연료전지 표면 결함, 인공지능으로 실시간 검사한다
연료전지 표면 결함, 인공지능으로 실시간 검사한다
  • 이웃집편집장
  • 승인 2023.04.26 11:54
  • 조회수 1633
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수소전기차의 핵심부품인 연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 전기와 열을 생산하는 친환경적 에너지 변환장치입니다. 지자체마다 수소전기차 시장 확대를 위한 설비 투자에 적극 나서고 있는데요. 그러나, 주민 반대로 난항을 겪는 일이 비일비재합니다. 국민들의 불안을 해소하려면 수소 연료전지의 생산성과 안전성을 동시에 확보할 인프라 구축이 필요합니다.

 

한국표준과학연구원(KRISS)이 연료전지 표면의 미세한 결함을 생산 공정에서 실시간으로 감지할 수 있는 기술을 개발했습니다.

 

이번에 개발한 기술은 딥러닝 기반의 실시간 3D 측정기술로, 단 한 번의 촬영으로 표면 형상의 결함을 찾아낼 수 있어 제조 공정의 가동을 멈추지 않고도 품질을 모니터링할 수 있습니다.

 

표면 형상의 실시간 3D 측정에는 원샷 패턴 주사방식이 활용되는데요. 물체 표면에 촘촘한 복합 격자무늬 패턴을 지닌 빛을 조사한 후, 반사되어 변형된 패턴을 분석하여 흠집이나 손상 등의 3차원 정보를 얻어내는 측정법입니다.

 

이 방식의 단점은 표면의 반사율이 낮거나 다양한 패턴이 섞여 있는 형태의 경우 측정이 불가능하다는 점입니다. 예를 들어 연료전지의 핵심부품인 금속분리판은 표면이 울퉁불퉁한 스테인리스(SUS) 소재로 되어 있어 산업 현장에서 실시간 3D 검사가 어렵습니다.

기존 원샷 패턴주사 방식에서 측정이 불가능한 패턴 모양. (a) 가시성이 떨어진 고주파수 합성패턴 형상(b) 개방 및 패쇄 패턴이 동시에 포함된 복잡 패턴 형상. 출처 : KRISS
기존 원샷 패턴주사 방식에서 측정이 불가능한 패턴 모양. (a) 가시성이 떨어진 고주파수 합성패턴 형상(b) 개방 및 패쇄 패턴이 동시에 포함된 복잡 패턴 형상. 출처 : KRISS

KRISS 광영상측정표준팀은 이 같은 한계를 극복하기 위해 패턴주사 방식에 인공지능 알고리즘을 도입했습니다. 자체 개발한 신개념 딥러닝 네트워크 DYnet++에 수천 개 이상의 표면 형상 측정데이터를 학습시켜, 빛 반사율이 낮거나 복잡한 형태의 표면도 실시간으로 3D 형상 측정이 가능합니다.

 

연구진은 이번 기술을 연료전지 샘플에 적용하기 위해 표면 결함이 있는 금속분리판 데이터를 인공지능 알고리즘에 추가로 학습시켰습니다. 적은 양의 데이터 학습만으로도 응용력을 갖춰, 3D 형상 측정 결과 2D 검사로는 판별이 어려웠던 샘플 표면의 찍힘과 스크래치가 단 한번의 촬영으로 감지됐습니다.

KRISS가 개발한 딥러닝 기반 원샷 패턴주사 3D 측정장치. 출처 : KRISS
KRISS가 개발한 딥러닝 기반 원샷 패턴주사 3D 측정장치. 출처 : KRISS

이번 기술은 측정 대상의 형태나 크기와 관계 없이 생산 라인에 손쉽게 탑재할 수 있어 외부 진동 및 온도 변화가 큰 생산과정 중에도 자동으로 불량 여부를 검사 가능한데요. 연료전지를 포함한 다양한 제조업 분야에서 생산성 향상, 품질 개선, 비용 절감 등을 통해 스마트 팩토리 도입에 기여할 수 있습니다.

딥러닝 학습에 사용될 실험 데이터를 자동으로 획득하기 위해 개발된 변형거울 장비. 출처 : KRISS
딥러닝 학습에 사용될 실험 데이터를 자동으로 획득하기 위해 개발된 변형거울 장비. 출처 : KRISS

김영식 KRISS 광영상측정표준팀장은 “이번 기술을 활용하면 연료전지 금속분리판의 다양한 불량과 결함을 실시간으로 판별할 수 있다”며 “최근 활발히 보급되고 있는 연료전지의 성능을 극대화하고 내구성과 안전성 향상에 기여할 성과”라고 밝혔습니다. KRISS는 이번 기술을 다양한 산업현장에 적용할 수 있도록 후속연구를 이어갈 예정이다.

 

연구 결과는 전기자기 분야 학술지 'IEEE Transactions on Industrial Electronics'에 3월 온라인 게재됐습니다.

 

#용어 설명

1. 딥러닝

인공 신경망을 사용하여 빅데이타에서 패턴을 분석하여 학습하는 머신러닝 알고리즘으로, 입력층과 출력층 사이에 여러 은닉층으로 구성된 다층 신경망 구조를 가지고 있다. 

2. 패턴 주사 방식

일정한 주기를 가진 규칙적인 패턴을 물체 표면에 투영한 후, 변형된 패턴을 분석함으로써 측정 대상물의 삼차원 정보를 얻는 비접촉 광학 측정방법이다.

3. 금속분리판

연료전지 스택에 수소와 산소를 공급하면서 단위전지들을 전기적으로 연결하고 지지대 기능을 하는 얇은 판 형태의 핵심 부품이다. 반응 가스의 공급·분리뿐 아니라 전기전도·물 배출·내부 열관리 등 폭넓은 역할을 수행한다.


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