[논문]급조 폭발물(IED) 제거 로봇의 개발비용 분석 및 카본나노튜브 기반 탐지센서기술에 관한 연구

권혜진

급조 폭발물(IED) 제거 로봇의 개발비용 분석 및 카본나노튜브 기반 탐지센서기술에 관한 연구
Analysis of the Robot for Detection of Improvised Explosive Devices and a Technology for the CNT based Detection Sensor 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.17 no.1, 2018년, pp.54 - 61

권혜진 (국방기술품질원 선행연구계획팀)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, two aspects were analyzed about the robot for removal of explosive devices. First, the cost analyses were performed to provide a reasonable solution for the acquirement of the system. It is processed by an engineering estimate method and the process was consisted of two ways : a system development expense and a mass production unit price. In additions, the resultant cost analyses were compared between the cases excluding and including a mines detection system. As results, in the case of the acquirement of the robot system for removal of explosive devices, it is recommended that the performance by improving the mines detection ability should be considered preferentially rather than the cost because the material cost for the mines detection system is negligible compared to the whole system cost. Second, as a way for improving the system performance by the mine detection function, the carbon nanotube (CNT) based sensor technology was studied in terms of sensitivity and simple productivity with presenting its preliminary experimental results. The detection electrodes were formed by a photolithography method using a photosensitive CNT paste. As results, this method was shown as a scalable and expandable technology for the excellent mines detection sensors.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 CNT 페이스트의 표면 처리방법에 의해 CNT 입자들이 효과적으로 페이스트 표 면 밖으로 잘 노출되었는지를 알아보기 위하여 제조된 CNT 페이스트 전극을 진공 챔버에 넣고 전압-전류 방출 특성을 확인하여 보았다.
본 논문에서는 폭발물 제거 로봇의 국내 개발에 의한 획득방안과 관련하여 두 가지 관점에서 연구하였다.
각 경우에 대한 비용분석 결과를 비교함으로써 획득방안에 대한 효율성을 제시하였다. 본 연구에서는 지뢰탐지 장치를 폭발물 탐지 및 제거 로봇에 적용했을 경우의 생산단가를 공학적 방법에 의거 하여 추정하여 보았다. 공학적 비용 추정이란 작업분할구 조(work breakdown structure, WBS)의 보다 낮은 단계에서 이 루어진 세부적 추정치들을 합산함으로써 전체적인 비용 추정을 설정하는 방식을 말한다.
본 연구에서는 폭발물 제거 로봇의 획득방안과 관련하 여 두 가지 관점에서 연구하였다.
CNT에 의한 화학물질 센싱방 법은 다른 연구결과에서도 잘 언급되어 있다[9]. 이에 따 르면, CNT 표면상에 화학물질이 흡착되면 CNT 전극의 전 도도(conductance) 또는 저항성(resistance)이 변화하는 원리를 이용하는 것이다. CNT 표면에 어떤 화합물성분이 흡착되 면 몇 가지 원리에 의해 전도성을 변화시키는데 그 원리 들로는 전극-CNT 간 접합에서의 쇼트키 장벽의 변동 (modulation), CNT와 화합물간에 전하전송 현상 등을 들 수 있다.
이에 따라 본 논문에서는 폭발물 탐지 및 제거 로봇을 획득하기 위한 합리적 대안을 제시하기 위하여 획득방안별 비용분석을 수행하였다. 현재 세계적으로 개발 중이거나 이미 개발되어 시판 중인 모델들의 형태나 성능은 매우 다양하므로 국내 개발의 경우 이미 우리나라의 상황에 맞게 설정된 요구 조건을 기준으로 비용분석을 하는 것이 타당할 것이다.
이에 따라, 탐지성능이 가장 우수할 것으로 예상되는 폭발물 극미량의 탐지 센서로서 CNT 기반의 센서 적용 가능성에 대해 연구하였다. 그 결과, 감광성 CNT 페이스 트를 사진식각공정에 적용하면 CNT 기반 화합물 탐지센 서 전극을 쉽게 형성할 수 있음을 확인하였다.

제안 방법

본 논문에서는 선행연구 단계에서의 지뢰탐지장치가 적용된 경우와 적용되지 않은 경우에 대해 ‘폭발물 제거 로봇에 대한 비용분석’을 공학적 추정방법을 통해 수행 하였다. 각 경우에 대한 비용분석 결과를 비교함으로써 획득방안에 대한 효율성을 제시하였다. 본 연구에서는 지뢰탐지 장치를 폭발물 탐지 및 제거 로봇에 적용했을 경우의 생산단가를 공학적 방법에 의거 하여 추정하여 보았다.
국내의 이와 같은 상황들을 기반으로 군에서 필요로 하는 성능 조건이 제시되었고 그에 적합한 사양을 갖는 로봇 체계개발 및 양산단가의 비용분석이 진행되었다.
2는 앞에서 언급한 로봇 장치 중에서 세계적으로 대표적인 3대 폭발물 탐지 및 처리 로봇들의 주요 특징을 비교하여 나 타낸 것이다. 그림에서 메이저 회사별 주요 모델을 제시하였으며 각 모델별 무게 및 크기를 비교하였다.
다음으로, 폭발물 제거 로봇의 획득을 위해 비용적 측면 외에 성능적 측면에서의 중요성을 고려하여 폭발물 탐지 장치의 최근 기술 동향을 분석하였다. 그에 따라 가장 효율적인 방법일 것으로 예상되는 카본 나노튜브(carbon nanotube, CNT) 기반의 탐지 센서에 관한 선행 연구를 수행하였으며 특성 분석을 통해 폭발물 탐지 장치로서의 적용 가능성을 확인하였다.
다음으로, 폭발물 제거 로봇의 획득을 위해 비용적 측면 외에 성능적 측면에서의 중요성을 고려하여 폭발물 탐지 장치의 최근 기술 동향을 분석하였다. 그에 따라 가장 효율적인 방법일 것으로 예상되는 카본 나노튜브(carbon nanotube, CNT) 기반의 탐지 센서에 관한 선행 연구를 수행하였으며 특성 분석을 통해 폭발물 탐지 장치로서의 적용 가능성을 확인하였다.
다음으로는, 지뢰탐지 기능 미적용시의 양산단가를 분 석하였다. 합리적인 양산단가를 결정하기 위해서는 체계 개발 단계에서부터 복수업체에 의한 경쟁구도를 통해 양 산단가에 대한 정보를 확보함으로써 양산단가의 비용을 절감시킬 수 있으나 국내 여건상 그렇지 못한 한계가 있 다.
먼저, 폭발물 제거로봇의 획득을 위한 분석 방안으로 공학적 추정에 의한 체계개발 비용분석과 체계개발에 따 른 양산단가의 추정을 수행하여 보았다. 두 번째로는, 폭 발물 제거로봇의 획들을 위해 비용적 측면 외에 성능적 측면에서의 중요성을 고려하여 폭발물 탐지 장치의 최근 기술 동향을 파악하고 그 대안 방법을 검토 및 제시하였 다. 양산단가의 경우 지뢰탐지기능 적용 유무에 따른 총 개발비의 차이는 주로 노무비와 경비의 증가에 기인하는 것으로 분석되었으며 지뢰탐지장치의 적용에 따른 재료 비 증가는 거의 무시될 수준으로 낮게 나타났다.
연구 수행시 획득방안, 사업수행주체 등 다양한 요소들을 고려하여 분석을 실시 하며 그 중 하나가 사업을 추진하는데 소요되는 비용추 정이다. 또한, 사업 수행 중이나 종료 후에도 사업분석이 나 성과분석을 통해 총 사업비에 대한 타당성을 검증한 다. 사업추진을 함에 있어 비용분석은 사업 전 단계에서 필수적으로 고려해야 할 요소 중 하나임은 분명하다.
먼저, 폭발물 제거 로봇의 획득을 위한 분석 방안으로 공학적 추정에 의한 체계개발 비용분석과 체계개발에 따른 양산단가의 추정을 수행하였다.
먼저, 폭발물 제거로봇의 획득을 위한 분석 방안으로 공학적 추정에 의한 체계개발 비용분석과 체계개발에 따 른 양산단가의 추정을 수행하여 보았다. 두 번째로는, 폭 발물 제거로봇의 획들을 위해 비용적 측면 외에 성능적 측면에서의 중요성을 고려하여 폭발물 탐지 장치의 최근 기술 동향을 파악하고 그 대안 방법을 검토 및 제시하였 다.
본 논문에서는 선행연구 단계에서의 지뢰탐지장치가 적용된 경우와 적용되지 않은 경우에 대해 ‘폭발물 제거 로봇에 대한 비용분석’을 공학적 추정방법을 통해 수행 하였다.
공학적 비용 추정이란 작업분할구 조(work breakdown structure, WBS)의 보다 낮은 단계에서 이 루어진 세부적 추정치들을 합산함으로써 전체적인 비용 추정을 설정하는 방식을 말한다. 비용분석은 지뢰탐지 기 능을 제외한 경우와 적용한 경우로 구분하여 체계개발 부문과 양산 부문에 대해 각각 진행되었다.
이에 따라 폭발물 탐지기능의 선진화를 위한 방안으로 서 탐지기술에 관한 최근 연구동향을 분석하고 한 가지 유망한 방법으로서 CNT 기반의 폭발물 탐지센서에 관한 조사 및 선행연구를 수행하였다.
지뢰탐지 장치를 폭발물 제거로봇에 적용했을 경우의 생산단가를 공학적 방법에 의거하여 추정하여 보았다. 체계개발비의 경우는 지뢰탐지 장치를 기존에 개발한 차기 지뢰탐지기를 적용하는 것을 가정하였으므로 체계 개발비 추정에서는 지뢰탐지장치에 대한 재료비 산정을 제외시켰다.

데이터처리

국방 분야에서는 방위력 개선사업 초기 단계에 사업추 진을 수행할 무기체계에 대한 국방중기계획을 작성한다. 이 때 사업추진방안에 대한 합리적 결정을 내리기 위해 선행연구나 통합분석을 실시한다. 연구 수행시 획득방안, 사업수행주체 등 다양한 요소들을 고려하여 분석을 실시 하며 그 중 하나가 사업을 추진하는데 소요되는 비용추 정이다.

성능/효과

또한 전압이 아주 높은 구간(즉, 1/V가 아주 작은 범위)에서 직선성이 감소하는 것은, 방출 되는 전자들의 밀도가 일정값 이상 높아지면 전자들간의 상호 반발력에 의해 방출을 억제시키는 현상 때문으로 예측된다. 결과적으로 CNT 물질 안에 있는 전자들이 진 공 전위장벽(vacuum potential barrier)을 넘어 진공 밖으로 방 출된다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 특성은 표면처리에 의해 노출된 CNT들과 표면에 흡착된 화합물 간에 전자 흐름이 쉽게 이루어져 CNT의 저항값을 효과적으로 변화 시킬 수 있음을 의미한다.
결론적으로 보면, 폭발물 제거로봇 개발시 탐지기능의 포함 여부는 비용적 측면 보다는 성능적 측면에서 고려 되어야 함을 알 수 있다.
5는 폭발물 제거로봇 4세트 에 대한 체계개발비용 산출결과를 나타낸 것이다. 그 결 과 재료비는 약 40억 3천만원, 노무비는 약 22억 5천만원, 경비는 약 19억 3천만원, 일반관리비 3억 5천만원 및 기타 18억원(이윤 8억 6천만원, 부가가치세 9억 4천만원)을 포 함하여 총 103억 5천만원으로 추정되었다.
그 결과 재료비 약 3억 7백만원, 노무비 약 1천 1백만원, 경비 약 8백만원, 일반관리비 2천만원 및 기타(이윤, 투하 자본 보상비) 4천 8백만원 포함하여 양산단가는 약 3억 9 천 6백만원으로 추정되었다.
7은 단일식 지뢰탐지 장치를 적용했을 경우의 폭발 물 제거로봇의 체계개발비용에 관한 공학적 추정 결과를 보여주는 그림이다. 그 결과 재료비는 원래대로 40억 3천 만원, 노무비는 약 22억 7천만원, 경비는 약 19억 5천만원, 일반관리비 3억 5천만원 및 기타 18억원(이윤 8억 6천만 원, 부가가치세 9억 4천만원)을 포함하여 총 104억 1천만 원으로 추정되었다.
이에 따라, 탐지성능이 가장 우수할 것으로 예상되는 폭발물 극미량의 탐지 센서로서 CNT 기반의 센서 적용 가능성에 대해 연구하였다. 그 결과, 감광성 CNT 페이스 트를 사진식각공정에 적용하면 CNT 기반 화합물 탐지센 서 전극을 쉽게 형성할 수 있음을 확인하였다.
양산단가의 경우 지뢰탐지기능 적용 유무에 따른 총 개발비의 차이는 주로 노무비와 경비의 증가에 기인하는 것으로 분석되었으며 지뢰탐지장치의 적용에 따른 재료 비 증가는 거의 무시될 수준으로 낮게 나타났다. 따라서, 지뢰탐지 장치의 적용은 개발비용 측면보다는 성능적인 측면에서 고려되어야 함을 알 수 있었다.
5%)이다. 반면, 전체 재 료비가 차지하는 비중은 지뢰탐지기능을 제외시 77.8%에 서 적용시 77%로 약간의 비중 감소가 발생하는 것으로 추정되었다. 이는 지뢰탐지기능 적용시에는 노무비나 경 비, 기타 비용이 상대적으로 추가되는 요인에 의한 것으 로 분석되었다.
두 번째로는, 폭 발물 제거로봇의 획들을 위해 비용적 측면 외에 성능적 측면에서의 중요성을 고려하여 폭발물 탐지 장치의 최근 기술 동향을 파악하고 그 대안 방법을 검토 및 제시하였 다. 양산단가의 경우 지뢰탐지기능 적용 유무에 따른 총 개발비의 차이는 주로 노무비와 경비의 증가에 기인하는 것으로 분석되었으며 지뢰탐지장치의 적용에 따른 재료 비 증가는 거의 무시될 수준으로 낮게 나타났다. 따라서, 지뢰탐지 장치의 적용은 개발비용 측면보다는 성능적인 측면에서 고려되어야 함을 알 수 있었다.
지뢰탐지기능을 적용시 폭발물 제거로봇의 양산단가 는 Fig. 8에서와 같이 재료비가 약 1천 1백만원, 노무비가 약 2백 6십만원 그리고 경비가 약 2백 5십만원이 추가되 어 약 4억 1천 5백만원으로 추정되었다. 지뢰탐지기능 미적용시와 적용시에 대해 양산단가의 추정결과를 종합적으로 비교해 보면 다음과 같이 요약할 수 있다.
체계개발비의 경우에는 지뢰탐지기능 제외시의 재료 비가 약 40억원 3천만원이므로 지뢰탐지기능 적용 유무 에 따른 재료비 변동은 거의 무시될 수 있는 것으로 분석 되었다.

후속연구

따라서, 제안된 방법(CNT 페이스트를 이용한 사진식각 공정)으로 제작되는 CNT 기반 센서는 폭발물 탐지 및 제 거 로봇의 국내 개발 획득시 탐지 성능의 향상을 위해 매 우 효율적인 방안이 될 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라의 경우 IED 테러에 대한 대비책이 절실한 이유는 무엇인가?	7 테러), 이라크전에서 발생한 자살폭탄 테러 및 2013년 4월 15일 보스톤 마라톤대회에서 발생한 폭탄 테러 등 그동안 수없이 많은 IED를 이용한 테러들이 발생했다. 특히, 우리나라는 다른 나라들에 비해 다중 이용시설인 초고층 빌딩이나 대규모 주거인구가 밀집한 아파트가 많아 테러에 취약하며 IED를 이용한 단발성 공격으로도 대량의 인명 살상 피해가 높아 IED 테러에 대한 대비책이 더욱 절실하다.
	CNT입자들을 노출시키는 후속공정이 중요한 이유는 무엇인가?	그런데 CNT 페이스트 전극패턴 형성 직후에는 CNT 입 자들이 바이더 성분에 묻혀 있기 때문에 CNT와 화학물 질 분자들과 반응을 할 수 없다. 따라서 표면처리(surface treatment) 공정을 통해 표면에 CNT 입자들을 노출시키는 후속공정이 매우 중요하다.
	급조폭발물이란 무엇인가?	급조폭발물(Improvised Explosive Devices, IED)이란 휴대용 대전차 유탄발사기 탄두나, 불발 급조폭발물(Improvised Explosive Devices, IED)이란 휴대용 대전차 유탄발사기 탄두 나, 불발 포탄, 항공기 탑재 포탄 또는 휘발유 등의 폭발물에 여러 가지 원격장치나 기폭장치(신관)를 부착하여 사용하는 폭탄을 의미한다. IED는 폭약과 금속 파편 및 간단한 폭발 장치를 사용하여 만들어지는 제조가 비교적 간단한 수준의 폭발물이지만 높은 파괴력과 어디서든 부지불식간에 발생할 수 있는 무기로서 현대 사회에 공포의 대상이 되고 있다.

참고문헌 (10)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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