기존 대비 1/40 가격, 오차 0.026mm의 초정밀 계측 구현
사회기반시설물의 노후화가 심화되면서 구조물의 상태를 정밀하게 진단하는 ‘구조물 건전성 모니터링(Structural Health Monitoring)’ 기술의 중요성이 커지고 있다. 손 교수는 이 기술을 구조물의 건강을 진단하는 의사에 비유했다. 사람이 건강검진을 통해 몸 상태를 확인하듯 교량이나 건축물도 시간이 흐르면서 어디가 약해지고 이상이 발생했는지 지속적으로 살펴야 한다는 설명이다.
“기존의 점검 방식이 정기적으로 병원에 가서 건강검진을 받는 것과 비슷했다면, 저희가 연구하는 구조물 건전성 모니터링은 건강 스마트워치처럼 구조물의 상태를 지속적으로 살펴보는 기술입니다. 센서를 이용해 구조물이 얼마나 흔들리고 움직이는지를 관찰하다가 이상한 변화가 나타나면 미리 알려주는 역할을 하는 것이죠. 결국 작은 이상을 조기에 발견해 큰 사고를 예방하는 것이 핵심이라고 볼 수 있습니다.”
손 교수는 교량과 철도, 건축물 등 사회기반시설물의 안전한 관리를 위해 구조물의 변위량(물체가 처음 위치에서 최종 위치까지 이동한 거리와 방향의 변화량)을 정밀하게 측정하는 연구를 선도적으로 수행해 왔다. 특히 수년 전부터 주목해 온 대상은 상대적으로 안전관리의 사각지대에 놓이기 쉬운 중소형 구조물이다. 그 수가 워낙 많아 기존의 고가 계측 장비로 관리하기에는 현실적인 한계가 있는 데다, 작은 변화까지 정확하게 감지해야 하므로 비용과 정밀도를 동시에 충족하는 기술이 필요했다.
“전 세계 대부분의 사회기반시설물은 중소형 구조물입니다. 예를 들어 우리나라의 경우 2025년 기준 전체 시설물 18만 3,570개 가운데 1종 시설물은 1만 3,105개로 약 7.1%에 불과하고, 나머지 대부분은 2종 및 3종 시설물에 해당하죠. 문제는 이런 구조물이 워낙 많아 기존의 고가 장비와 방식으로 관리하는 데 현실적인 한계가 있다는 점입니다. 또한 구조물의 작은 변화까지 정확하게 측정할 수 있는 정밀한 기술이 필요하기 때문에 비용은 낮추면서도 정밀도는 높여야 하는 어려운 과제가 있었습니다. 이에 저희 연구팀은 이러한 문제를 해결하고 더 많은 구조물을 안전하게 관리할 수 있는 보급형 고정밀 센서를 개발하고자 연구를 시작했습니다.”
연구팀은 경제성과 정밀도를 동시에 확보하기 위한 해법으로 밀리미터파(mmWave) 레이더와 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 가속도계를 융합하는 기술을 적용했다. 두 센서는 서로 다른 장단점을 지니고 있다. 밀리미터파 레이더는 구조물의 느린 움직임에 따른 변위를 측정하는 데 유리하지만 빠른 흔들림을 놓칠 수 있다. 반면 MEMS 가속도계는 빠른 진동을 감지하는 데 뛰어난 성능을 발휘하는 대신, 시간에 따라 서서히 누적되는 움직임을 정확하게 포착하기 어렵다. 연구팀은 이러한 상호보완적 특성에 착안해 두 센서의 장점을 살리고 한계를 보완하는 융합 기술을 개발했다.
“두 센서 각각의 장점은 살리고 약점은 보완할 수 있도록 결합하는 방법을 개발했습니다. 저렴한 가속도계와 레이더의 측정 정보를 함께 분석하면 오차를 효과적으로 줄이고 매우 정밀한 변위 측정이 가능합니다. 이러한 융합 기술이 저렴하면서도 높은 정밀도를 갖춘 변위 센서를 개발할 수 있었던 핵심입니다.”
연구팀은 여기에 신호처리 알고리즘을 접목해 하나의 센서로 가속도와 기울기, 변위를 동시에 측정하는 ‘다물리량 동시 계측기술’을 구현했다. 무엇보다 주목할 성과는 기존 제품 대비 가격을 40분의 1 수준으로 낮추면서도 세계 최고 수준의 측정 정밀도를 확보했다는 점이다. 기존 GPS 기반 계측 장비는 개당 가격이 약 4,000만 원에 달하고 측정 오차도 약 10mm 수준이었다. 이에 비해 연구팀이 개발한 보급형 고정밀 변위 센서는 100만 원 이하의 가격으로 평균 변위 오차 0.026mm라는 높은 정밀도를 달성했다.
에너지 효율과 운용 편의성도 크게 개선했다. 에너지 소비량을 기존 대비 100분의 1 수준인 131mWh로 줄였으며, 주변 환경에서 에너지를 수집하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술을 접목해 전면 무선화까지 구현했다. 특히 센서 내부에 에지 컴퓨팅(Edge Computing) 기능을 탑재한 점도 눈길을 끈다. 에지 컴퓨팅은 수집한 데이터를 중앙 서버로 전송하지 않고 데이터가 발생한 현장에서 직접 처리하는 기술이다. 이를 통해 별도의 장비 없이 센서 자체적으로 구조물의 붕괴 위험을 판단하고 실시간으로 경보를 전송할 수 있도록 했다.
국내외 실증으로 신뢰성 입증…중소형 구조물 안전성 강화 기대
연구팀이 센서의 가격을 낮추는 것만큼 중요하게 고려한 것은 현장에서 손쉽게 설치하고 관리할 수 있는 시스템을 구축하는 일이었다. 중소형 구조물에 기술을 폭넓게 적용하려면 장비 가격뿐 아니라 설치와 유지관리 비용까지 낮춰야 했기 때문이다. 이를 위해 센서가 무선으로 데이터를 전송하고 별도의 계측 장비 없이도 작동하도록 설계해 설치 편의성을 높였다. 또한 센서 내부에 의사결정 기능을 탑재해 현장에서 수집한 모든 데이터를 전송하는 대신 필요한 결과만 전달하도록 했다. 관리자가 다수의 구조물을 보다 효율적으로 관리할 수 있도록 한 것이다. 이와 함께 배터리 사용과 태양광 패널 연계를 고려해 전력 공급에 따른 부담을 줄이고, 장기간 운용할 수 있는 현장형 시스템을 구현하고자 했다.
이렇게 개발한 센서와 모니터링 시스템은 미국 스탠퍼드대학교 주차빌딩과 산호세 고속도로, 중국 웨이팡 교량 등 7개국 13개 이상의 현장에서 실증을 거치며 높은 신뢰성을 입증했다. 다양한 실제 환경에서 기술의 성능과 적용 가능성을 검증하고, 해외 연구기관과의 협력을 통해 기술 개발과 사업화도 이어가고 있다.
“개발된 센서는 미국, 중국, 프랑스 등 여러 국가의 연구기관과 협력하며 실제 현장에서 검증해 왔습니다. 특히 미국 스탠퍼드대학교 노해영 교수 연구팀과의 한국연구재단 글로벌 기초연구실 사업 및 국토교통부 국제협력 연구개발 사업을 통해 미국 내 현장 적용과 사업화 가능성을 넓혀가고 있습니다. 해외 현장 검증은 기술의 신뢰성을 높이는 데 중요한 과정입니다. 앞으로도 국제협력을 통해 기술의 완성도를 높이고 글로벌 사업화 기반을 더욱 확대해 나갈 계획입니다.”
이번 기술은 중소형 구조물의 건전성 모니터링을 비롯해 시공 중 모니터링, 정밀시공, 내하력 검사 등 다양한 분야에 적용할 수 있어 사회기반시설물과 건설 구조물의 안전성 확보에 기여할 것으로 기대된다. 특히 원천기술 개발에서 상용화와 기술이전까지 이어진 성과라는 점에서도 의미가 있다. 관련 연구 결과는 2023년 1월 국제학술지 ‘메캐니컬 시스템즈 앤드 시그널 프로세싱(Mechanical Systems and Signal Processing)’에 게재됐다.
손 교수는 국가 건설 인프라의 안전성 강화에 기여한 공로를 인정받아 ‘대한민국 과학기술인상’ 2026년 6월 수상자로 선정되는 영예도 안았다. 대한민국 과학기술인상은 최근 3년간 독창적인 연구 성과를 창출해 과학기술 발전에 크게 기여한 연구자를 매월 1명씩 선정하는 상으로, 수상자에게는 과학기술정보통신부 부총리상과 상금 1,000만 원이 수여된다.
“이번 성과를 통해 중소형 구조물도 상시적으로 상태를 살펴보는 관리 방식이 자리 잡을 수 있을 것으로 기대합니다. 이러한 방식이 산업 전반으로 확산되면 작은 이상 징후를 조기에 발견해 큰 사고로 이어지기 전에 대응할 수 있습니다. 그동안 비용이나 기술적 한계로 충분히 관리하기 어려웠던 안전 사각지대의 중소형 교량과 도로 시설물의 안전성을 높이고, 궁극적으로 시민 안전과 국가적 손실 예방에 기여할 수 있을 것으로 생각합니다.”
능동형 열화상 기반 사고·수리 탐지 기술 등 기술이전 성과
손 교수가 이끄는 ‘스마트구조시스템연구실(SSSLAB, Smart Structures and Systems Laboratory)’은 구조물 안전진단과 센싱 기술을 중심으로 다양한 연구를 수행하고 있다. 독창적인 통계적 패턴 인식 기술을 바탕으로 데이터 호출기법 및 손상 감지 기술을 개발하는 한편, 구조 진동과 시스템 식별, 스마트 재료 및 구조, 모드 해석과 진동 시험, 능동형 센싱, 신호 처리, 확률·통계 해석 등 폭넓은 분야를 아우른다. 이를 토대로 ▲비파괴 검사 및 평가 ▲구조물 건전성 모니터링(SHM) ▲3D 프린팅 실시간 모니터링 및 공정관리 ▲데이터 분석 ▲스마트 센싱 분야에서 독창적인 연구 성과를 축적해 왔다. 연구 성과의 산업적 활용을 위한 기술이전도 꾸준히 추진해 현재까지 약 20억 원에 달하는 실적을 거뒀다.
대표적인 사례가 ‘능동형 열화상 기반 중고차 외판 사고·수리 탐지 기술’이다. 능동형 열화상은 할로겐 램프로 자동차 외판에 열을 가한 뒤 열화상 카메라로 표면의 열응답을 측정·분석해 사고나 수리 흔적을 찾아내는 비접촉 검사 기술이다. 동일한 열을 가하더라도 표면 상태에 따라 냉각 특성이 달라지는 원리를 활용하며, 이러한 차이를 분석해 육안으로 확인하기 어려운 도막 두께의 변화 등을 파악할 수 있다.
연구팀은 기술의 현장 적용 가능성을 확인하기 위해 에이치엘홀딩스(주)가 운영하는 플릿온(Fleet-ON) 화성 사업장에서 출고 전 차량을 대상으로 사고·수리 유형 판별 실험을 진행했다. 실제 검사 환경에서 무사고 외판과 사고·수리 외판의 열화상 측정 결과를 비교한 결과, 육안으로 식별하기 어려운 사고·수리 영역도 열응답의 차이를 통해 탐지할 수 있음을 확인했다.
“중고차를 평가할 때는 육안으로 확인하기 어려운 부분이 있습니다. 예를 들어 범퍼를 교체한 뒤 다시 도장하더라도 사고 기록에 남지 않는 경우가 있는데, 이럴 때는 중고차를 판매하면서 사고 이력이 없다고 이야기할 수도 있죠. 하지만 저희가 개발한 기술로 측정하면 눈에 보이지 않더라도 범퍼 교체 여부나 도막 두께의 변화를 확인할 수 있습니다. 판매자가 사고가 없었다고 주장하더라도 실제로 범퍼를 교체한 흔적이 발견된다면 이를 차량 가격에 반영할 수 있는 것이죠. 해당 기술은 기업에 기술이전을 마쳤으며, 현재 기술을 이전받은 기업에서 사업화를 진행하고 있습니다.”
3D 프린팅 공정 실시간 제어…금속 내부 공극 81% 감소
‘온라인 비파괴 검사 및 실시간 3D 프린팅 공정관리’ 기술 역시 산업계의 큰 관심을 받은 연구 성과 중 하나다. 연구팀이 개발한 기술은 열화상 카메라를 활용해 3D 프린팅 과정에서 레이저가 금속 분말을 녹일 때 형성되는 용융풀(Melt Pool)의 상태를 실시간으로 관찰하고 제어하는 방식이다.
열화상 카메라로 용융풀의 너비와 길이, 높이, 기울기 등을 측정하고, 온도 분포를 분석해 용융풀의 깊이까지 추정할 수 있다. 여기에 인공신경망(ANN) 기술을 접목해 프린팅 변수와 카메라 측정값을 바탕으로 용융 깊이를 더욱 정확하게 산출하도록 했다. 특히 핵심은 열화상 카메라로 용융풀을 관찰하는 동시에 추가로 레이저를 조사해 용융된 금속 재료의 내부를 지속적으로 휘저어 주는 기술이다. 연구팀은 이를 통해 기존 대비 공극 비율을 약 81%까지 줄이는 성과를 거뒀다.
“기존 방법은 여러 장비가 필요하거나 한 가지 기능만 수행할 수 있다는 한계가 있었습니다. 반면 저희가 개발한 기술은 단일 열화상 카메라 장비로 용융 깊이 조절과 공극 감소, 형상 제어 등 여러 작업을 동시에 수행할 수 있다는 것이 가장 큰 장점입니다. 또한 레이저를 활용해 금속 재료 내부의 열 분포를 균등하게 유지함으로써 공극이 외부로 빠져나가기 쉽게 만듭니다. 이와 함께 재료의 결정 조직을 한쪽 방향으로 치우친 바늘 모양에서 둥글고 균일한 형태로 변화시킬 수 있습니다.”
금속 제품의 내부에 공극이 많아지면 결정 조직이 특정 방향으로 치우치면서 재료의 물성이 달라질 수 있다. 미세한 수준에서 바늘처럼 뾰족한 조직이 형성되면 외부에서 힘이나 압력이 가해졌을 때 재료가 충분한 변형 없이 갑작스럽게 부서지는 ‘취성 파괴’로 이어질 위험이 있다. 이러한 금속 재료가 건설 현장이나 항공·우주·국방 분야 등에 사용될 경우 대형 사고를 초래할 가능성도 배제할 수 없다.
기존에는 금속 내부의 공극을 줄이기 위해 고압·고온 처리 방식을 활용했지만, 시간과 비용이 많이 들고 크기가 큰 부품에는 적용하기 어렵다는 한계가 있었다. 반면 연구팀이 개발한 기술은 3D 프린팅 공정 중 용융풀의 상태를 실시간으로 관찰하고 제어할 수 있어 후속 처리에 따른 부담을 줄일 수 있다. 아울러 공극을 감소시키고 결정 조직을 개선함으로써 재료의 연성과 내구성을 높일 수 있다는 점에서도 의미가 크다.
“이 기술의 가치는 3D 프린팅 과정에서 발생하는 품질 이상을 실시간으로 탐지하고 제어해 제품의 신뢰성과 안전성을 확보하는 데 있습니다. 이를 통해 재료와 시간, 인력의 낭비를 최소화하고, 궁극적으로는 더욱 안전한 사회를 만드는 데 기여하는 것이 목표입니다.”
연구실에서 시작된 혁신, 산업에서 꽃피우다
손 교수는 40대 초반에 KAIST 최연소 석좌교수로 추대될 만큼 탁월한 연구 성과를 쌓아왔다. 하지만 세계적인 수준의 연구 성과를 일궈내기까지의 여정이 늘 순탄했던 것은 아니다. 연구비가 부족해 학생들의 인건비를 지급하기 어려웠던 시기도 있었고, 도전적인 연구 주제의 특성상 학생들이 오랜 기간 논문을 발표하지 못하는 어려움도 겪었다. 그럼에도 손 교수가 흔들림 없이 지켜온 가치는 새로운 연구를 향한 도전의식과 불확실한 가능성에 기꺼이 뛰어드는 용기였다.
“흔히 사람들은 자신이 좋아하는 일을 꾸준히 열심히 하다 보면 결국 성공할 것이라고 말합니다. 하지만 노력한다고 해서 반드시 좋은 성과가 보장되는 것은 아닙니다. 가수 연습생으로 10년을 버티면 누구나 성공하고, 연구자가 창업해 최선을 다하면 무조건 큰 사업가가 될 수 있다면 누구나 주저 없이 그 길에 뛰어들겠죠. 그러나 현실에서 결과가 완벽하게 보장된 성공이란 존재하지 않습니다. 위대한 성취를 이루기 위해서는 타고난 자질과 끊임없는 노력도 중요하지만, 무엇보다 앞에 놓인 불확실성과 예상치 못한 역경을 마주하고 헤쳐 나갈 수 있는 용기가 필요하다고 생각합니다.” 손 교수가 연구원들에게 강조하는 또 하나의 철학은 ‘Business R&D’다. 일반적인 연구개발(R&D)과 달리 기술의 실용화와 상용화를 염두에 두고 연구를 수행해야 한다는 의미다. 논문 발표와 같은 학술적 성과를 얻는 데 집중하기보다 실제 산업 현장에서 활용할 수 있는 사업화 모델을 먼저 구상하고, 이를 구현하기 위한 연구를 추진해야 한다는 것이다. 연구를 통해 개발한 기술이 현실의 문제를 해결하고 실질적인 가치를 창출할 때 비로소 그 성과가 산업과 사회에 기여할 수 있다는 생각이다.
“연구가 연구에서 끝나는 것이 아니라 실제로 실용화되고 상용화될 수 있는 연구를 계속하는 것이 목표입니다. 이를 통해 우리나라 기업이나 국가가 부를 창출하고 해외 시장까지 개척하는 데 조금이나마 이바지하고 싶습니다.” 연구가 향해야 할 곳은 분명하다. 하지만 그곳에 이르는 길까지 정해져 있는 것은 아니다. 손 교수는 결과를 알 수 없는 새로운 연구에 기꺼이 뛰어들고, 어렵게 얻은 성과가 산업 현장에서 제 몫을 할 수 있도록 또 다른 길을 찾아왔다. 아무도 답을 알지 못하는 곳에서 시작해, 마침내 세상에 필요한 답을 만들어 내는 일. 그가 추구하는 연구의 가치이자 앞으로도 이어갈 도전의 방향이다.
취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)
교량과 건축물 등 사회기반시설물의 사고는 인명 피해뿐 아니라 국가적으로도 막대한 손실을 초래한다. 우리나라 역시 성수대교와 삼풍백화점 붕괴라는 대형 참사를 겪으면서 시설물 안전관리를 위한 법과 제도를 마련하고 정기 점검을 의무화했다. 그러나 여전히 안전관리의 사각지대는 존재한다. 대형 교량이나 초고층 건물은 사고 발생 시 피해 규모가 큰 만큼 사회적 관심이 높고 체계적인 안전관리가 이뤄지고 있다. 반면 전 세계 시설물의 98% 이상을 차지하는 중소형 구조물은 변위량이 mm급으로 작아 정밀한 관찰이 필요하지만, 기존의 고가 장비와 인력 중심의 방식으로 관리하기에는 현실적인 어려움이 따른다.이에 토목·구조물 안전진단 분야의 권위자로 손꼽히는 KAIST 손훈 교수는 중소형 구조물의 안전관리 문제를 해결할 방안으로 저비용·고정밀 계측 기술에 주목했다. 수년간의 연구 끝에 탄생한 ‘보급형 고정밀 변위 센서’는 미세한 움직임을 정밀하게 측정하면서도 가격 부담을 크게 낮춘 것이 특징이다. 기존 제품 대비 40분의 1 수준의 가격으로 평균 변위 오차 0.026mm라는 세계 최고 수준의 정밀도를 구현했다. 무엇보다 정기 점검에 의존하던 기존 구조물 진단 방식에서 벗어나, 건강 스마트워치처럼 구조물의 상태를 24시간 모니터링하는 체계로 전환할 수 있는 계기를 마련했다는 점에서 기대를 모은다.
기존 대비 1/40 가격, 오차 0.026mm의 초정밀 계측 구현사회기반시설물의 노후화가 심화되면서 구조물의 상태를 정밀하게 진단하는 ‘구조물 건전성 모니터링(Structural Health Monitoring)’ 기술의 중요성이 커지고 있다. 손 교수는 이 기술을 구조물의 건강을 진단하는 의사에 비유했다. 사람이 건강검진을 통해 몸 상태를 확인하듯 교량이나 건축물도 시간이 흐르면서 어디가 약해지고 이상이 발생했는지 지속적으로 살펴야 한다는 설명이다.“기존의 점검 방식이 정기적으로 병원에 가서 건강검진을 받는 것과 비슷했다면, 저희가 연구하는 구조물 건전성 모니터링은 건강 스마트워치처럼 구조물의 상태를 지속적으로 살펴보는 기술입니다. 센서를 이용해 구조물이 얼마나 흔들리고 움직이는지를 관찰하다가 이상한 변화가 나타나면 미리 알려주는 역할을 하는 것이죠. 결국 작은 이상을 조기에 발견해 큰 사고를 예방하는 것이 핵심이라고 볼 수 있습니다.”손 교수는 교량과 철도, 건축물 등 사회기반시설물의 안전한 관리를 위해 구조물의 변위량(물체가 처음 위치에서 최종 위치까지 이동한 거리와 방향의 변화량)을 정밀하게 측정하는 연구를 선도적으로 수행해 왔다. 특히 수년 전부터 주목해 온 대상은 상대적으로 안전관리의 사각지대에 놓이기 쉬운 중소형 구조물이다. 그 수가 워낙 많아 기존의 고가 계측 장비로 관리하기에는 현실적인 한계가 있는 데다, 작은 변화까지 정확하게 감지해야 하므로 비용과 정밀도를 동시에 충족하는 기술이 필요했다.“전 세계 대부분의 사회기반시설물은 중소형 구조물입니다. 예를 들어 우리나라의 경우 2025년 기준 전체 시설물 18만 3,570개 가운데 1종 시설물은 1만 3,105개로 약 7.1%에 불과하고, 나머지 대부분은 2종 및 3종 시설물에 해당하죠. 문제는 이런 구조물이 워낙 많아 기존의 고가 장비와 방식으로 관리하는 데 현실적인 한계가 있다는 점입니다. 또한 구조물의 작은 변화까지 정확하게 측정할 수 있는 정밀한 기술이 필요하기 때문에 비용은 낮추면서도 정밀도는 높여야 하는 어려운 과제가 있었습니다. 이에 저희 연구팀은 이러한 문제를 해결하고 더 많은 구조물을 안전하게 관리할 수 있는 보급형 고정밀 센서를 개발하고자 연구를 시작했습니다.”
연구팀은 경제성과 정밀도를 동시에 확보하기 위한 해법으로 밀리미터파(mmWave) 레이더와 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 가속도계를 융합하는 기술을 적용했다. 두 센서는 서로 다른 장단점을 지니고 있다. 밀리미터파 레이더는 구조물의 느린 움직임에 따른 변위를 측정하는 데 유리하지만 빠른 흔들림을 놓칠 수 있다. 반면 MEMS 가속도계는 빠른 진동을 감지하는 데 뛰어난 성능을 발휘하는 대신, 시간에 따라 서서히 누적되는 움직임을 정확하게 포착하기 어렵다. 연구팀은 이러한 상호보완적 특성에 착안해 두 센서의 장점을 살리고 한계를 보완하는 융합 기술을 개발했다.“두 센서 각각의 장점은 살리고 약점은 보완할 수 있도록 결합하는 방법을 개발했습니다. 저렴한 가속도계와 레이더의 측정 정보를 함께 분석하면 오차를 효과적으로 줄이고 매우 정밀한 변위 측정이 가능합니다. 이러한 융합 기술이 저렴하면서도 높은 정밀도를 갖춘 변위 센서를 개발할 수 있었던 핵심입니다.”연구팀은 여기에 신호처리 알고리즘을 접목해 하나의 센서로 가속도와 기울기, 변위를 동시에 측정하는 ‘다물리량 동시 계측기술’을 구현했다. 무엇보다 주목할 성과는 기존 제품 대비 가격을 40분의 1 수준으로 낮추면서도 세계 최고 수준의 측정 정밀도를 확보했다는 점이다. 기존 GPS 기반 계측 장비는 개당 가격이 약 4,000만 원에 달하고 측정 오차도 약 10mm 수준이었다. 이에 비해 연구팀이 개발한 보급형 고정밀 변위 센서는 100만 원 이하의 가격으로 평균 변위 오차 0.026mm라는 높은 정밀도를 달성했다.에너지 효율과 운용 편의성도 크게 개선했다. 에너지 소비량을 기존 대비 100분의 1 수준인 131mWh로 줄였으며, 주변 환경에서 에너지를 수집하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술을 접목해 전면 무선화까지 구현했다. 특히 센서 내부에 에지 컴퓨팅(Edge Computing) 기능을 탑재한 점도 눈길을 끈다. 에지 컴퓨팅은 수집한 데이터를 중앙 서버로 전송하지 않고 데이터가 발생한 현장에서 직접 처리하는 기술이다. 이를 통해 별도의 장비 없이 센서 자체적으로 구조물의 붕괴 위험을 판단하고 실시간으로 경보를 전송할 수 있도록 했다.
국내외 실증으로 신뢰성 입증…중소형 구조물 안전성 강화 기대연구팀이 센서의 가격을 낮추는 것만큼 중요하게 고려한 것은 현장에서 손쉽게 설치하고 관리할 수 있는 시스템을 구축하는 일이었다. 중소형 구조물에 기술을 폭넓게 적용하려면 장비 가격뿐 아니라 설치와 유지관리 비용까지 낮춰야 했기 때문이다. 이를 위해 센서가 무선으로 데이터를 전송하고 별도의 계측 장비 없이도 작동하도록 설계해 설치 편의성을 높였다. 또한 센서 내부에 의사결정 기능을 탑재해 현장에서 수집한 모든 데이터를 전송하는 대신 필요한 결과만 전달하도록 했다. 관리자가 다수의 구조물을 보다 효율적으로 관리할 수 있도록 한 것이다. 이와 함께 배터리 사용과 태양광 패널 연계를 고려해 전력 공급에 따른 부담을 줄이고, 장기간 운용할 수 있는 현장형 시스템을 구현하고자 했다.이렇게 개발한 센서와 모니터링 시스템은 미국 스탠퍼드대학교 주차빌딩과 산호세 고속도로, 중국 웨이팡 교량 등 7개국 13개 이상의 현장에서 실증을 거치며 높은 신뢰성을 입증했다. 다양한 실제 환경에서 기술의 성능과 적용 가능성을 검증하고, 해외 연구기관과의 협력을 통해 기술 개발과 사업화도 이어가고 있다.“개발된 센서는 미국, 중국, 프랑스 등 여러 국가의 연구기관과 협력하며 실제 현장에서 검증해 왔습니다. 특히 미국 스탠퍼드대학교 노해영 교수 연구팀과의 한국연구재단 글로벌 기초연구실 사업 및 국토교통부 국제협력 연구개발 사업을 통해 미국 내 현장 적용과 사업화 가능성을 넓혀가고 있습니다. 해외 현장 검증은 기술의 신뢰성을 높이는 데 중요한 과정입니다. 앞으로도 국제협력을 통해 기술의 완성도를 높이고 글로벌 사업화 기반을 더욱 확대해 나갈 계획입니다.”이번 기술은 중소형 구조물의 건전성 모니터링을 비롯해 시공 중 모니터링, 정밀시공, 내하력 검사 등 다양한 분야에 적용할 수 있어 사회기반시설물과 건설 구조물의 안전성 확보에 기여할 것으로 기대된다. 특히 원천기술 개발에서 상용화와 기술이전까지 이어진 성과라는 점에서도 의미가 있다. 관련 연구 결과는 2023년 1월 국제학술지 ‘메캐니컬 시스템즈 앤드 시그널 프로세싱(Mechanical Systems and Signal Processing)’에 게재됐다.손 교수는 국가 건설 인프라의 안전성 강화에 기여한 공로를 인정받아 ‘대한민국 과학기술인상’ 2026년 6월 수상자로 선정되는 영예도 안았다. 대한민국 과학기술인상은 최근 3년간 독창적인 연구 성과를 창출해 과학기술 발전에 크게 기여한 연구자를 매월 1명씩 선정하는 상으로, 수상자에게는 과학기술정보통신부 부총리상과 상금 1,000만 원이 수여된다.“이번 성과를 통해 중소형 구조물도 상시적으로 상태를 살펴보는 관리 방식이 자리 잡을 수 있을 것으로 기대합니다. 이러한 방식이 산업 전반으로 확산되면 작은 이상 징후를 조기에 발견해 큰 사고로 이어지기 전에 대응할 수 있습니다. 그동안 비용이나 기술적 한계로 충분히 관리하기 어려웠던 안전 사각지대의 중소형 교량과 도로 시설물의 안전성을 높이고, 궁극적으로 시민 안전과 국가적 손실 예방에 기여할 수 있을 것으로 생각합니다.”
능동형 열화상 기반 사고·수리 탐지 기술 등 기술이전 성과손 교수가 이끄는 ‘스마트구조시스템연구실(SSSLAB, Smart Structures and Systems Laboratory)’은 구조물 안전진단과 센싱 기술을 중심으로 다양한 연구를 수행하고 있다. 독창적인 통계적 패턴 인식 기술을 바탕으로 데이터 호출기법 및 손상 감지 기술을 개발하는 한편, 구조 진동과 시스템 식별, 스마트 재료 및 구조, 모드 해석과 진동 시험, 능동형 센싱, 신호 처리, 확률·통계 해석 등 폭넓은 분야를 아우른다. 이를 토대로 ▲비파괴 검사 및 평가 ▲구조물 건전성 모니터링(SHM) ▲3D 프린팅 실시간 모니터링 및 공정관리 ▲데이터 분석 ▲스마트 센싱 분야에서 독창적인 연구 성과를 축적해 왔다. 연구 성과의 산업적 활용을 위한 기술이전도 꾸준히 추진해 현재까지 약 20억 원에 달하는 실적을 거뒀다.대표적인 사례가 ‘능동형 열화상 기반 중고차 외판 사고·수리 탐지 기술’이다. 능동형 열화상은 할로겐 램프로 자동차 외판에 열을 가한 뒤 열화상 카메라로 표면의 열응답을 측정·분석해 사고나 수리 흔적을 찾아내는 비접촉 검사 기술이다. 동일한 열을 가하더라도 표면 상태에 따라 냉각 특성이 달라지는 원리를 활용하며, 이러한 차이를 분석해 육안으로 확인하기 어려운 도막 두께의 변화 등을 파악할 수 있다.연구팀은 기술의 현장 적용 가능성을 확인하기 위해 에이치엘홀딩스(주)가 운영하는 플릿온(Fleet-ON) 화성 사업장에서 출고 전 차량을 대상으로 사고·수리 유형 판별 실험을 진행했다. 실제 검사 환경에서 무사고 외판과 사고·수리 외판의 열화상 측정 결과를 비교한 결과, 육안으로 식별하기 어려운 사고·수리 영역도 열응답의 차이를 통해 탐지할 수 있음을 확인했다.“중고차를 평가할 때는 육안으로 확인하기 어려운 부분이 있습니다. 예를 들어 범퍼를 교체한 뒤 다시 도장하더라도 사고 기록에 남지 않는 경우가 있는데, 이럴 때는 중고차를 판매하면서 사고 이력이 없다고 이야기할 수도 있죠. 하지만 저희가 개발한 기술로 측정하면 눈에 보이지 않더라도 범퍼 교체 여부나 도막 두께의 변화를 확인할 수 있습니다. 판매자가 사고가 없었다고 주장하더라도 실제로 범퍼를 교체한 흔적이 발견된다면 이를 차량 가격에 반영할 수 있는 것이죠. 해당 기술은 기업에 기술이전을 마쳤으며, 현재 기술을 이전받은 기업에서 사업화를 진행하고 있습니다.”
3D 프린팅 공정 실시간 제어…금속 내부 공극 81% 감소‘온라인 비파괴 검사 및 실시간 3D 프린팅 공정관리’ 기술 역시 산업계의 큰 관심을 받은 연구 성과 중 하나다. 연구팀이 개발한 기술은 열화상 카메라를 활용해 3D 프린팅 과정에서 레이저가 금속 분말을 녹일 때 형성되는 용융풀(Melt Pool)의 상태를 실시간으로 관찰하고 제어하는 방식이다.열화상 카메라로 용융풀의 너비와 길이, 높이, 기울기 등을 측정하고, 온도 분포를 분석해 용융풀의 깊이까지 추정할 수 있다. 여기에 인공신경망(ANN) 기술을 접목해 프린팅 변수와 카메라 측정값을 바탕으로 용융 깊이를 더욱 정확하게 산출하도록 했다. 특히 핵심은 열화상 카메라로 용융풀을 관찰하는 동시에 추가로 레이저를 조사해 용융된 금속 재료의 내부를 지속적으로 휘저어 주는 기술이다. 연구팀은 이를 통해 기존 대비 공극 비율을 약 81%까지 줄이는 성과를 거뒀다.“기존 방법은 여러 장비가 필요하거나 한 가지 기능만 수행할 수 있다는 한계가 있었습니다. 반면 저희가 개발한 기술은 단일 열화상 카메라 장비로 용융 깊이 조절과 공극 감소, 형상 제어 등 여러 작업을 동시에 수행할 수 있다는 것이 가장 큰 장점입니다. 또한 레이저를 활용해 금속 재료 내부의 열 분포를 균등하게 유지함으로써 공극이 외부로 빠져나가기 쉽게 만듭니다. 이와 함께 재료의 결정 조직을 한쪽 방향으로 치우친 바늘 모양에서 둥글고 균일한 형태로 변화시킬 수 있습니다.”금속 제품의 내부에 공극이 많아지면 결정 조직이 특정 방향으로 치우치면서 재료의 물성이 달라질 수 있다. 미세한 수준에서 바늘처럼 뾰족한 조직이 형성되면 외부에서 힘이나 압력이 가해졌을 때 재료가 충분한 변형 없이 갑작스럽게 부서지는 ‘취성 파괴’로 이어질 위험이 있다. 이러한 금속 재료가 건설 현장이나 항공·우주·국방 분야 등에 사용될 경우 대형 사고를 초래할 가능성도 배제할 수 없다.기존에는 금속 내부의 공극을 줄이기 위해 고압·고온 처리 방식을 활용했지만, 시간과 비용이 많이 들고 크기가 큰 부품에는 적용하기 어렵다는 한계가 있었다. 반면 연구팀이 개발한 기술은 3D 프린팅 공정 중 용융풀의 상태를 실시간으로 관찰하고 제어할 수 있어 후속 처리에 따른 부담을 줄일 수 있다. 아울러 공극을 감소시키고 결정 조직을 개선함으로써 재료의 연성과 내구성을 높일 수 있다는 점에서도 의미가 크다.“이 기술의 가치는 3D 프린팅 과정에서 발생하는 품질 이상을 실시간으로 탐지하고 제어해 제품의 신뢰성과 안전성을 확보하는 데 있습니다. 이를 통해 재료와 시간, 인력의 낭비를 최소화하고, 궁극적으로는 더욱 안전한 사회를 만드는 데 기여하는 것이 목표입니다.”
연구실에서 시작된 혁신, 산업에서 꽃피우다손 교수는 40대 초반에 KAIST 최연소 석좌교수로 추대될 만큼 탁월한 연구 성과를 쌓아왔다. 하지만 세계적인 수준의 연구 성과를 일궈내기까지의 여정이 늘 순탄했던 것은 아니다. 연구비가 부족해 학생들의 인건비를 지급하기 어려웠던 시기도 있었고, 도전적인 연구 주제의 특성상 학생들이 오랜 기간 논문을 발표하지 못하는 어려움도 겪었다. 그럼에도 손 교수가 흔들림 없이 지켜온 가치는 새로운 연구를 향한 도전의식과 불확실한 가능성에 기꺼이 뛰어드는 용기였다.“흔히 사람들은 자신이 좋아하는 일을 꾸준히 열심히 하다 보면 결국 성공할 것이라고 말합니다. 하지만 노력한다고 해서 반드시 좋은 성과가 보장되는 것은 아닙니다. 가수 연습생으로 10년을 버티면 누구나 성공하고, 연구자가 창업해 최선을 다하면 무조건 큰 사업가가 될 수 있다면 누구나 주저 없이 그 길에 뛰어들겠죠. 그러나 현실에서 결과가 완벽하게 보장된 성공이란 존재하지 않습니다. 위대한 성취를 이루기 위해서는 타고난 자질과 끊임없는 노력도 중요하지만, 무엇보다 앞에 놓인 불확실성과 예상치 못한 역경을 마주하고 헤쳐 나갈 수 있는 용기가 필요하다고 생각합니다.” 손 교수가 연구원들에게 강조하는 또 하나의 철학은 ‘Business R&D’다. 일반적인 연구개발(R&D)과 달리 기술의 실용화와 상용화를 염두에 두고 연구를 수행해야 한다는 의미다. 논문 발표와 같은 학술적 성과를 얻는 데 집중하기보다 실제 산업 현장에서 활용할 수 있는 사업화 모델을 먼저 구상하고, 이를 구현하기 위한 연구를 추진해야 한다는 것이다. 연구를 통해 개발한 기술이 현실의 문제를 해결하고 실질적인 가치를 창출할 때 비로소 그 성과가 산업과 사회에 기여할 수 있다는 생각이다.“연구가 연구에서 끝나는 것이 아니라 실제로 실용화되고 상용화될 수 있는 연구를 계속하는 것이 목표입니다. 이를 통해 우리나라 기업이나 국가가 부를 창출하고 해외 시장까지 개척하는 데 조금이나마 이바지하고 싶습니다.” 연구가 향해야 할 곳은 분명하다. 하지만 그곳에 이르는 길까지 정해져 있는 것은 아니다. 손 교수는 결과를 알 수 없는 새로운 연구에 기꺼이 뛰어들고, 어렵게 얻은 성과가 산업 현장에서 제 몫을 할 수 있도록 또 다른 길을 찾아왔다. 아무도 답을 알지 못하는 곳에서 시작해, 마침내 세상에 필요한 답을 만들어 내는 일. 그가 추구하는 연구의 가치이자 앞으로도 이어갈 도전의 방향이다.
취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)<이 기사는 사이언스21 매거진 2026년 11월호에 게재 되었습니다.>