레이저 및 광전자소자를 활용한 압전소자의 무선 가진 시스템 개발 Development of a Wireless Piezoelectric Transducer Excitation Technique using laser and optoelectronic devices 박 현 준 * ∙손 훈 ** ∙정 철 *** ∙권 일 범 **** ∙윤 정 방 ** Park, Hyun-Jun∙Sohn, Hoon∙Chung, Joseph∙Kwon, Il-Bum∙Yun, Chung-Bang 1) 요 약 교량, 댐, 터널 등의 대형 구조물 및 항공기 등의 기계 구조물의 경우 그 중요성과 함께 노후화 및 손상 의 발생에 의한 구조물의 사고를 미연에 방지하기 위해 효과적인 건전도 평가와 손상 검색에 대한 연구가 최근 급증하고 있으며 특히 압전소자를 활용하여 구조물의 손상을 추정하는 기법들이 많이 개발되고 있다. 또한, 최근에는 압전소자와 계측기 사이를 케이블을 이용하여 연결할 경우 실제 대형 구조물에 설치 시 비 효율적인 부분이 많아 무선 기반 계측시스템이 개발되고 있다. 그러나 이러한 무선 계측 시스템의 경우 압 전소자의 가진 및 계측되는 데이터의 전송을 위해 별도의 전원공급이 필요하기 때문에 배터리가 포함되도 록 구성되며 이럴 경우 그 수명이 제한적이기 때문에 실제 구조물에 활용 시 문제로 제기되고 있다. 이러한 배경에서 본 연구에서는 레이저를 통해 원격지의 압전소자에 무선으로 전원을 공급하여 가진시 키는 시스템을 제안하였다. 압전소자를 가진시키고자 하는 임의의 파형으로 레이저를 변조(modulation)시 키고 대기 중으로 전송하여, 압전소자와 연결된 광검출기(photodiode)를 통해 전기적 신호로 변환하여 최종 적으로 가진시키게 된다. 이러한 시스템을 실내 실험을 통하여 구현하였으며 그 효용성을 살펴보았다. keywords : 구조물 건전성 평가, 무선 가진 시스템, 레이저, 광전자소자, 압전소자 1. 서 론 일반적으로 교량, 대형시설물, 지하 매설물 등의 기간산업 시설물들은 사회가 발전하면서 사회 구성원들의 다양한 요구에 부응하기 위하여 점점 대형화 및 첨단화되고 있다. 이에 따라 여러 가지 신기술, 신공법, 신소 재 등이 도입되고 있으며 안전성 등의 검증에 대한 필요성이 요구되고 있다. 지금까지는 구조물의 안전진단 을 위하여 직접 인력의 투입이 요구되는 육안검사가 보편적으로 이용되어 왔지만, 최근 구조물에 각종 센서 를 부착하고 그 센서를 이용한 계측 결과에 기초한 구조물 안전진단 시스템의 사용이 점차 보편화되고 있다. 이러한 배경에서 최근 특히 압전소자를 활용하여 임의의 원하는 고주파 진동을 구조물에 발생시키고 이로부 터 유도파(guided wave)를 계측하여 구조물의 손상으로부터 생기는 유도파의 변화를 통해 구조물에 발생하 는 손상을 추정하는 능동형 센싱(active sensing) 기반 손상 검색 기술이 많이 개발되고 있다. 이러한 시스템의 경우 압전소자와 계측기 사이를 케이블을 이용하여 연결할 경우 실제 대형 구조물에 설 ** 학생회원∙KAIST 건설 및 환경공학과 박사과정 hj.park@kaist.ac.kr * ** 정회원∙KAIST 건설 및 환경공학과 교수 hoonsohn, ycb@kaist.ac.kr *** (주)싸이트로닉스 연구개발부, 기술개발팀장 utokorea@utocorp.com **** 한국표준과학연구원 안전계측연구단, 선임연구원 ibkwon@kriss.re.kr - 6 -