3D 프린팅 건축에서 다음 층을 올려도 될 만큼 콘크리트가 굳었는지 초음파로 확인할 수 있는 기술이 나왔다.

2일 울산과학기술원(UNIST)은 지구환경도시건설공학과 신명수 교수팀이 출력물 한쪽 면에만 초음파 센서를 붙여 3D 프린팅 콘크리트 초기 강도를 추정하는 비파괴 검사법을 개발했다고 밝혔다.

3D 프린팅 건축은 거푸집 없이 콘크리트를 치약처럼 짜내 층층이 쌓는 기술이다. 거푸집을 만들고 해체하는 데 드는 시간과 비용을 줄일 수 있고, 곡선처럼 복잡한 모양의 구조물도 비교적 쉽게 만들 수 있다.

3D 프린팅 건축에서 중요한 것은 콘크리트 초기 강도를 확인하는 것이다.

콘크리트가 완전히 굳기 전 그 위에 다음 층을 쌓을 수 있을 만큼 버티는 힘을 초기 강도라고 한다. 이 힘이 충분히 생기기 전에 다음 층을 올려버리면 출력물이 찌그러지거나 무너질 수 있다.

연구팀은 출력물 한쪽 면에 초음파 센서 2개가 달린 아크릴판을 수직으로 부착하는 방식을 이용했다.

초음파 진동이 무른 콘크리트보다 단단하게 굳은 콘크리트에서 더 잘 퍼지는 원리다.

콘크리트가 굳으면 송신 센서에서 나온 초음파 일부가 콘크리트 안으로 퍼지기 때문에 수신 센서에서 잡히는 초음파 세기가 약해진다.

측정되는 초음파가 약할수록 콘크리트가 더 굳었다고 판단할 수 있다.

기존에 초음파로 강도를 측정하는 방식은 센서를 매립하거나 양쪽 면에 부착해야만 했다. 반면 이번 기술은 소자 2개를 한쪽 면에만 붙이기 때문에 설치가 간편하고, 아직 굳지 않은 콘크리트를 건드려 모양을 변형시킬 우려를 줄일 수 있다.

연구팀은 배합이 서로 다른 세 종류 콘크리트로 실험한 결과, 초음파 신호에서 얻은 지표와 콘크리트를 직접 눌러 측정한 초기 강도 사이에 높은 상관성이 나타났다고 설명했다.

주요 초음파 지표와 초기 강도 관계를 나타내는 결정계수는 0.927∼0.975였다. 결정계수가 1에 가까울수록 두 값 변화가 잘 맞는다는 뜻이다.

신명수 교수는 "출력물 한쪽 면에서 콘크리트가 굳는 상태를 확인할 수 있어 아래층이 충분히 굳은 시점에 맞춰 다음 층을 쌓도록 3D 프린터 출력 속도를 조절하는 데 활용할 수 있다"며 "현재는 소형 3층 출력물에서 실험한 단계로, 실제 크기 건축물에 적용하기 위해서는 추가 연구가 필요하다"고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원을 받은 이번 연구는 국제 학술지 '시멘트 및 콘크리트 복합재'(Cement and Concrete Composites) 11월호에 실렸다.