해양 구조물을 안전하게 설계·시공하기 위해서는 구조물을 지지하고 있는 해저지반의 공학적 특성을 정확하게 평가하는 것이 상당히 중요하다. 지반의 공학적 특성을 파악하기 위해서는 물리탐사 외에 현장에서 직접 원위치실험을 하거나, 또는 채취(sampling)한 시료를 이용한 실내실험을 수행하여야 하는데, 이를 위해 해저면 시추(drilling) 작업이 필요하다. 지금까지 해상에서 이루어지는 대부분의 시추조사는 수심이 얕은 경우 해상작업장 위에 육상 장비를 설치하여 수행하는데, 수심이 깊어지는 경우에는 drill ship과 같은 전용선박이나 해저면 착저식 시추로봇과 같은 수중로봇을 이용해야 한다.

이 중 착저식 시험 장비는 장비 자체가 경량화, 소형화되어 있어 운용이 쉽고 빠르다. 또한 여러 다른 위치에서 신속하게 많은 시험을 수행할 수 있으며, 수심이 깊어질수록 유리하다. 이러한 장점으로 인해 전 세계적으로 지반조사를 수행할 수 있는 다양한 착저식 시추로봇이 개발 및 활용되고 있다. 여기서는 착저식 시추로봇에 대한 국제 동향과 함께 KIOST 에서 수행하였거나 계획하고 있는 유사 연구들을 소개하고자 한다.

KIOST 관련 연구사업 소개

착저식 해저지반조사장비는 해외에서는 이미 다양하게 개발되어 활용되고 있는 반면, 국내에서는 개발된 예가 전무하다. 이에 대수심 지반조사를 할 때마다 막대한 비용을 들여 외국 장비를 임대하여 쓰고 있는 실정이다. 따라서 해양 구조물 수요가 갈수록 증가할 뿐 아니라, 수심이나 조류 등 열악한 해양환경이 많은 우리나라 사정에 적합한 독자적인 해저 지반조사기법 개발이 필수적이다.

KIOST에서는 2000년대 초반부터 국내 독자적인 기술을 바탕으로 착저식 해양지반조사 장비를 개발하고 있다. 이 중 대표적인 것이 연약지반에서 작업 수행이 가능한 해양 콘관입시험기(Conte Penetration Test, CPT)와 모든 지반에서 작업이 가능한 해저지반 시추 및 시료채취 로봇이다. 둘 다 원격 제어방식의 로봇 개념이 포함된 것으로 이에 대해 간략하게 정리하면 아래와 같다.

KIOST에서는 국토해양부의 연구개발 과제의 일환으로, 해양 연약지반 물성 측정에 경제적이고도 신뢰성 있는 착저식 해양 콘관입시험기 를 국내 독자적인 기술로 개발하였다. 이는 시료채취 없이 지반조사가 가능한 시스템으로 국내 해양의 지형 및 지질 조건과 가용 선박조건 등을 고려하여 시험기의 제원을 결정하였다. 콘의 관입에 의한 반력을 자중으로 활용할 목적으로 총중량은 11ton(수중 중량 기준) 정도로 하였는데, 그림 1에 나타나 있는 바와 같이 부가되어 있는 앵커식 기초의 용량까지 고려한다면 약 20ton 이상의 반력을 확보할 수 있도록 하였다.

착저식 해양 콘관입시험기 는 수중에서 무인 착저식 전자동 개념으로 작동되기 때문에 육상에서 사용하는 콘관입시험기와는 다른 제작 기술이 필요하다. 이 시험기에는 신축이 자유로우면서 강성을 확보한 자동관입시스템, 콘의 연속 관입이 가능한 관절형 로드, 무인 작업을 위한 자동센서기술, 대수심에서의 작업을 위한 수밀기술 등 다양한 핵심기술이 적용되어 있다. 또한 원통형의 기초를 설치하고 석션 기초 기술로 시험기가 지반에 완전히 밀착시킴과 동시에 안정적으로 자리잡을 수 있도록 제작되었다.

KIOST에서 개발한 또 다른 착저식 지반조사로봇은 DrillBot-100이다(그림2). 이는 국토교통부의 초장대교량사업단 사업의 일환으로 진행된 것으로, 해저면에 착저하여 유선으로 원격 조정이 가능한 무인 자동화 지반조사 장비이다. (주)두배시스템과 공동연구를 통해 100m의 수압 조건에서 심도 50m까지 지반 굴착이 가능한 보링 장비 기술을 개발하였다. 앞선 해양 콘관입시험기는 토사 지반에 적용이 가능한 반면 이 로봇은 모든 지반에 적용 가능하다.

토사 및 암반에 대한 시료채취 기능 외에도 DrillBot-100은 해저 착저식 로봇 중 전 세계에서 유일하게 대표적인 지반조사기법 중 하나인 표준관입시험 (Standard Penetration Test, SPT) 장치를 포함하고 있다는 것이 특징이다. 수밀 조건 및 자동화 기술 등을 활용함으로써 육상시험과 동일한 조건을 고려하여 결과의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 현재 로봇 개발 완료 후 그림 4 와 같이 수 차례 성능실험을 완료한 상태이며, 향후 실제 현장에 투입할 계획이다. 

해저면 착저식 시추로봇 개발 동향

호주의 Benthics Geotech Pty LTD에서 보유하고 있는 PROD는 해저면 착저식 해양지반조사 로봇이며(그림 3), 선박에서 전력 공급뿐만 아니라 지반조사 작동도 원격으로 조작이 가능하고 이송이 간편하며 보링 및 샘플링을 비롯한 다양한 원위치 시험을 수행할 수 있다.

싱가폴과 미국 , 앙골라, 노르웨이, 영국, 한국 등 다양한 작업수행 실적을 보유하고 있으며, 현재 최대 수심 3,000m, 최대 심도 125m까지 적용할 수 있는 PROD까지 제작하여 활발하게 활용하고 있다.

수심 2,000m에 대한 시료채취를 주목적으로 개발된 독일의 대수심용 MEBO는 보링 깊이가 70m이고, 연약한 토사에서부터 단단한 암반까지 실험을 수행할 수 있다(그림 4). 코어의 직경은 55mm~84mm까지이며, 공기 중 무게는 10tf 정도, 전체 시스템의 무게는 약 75tf 정도다. 20‘ 컨테이너에 보관하여 전 세계 어디든 이동 가능하게 설계, 제작되어 있다. 2013 년도까지 총 2,066m 의 시추작업을 수행하였으며 최대 시추 깊이는 81m 정도이다.

미국의 Williamson & Associates 사는 수심 4,000m, 심도 50m 를 대상으로 시료채취 장비인 ACS를 개발하였다. 그림 5는 해상에서 운용하고 있는 모습을 나타내고 있다. 2011 년도에는 이를 업그레이드하여 A-BMS(Advanced Deepsea Boring System)를 개발하여 일본 JOGMEC에 공급한 바 있다.

미국 GREGG사에서는 수심 3,000m, 심도 150m에 적용할 수 있는 해저면 착저식 로봇인 SDS(Seafloor drilling system)를 개발하였으며, 시료채취 및 원위치 시험을 주목적으로 하고 있다 . 이 장비는 로드를 공급하기 위하여 다관절 로봇 팔을 활용한다(그림 6). 최대 85mm 직경의 시료채취 및 CPT를 수행할 수 있다 .          

영국 Forum사에서 개발한 ROVDrill 은 수중에서 작업용 ROV(Remotely Operated Vehicle)가 시추로봇을 구동할 수 있게 제작된 착저식 시추시스템이다(그림 7). 최대 3,000m 수심에서 운용이 가능하며 , 총 중량은 9.5~18 톤이다. 3m 길이의 관입용 로드를 활용하여 90m(최대 200m 까지 확대 가능) 심도까지 CPT가 가능하며, 최대 직경 73mm 의 시료채취를 수행할 수 있다 .                    

주요 고려 사항

앞서 설명한 바와 같이 전 세계적으로 대수심 조건에 대한 해저면 착저식 시추로봇 개발이 경쟁적으로 이뤄지고 있다. 해양자원 및 해양공간 개발을 위하여 반드시 필요한 해저 시추작업을 효율적 ？ 효과적으로 수행할 수 있는 방안을 꾸준히 연구하고 있는 것이다. 실제 개발된 로봇은 대부분 상용화하여 실제 현장에 투입되고 있지만, 대부분 제작 판매보다는 용역이나 임대 등의 형태로 활용되고 있다. 착저식 시추로봇 자체의 판매 가격에 비해 운용 및 용역 비용이 상대적으로 크기 때문이다.    

해저면 착저식 시추로봇을 포함한 수중건설로봇의 개발 및 활용 의지는 비단 미국과 유럽에 국한된 것이 아니다. 중국과 일본은 자국의 기술력을 확보하여 해저 시료 채취를 위한 시추선을 자체 건조하여 자국의 해외자원개발과 탐사, 각종 해상토목 공사 등에 활발히 활용하고 있다. 또한 세계 시장에서 활용도도 증가하고 있는데, 특히 중국은 최근 세계 최고 수준의 해저 ROV 제작사인 영국의 SMD사를 인수하여 세계시장에서 경쟁력과 영향력을 크게 확대하고 있다. 그에 비해 국내 기술에 대한 투자는 아쉽게도 미흡한 상태이다. 

KIOST 연구사업에 미치는 영향

현재 KIOST 에서 진행되거나 계획하고 있는 연구사업 중 여러 부분이 착저식 시추로봇과 연계되어 있다. 우선, 해저면 착저식 시추로봇의 세부기술 개발과 관련된 연구가 있는데, 천해용(100m 이내) 조건에 대한 해저시추로봇 기술은 이미 확보하였으므로, 이를 바탕으로 대수심 조건(2,000m 이상) 에 대한 기술 개발을 진행할 필요가 있다.

현재 진행 중인 수중건설로봇사업단의 기획 단계에서부터 착저식 시추로봇에 대한 내용이 포함되었으며, 2012년 당시 예비타당성조사를 담당한 KISTEP에서는 기존의 천해용 해저지반조사로봇 (DrillBot-100) 의 개발이 완료된 이후 진행하는 것으로 제시된 바 있다. 이제 DrillBot-100의 개발이 마무리되었으므로 대수심용 해저면 착저식 시추로봇에 대한 연구를 본격적으로 추진할 시기인 것이다.

해양수산부 기획사업으로 KIOST 에서 수행한 ‘ 해저지질시료 획득을 위한 시추시스템 구축 기획연구’에는 대수심용 착저식 시추로봇에 대한 내용이 포함되어 있다 . 국내 기술을 바탕으로 대수심용 착저식 시추로봇이 개발된다면 KIOST 에서 진행 중인 해저지질조사 관련 연구개발 사업을 비롯하여, 심해저 해저열수광상 광구 확보 등 해저 광물자원 개발을 위한 연구개발 사업 등과 직·간접적으로 연계할 수 있을 것이다. 

결론 및 정책 제언

지금까지 국내 해양구조물 대부분은 항만이나 해상교량 등 천해 조건에 집중되었지만, 최근에는 다양한 종류의 해양 구조물에 대한 수요가 증대되고 있고 설치 수심 또한 점차적으로 깊어지고 있다. 대수심 지반조사의 경우, 해외에서는 이미 독자적인 기술을 활용하여 다양한 종류의 해저면 착저식 시추로봇을 개발하였고 실제 현장에 투입하고 있다. 하지만 현재 국내 착저식 시추로봇은 KIOST에서 국가연구개발사업을 통해 개발한 것으로, 비교적 천해 조건 (수심 100m 이내 )을 대상으로 한 착저식 해양콘관입시험기와 DrillBot-100이 전부인 실정이다.

해양자원개발과 해양플랜트 시장이 급증하고 있는 현 시점에서 해외 기술이나 장비 도입에 따른 외화 유출 등을 감안한다면 독자적인 기술의 착저식 시추로봇 개발은 필수적이며, 실제 현장에 활용할 수 있는 전용 선박 또한 필요하다. KIOST 에서 수행한 ‘해저지질시료 획득을 위한 시추시스템 구축 기획연구’를 통해 착저식 시추로봇을 비롯하여 시추선 구축이 최대한 빠른 시일 내에 진행되길 기대한다.

장인성 | 수중건설로봇사업단 단장