기도 강제적으로 검사를 실시해 불필요한 시간과 인력, 비용이 낭비되고 있다.

더 심각한 문제는 검사주기중에 일어날 수 있는 결함은 대응이 불가능하므로 인명피해가 수반되는 치명적인 사고로 이어질 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 연구실은 신소재를 기반으로 하는 실시간 구조건전성 진단시스템을 개발하고 있다. 즉 균열, 변형, 충격 등을 감지할 수 있는 소재를 다양한 구조물에 첨가해 자가진단이 가능한 ‘센싱시스템’을 개발하는 것. 박 교수는 “우리 연구실은 자기감지력을 비롯한 다기능성을 구현하기 위해 두 개 이상의 서로 다른 소재를 혼합한 ‘복합소재’를 개발하고 있다”며 “특히 나노 단위에서 미세구조 및 물성제어가 가능한 나노복합소재에 대한 연구를 중점적으로 수행하고 있다”고 밝혔다.

박 교수에 따르면 기존에 사용돼 온 구조건전성 진단시스템은 주로 광섬유를 구조물에 삽입하거나 압전소자와 같은 고가의 센싱소자를 구조물에 다수 부착하는 방식이 대부분이다. 그러나 광섬유는 비교적 정확하고 전자파의 방해를 받지 않는 장점이 있는 반면, 구조물에 삽입이 어렵고 한 번 손상되면 사용이 불가하다는 단점이 있다. 또 압전소자와 같은 센싱소자는 다수의 소자를 배열해야 하므로 막대한 비용이 들고 전기적인 배선이 어렵다. 이 연구실은 현재 한국연구재단을 통해 지원되고 있는 ‘단방향 탄소나노튜브 복합체 기반 지능형 실시간 무선 구조진단 시스템의 설계와 최적화’ 연구를 통해 이런 단점들을 동시에 해결하는 신개념 ‘센싱시스템’ 연구에 박차를 가하고 있다. 이번 연구를 통해 개발된 구조건전성 시스템은 풍력발전기 블레이드에 적용될 계획이다.

즉, 접근성이 어려운 해상에 설치돼 있는 풍력발전기의 구조건전성을 사무실에 앉아서 실시간 모니터링할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 박 교수는 “향후 풍력단지가 육상에서 해상으로 확산될 것으로 전망돼 인간의 개입을 통한 구조물 진단을 최소화하기 위해 스마트 무선 실시간 진단시스템의 필요성이 더욱 절실하다”고 말했다. 박영빈 교수는 서울대 기계설계학과 학사와 석사를 거쳐 미국 조지아텍에서 기계공학(제조공학 및 복합재료 피로파괴 전공)박사학위를 취득했다. 이후 플로리다주립대 등에서 약 3년간 조교수로 강의를 했으며, 복합재료와 관련, 해외대학 및 연구소에서 우수한 연구성과와 오랜 연구 경력을 인정받아 현재 울산과기대 기계신소재공학 조교수로 재직하고 있다.