비파괴 검사 분야에서도 비선형 음향 효과는 다양한 형태로 활용되고 있다. 오래전에는 열팽창계수를 지배하는 3차 탄성 정수의 계측에서 시작되었으며, 전위나 석출물에 기인한 비선형 음향 효과 등도 보고되어 있다. 한편, 오랜 기간에 걸쳐 이 분야에서 중심적인 존재가 되어 온 것은 균열의 개폐 진동에 수반되는 비선형 음향 효과이다. 이는 금속 재료의 경우 결함부에서만 국소적으로 발생하는 비선형 음향 효과로 간주할 수도 있으며, 산업계의 강한 요구를 배경으로 폭넓은 연구가 진행되고 있다.

 

이러한 국소적인 결함의 대표격이 계면을 가지는 ‘균열’이다. 균열은 재료 강도를 크게 저하시켜 위험한 결함이기 때문에 그 발생 자체를 완전히 억제할 수 있다면 이상적이나, 현실적으로는 재료 제조, 접합, 장기 사용의 과정 등에서 그 발생을 피할 수 없는 경우도 많다. 이에 균열의 존재를 전제로 하여 재료 강도의 저하를 정량적으로 다루는 학문(파괴역학)도 구축되었다. 여기서 핵심이 되는 것은 균열의 검출뿐만 아니라, 그 크기를 정확하게 파악하는 비파괴 계측 기술이다.

 

 

그러나 그 계측의 난이도는 균열의 성상에 따라 크게 변화한다. 균열은 갈라진 모양의 결함으로 서로 마주 보는 균열면으로 구성되는데, 이들이 충분한 개구량을 가진 ‘열린 균열’의 경우에는 균열면 사이의 공기층과 모재 계면에서 발생하는 음향 임피던스 미스매치 때문에 초음파가 강하게 산란·반사된다. 이에 일반적인 초음파법(선형 초음파법)으로도 검출 및 사이징이 가능하다(그림 1(a)). 한편, 문제가 되는 것은 균열면끼리 밀착된 ‘닫힌 균열’이다. 예를 들어 반복 부하에 의해 진전되는 피로균열은 여러 가지 메커니즘(소성 유기, 조도 유기 등)에 의해 균열면이 닫혀 있는 것으로 알려져 있다.

 

또한 발전 플랜트의 배관에서는 운전 중에는 배관 내부의 고온 고압수에 의해 내압이 작용하면서 균열이 발생·진전되지만, 검사는 운전을 정지하고 상온으로 되돌린 후에 수행되기 때문에 내압이 사라지고 그 결과 균열이 강하게 닫히게 된다. 이러한 경우에는 초음파가 균열을 그대로 투과하여 반사나 산란이 발생하지 않기(혹은 매우 약하기) 때문에 일반적인 초음파법으로는 원리적으로 계측을 할 수 없고 균열의 미검출이나 과소 평가(그림 1(b))의 주요 원인이 된다. 이와 같은 문제는 균열뿐만 아니라 다양한 접합 계면의 불완전 접합부(키싱 본드(kissing bond))나 적층 복합 재료 내부의 박리 등 여러 분야에서도 현재화되고 있으며, 새로운 비파괴 검사법의 확립이 시급한 과제가 되고 있다.

 

이 문제의 해결책으로 크게 주목받고 있는 것이 비선형 음향 효과이다. 특히 초음파의 주파수 대역을 이용하는 경우에는 그 계측법을 비선형 초음파법이라고 부르는 경우가 많은데, 닫힌 균열의 계측에 관한 비선형 초음파 연구는 1970년대 후반부터 시작되었다. 이는 MHz 대역의 송신 초음파 자체를 대진폭화함으로써 초음파의 인장 응력에 의해 닫혀 있던 균열을 일시적으로 열리게 하고, 그 결과 균열면의 개폐 진동을 유발하는 방식이다. 보다 엄밀하게 말하면, 균열면은 거칠기를 가지고 있기 때문에 닫힌 균열이라 하더라도 접촉부와 비접촉부가 혼재하며, 미소한 개구량을 가진 비접촉부가 초음파의 압축상에서 일시적으로 닫히는 현상도 포함된다. 그 결과 시간 영역에서는 파형이 왜곡되고, 주파수 영역에서는 비선형 성분이 발생하게 된다. 특히 후자는 정량화에 적합하기 때문에 비선형 음향 효과의 지표로서 자주 이용된다. 지금까지는 고조파(입사 주파수의 정수배 주파수 성분)나 분조파(입사 주파수 정수분의 1 주파수 성분)의 계측뿐만 아니라, 기본파 성분의 입사 진폭 의존성을 이용함으로써 이러한 영향을 간접적으로 모두 계측하는 방법 등이 폭넓게 연구되어 왔다. 한편 이 현상을 이용할 수 있는지의 여부는 송신 초음파(MHz)의 대진폭화에 달려 있다. 따라서 송신 초음파 자체를 이용하면 되기 때문에 실용적인 한편으로, 그 대진폭화 상한이 수십 nm로 제한되는 것이 측정 대상 확대의 최대 장벽이었다.

 

한편, 대변위화가 용이한 저주파(kHz 이하의 펌프 여진)에 의해 균열을 개폐 진동시키고, 높은 공간 분해능을 가진 고주파(MHz 오더의 프로브파)로 계측하는 비선형 초음파법도 폭넓게 연구되고 있다. 이것은 위의 프로브파만을 이용하는 계측법의 한계를 넘는 잠재력을 숨기고 있으며, 기계적 진동이나 열응력을 이용한 펌프 여진과 조하는 것이 제안되어 왔다. 프로브파로는 단일 탐촉자를 이용하고 필요에 따라 기계 스캔을 조합하는 방법도 이용되어 왔다. 최근에는 복수의 압전 소자를 가진 어레이 탐촉자를 이용한 초음파 위상 배열도 이용 가능하게 되었으며, 이것을 프로브파로 하는 비선형 초음파 위상 배열 영상법의 발전도 두드러지고 있다.

 

이 글에서는 펌프 여진(kHz 이하)에 의한 균열의 개폐 진동(비선형 음향 효과)을 초음파 위상 배열의 프로브파(MHz 대역)로 가시화하는 비선형 초음파 위상 배열 영상법에 대해서 2종류(열응력, 기계적 가진)의 계측법을 설명한다.

 

열응력을 이용한 비선형 초음파 위상 배열 영상법

 

펌프 여진으로서 열응력을 이용한 비선형 초음파 위상 배열 영상법 GPLC(global preheating and local cooling)를 소개한다. 그림 2에 그 개념도를 나타냈다. GPLC에서는 열응력 부하를 위해 저렴하고 실제 기기 적용성이 우수한 냉각 스프레이를 이용한다. −55℃의 용매를 가진 냉각 스프레이를 시험편 상면에 분사하면, 상면 근방이 국소적으로 냉각(local cooling: LC)되어 열수축한다. 이로 인해 3점 굽힘 시험과 유사한 원리로 균열에 인장 열응력이 작용한다(그림 2(b)). 이 열응력 부하는 1Hz 이하의 초저주파 펌프 여진으로 볼 수 있다. 여기서 작용하는 인장 열응력은 시험편 상면과 균열부의 온도 구배에 의존하기 때문에 사전에 시험편 온도를 조정함으로써 그 크기도 쉽게 제어할 수 있다. 예를 들어 LC만으로는 열응력이 불충분한 경우는 계측 대상의 온도를 조금 사전에 올려 둠으로써 (global preheating: GP) 열응력을 증대할 수 있다. 이를 통해 닫힌 균열 끝부를 일시적으로 개구시키는 과정을 초음파 위상 배열(프로브파)로 모니터링함으로써 닫힌 균열 끝부까지 영상화할 수 있다.

 

 

GPLC의 원리 검증을 위해 알루미늄합금 A7075의 CT(compact tension) 시험편에 최대 응력 확대계수 K_max＝9.0MPa m^1/2, 최소 응력 확장계수 K_min＝0.6MPa m^1/2의 조건에서 도입한 닫힌 피로균열을 이용했다(그림 3). GP 온도를 50℃로 설정하고 원리 검증을 위해 시험편 바닥면에서 핫플레이트로 가열 후, 아크릴제 덮개로 제한된 범위를 2개의 냉각 스프레이(HFC-125a)로 좌우에서 10초간 분사하여 LC를 실시했다. 이 열응력에 의한 펌프 여진의 과정을 1D 어레이 탐촉자(5MHz, 32소자)를 이용한 초음파 위상 배열(프로브파)로 영상화했다.

 

 

GPLC로 얻은 영상화 결과를 그림 4에 나타냈다. GP 후·LC 전의 영상(그림 4(a))에서는 균열이 영상화되지 않았다. 이는 열응력 부하 전에는 균열이 닫혀 있었기 때문이다. 반면 LC 시작 후에는 균열이 높은 콘트라스트로 영상화되었다(그림 4(b)–(d)). 또한 최대 균열 깊이는 LC 시작 후 t＝4초의 영상(그림 4(c))에서 11.3mm로, 실제 균열 깊이와 잘 일치했다. 이후 t＝10초(그림 4d))에서는 균열의 응답 강도가 약해지고, t＝15초(그림 4e))에서 균열의 응답이 소실되었다. 이는 시험편 전체의 온도 저하에 의해 시험편 내의 온도 구배가 작아져 열응력이 감소했기 때문으로 생각된다. t＝15초의 영상(그림 4(e))은 LC 시작 전의 영상(그림 4(a))과 동일하기 때문에 비파괴로 이러한 계측이 이루어졌다는 것을 시사한다.

 

 

GPLC는 균열의 개폐 진동을 이용하기 때문에 열응력 부하에 의해 응답이 변화하지 않는 다른 선형 산란원의 영향을 줄이는 효과도 이용할 수 있다. 예를 들어 실제 구조물에서는 조대 결정립을 가진 재료도 많아, 이 경우에는 균열의 약한 응답뿐만 아니라 결정립계의 선형 산란 노이즈가 초음파 위상 배열 영상에 나타난다. 한 예로 조대 결정립을 가진 오스테나이트계 스테인리스강 SUS316L의 피로균열에서 얻은 영상을 그림 5(a)에 나타냈다. 여기서는 닫힌 균열 문제뿐만 아니라 조대 결정립에 기인하는 산란 노이즈도 균열 사이징의 방해가 된다. 따라서 GPLC를 적용한 결과, 열응력 부하에 따라 균열 끝부가 일시적으로 개구되어 균열 응답이 나타났다(그림 5(b): t＝10초).

 

 

한편, 주변에 조대 결정립에 기인하는 노이즈가 존재하기 때문에 끝부의 특정은 쉽지 않고, 13.3mm 깊이로 판정되었다. 여기서 조대 결정립에 기인하는 산란 노이즈를 줄이기 위해 열응력 부하 전후의 차분(＝그림 5(b)−그림 5(a))을 취한 결과, 그림 5(c)와 같이 더 깊은 위치에 균열 끝부가 존재한다는 것을 알 수 있었다. 이것도 결함에서만 국소적으로 발생하는 비선형 음향 효과 특유의 활용법이다.

 

저주파 가진과 초고속 영상화를 융합한 비선형 초음파 위상 배열 영상법

 

펌프 여진으로서 열응력을 이용한 비선형 초음파 위상 배열 영상법은 핀포인트 계측에는 최적이지만, 반복 계측을 하기 위해서는 측정 대상 온도가 LC 전으로 돌아갈 때(혹은 GP 온도까지 가열해 끝낸다)까지 기다려야 한다. 따라서 예를 들어 어레이 탐촉자를 이동시키면서 광범위하게 계측하려면 시간이 오래 걸리는 과제가 있었다. 한편, 비선형 음향 효과를 이용한 비파괴 검사 분야에서는 펌프 여진에 kHz 오더의 저주파 가진의 활용도 제안되고 있다. 그러나 지금까지는 초음파 위상 배열의 영상화 속도(프레임 레이트)가 kHz의 고속 진동을 따라가지 못하는 것이 과제였다. 하지만 최근 의료용 초음파 분야에서는 평면파 송신을 기반으로 한 초고속 위상 배열 영상법 PWI(plane wave imaging)을 활용한 연구의 발전도 현저한 상황이다.

 

 

이러한 배경 하에서 우리는 PWI(프로브파)와 kHz 오더의 대변위 저주파 가진(펌프 여진)을 조합한 영상법 개발도 진행해 왔다. 그림 6에 원리도를 나타냈다. 펌프 여진에서는 대형 압전 소자 등을 이용해 MHz의 주파수 대역에서는 실현 불가능한 1000nm 오더의 대변위를 발생시킨다. 이를 통해 닫힌 균열을 개폐 진동(kHz 오더)시키고, 그 고속 현상을 PWI(프로브파)로 모니터링한다. 일반적인 위상 배열에서는 여러 가지 방향과 깊이에 초음파를 송신함으로써 한 장의 영상을 형성하기 때문에 프레임 레이트에 한계가 있었다. 반면 PWI는 가장 단순한 케이스에서는 한 번의 평면파 송신에 대한 수신 파형 세트를 이용해 후처리로 영상화를 한다. 이로 인해 고속 카메라와 같은 내부 계측이 가능해지고, 고속 데이터 전송이 가능한 장치와 결합하면 1초에 100,000장의 영상도 얻을 수 있다(100,000fps). 이러한 PWI로 균열면의 고속 개폐 진동에 의한 응답 변화를 스트로보 촬영과 같이 모니터링한다. 또한 저주파 가진 전후의 영상 차분을 취해 균열의 응답 변화를 추출함으로써 닫힌 균열의 고선택성 영상화를 실현한다.

 

 

원리 검증을 위한 실험 장치 구성을 그림 7에 나타냈다. 시험편에는 알루미늄합금 A7075의 피로균열(K_max＝4.3MPa m^1/2, K_min＝0.6MPa m^1/2)을 이용했다. 저주파 가진(펌프 여진)은 시험편 측면에 접착한 대형 PZT 진동자(직경 50mm, 두께 10mm)를 이용하고, 전달 효율 향상을 위해 그 반대쪽에 백로드를 배치했다. 저주파 가진 시에는 1D 어레이 탐촉자(128소자, 5MHz, 0.5mm 피치)를 이용해 균열의 개폐 진동을 수직 입사의 PWI로 모니터링했다. 또한 레이저 도플러 진동계(laser Doppler vibrometer: LDV)[OFV-505, Polytec사]를 이용한 기초 실험에서 시험편의 기본 공진 주파수가 6.35kHz인 것을 계측하고, 1000nm를 초과하는 대변위 가진을 위해 6.35kHz의 버스트파(800사이클)를 펌프 여진으로 선택했다. PWI의 프레임 레이트는 저주파의 다른 위상에서 스트로보 영상화를 하기 위해 6.35kHz의 절반보다 약간 낮은 3.125kHz를 선택했다.

 

 

그림 8(a)에 나타낸 영역에 대해 얻은 영상화 결과를 그림 8(b)에 나타냈다. 이 그림에서 알 수 있듯이 PWI로 얻은 영상 단체에서는 신호 대 잡음(signal-to-noise: SN)비가 높지 않다. 따라서 저주파 가진에 의한 응답 변화만을 추출하기 위해 저주파 가진 전의 영상에 대한 차분 처리를 실시했다(그림 8(c)-(r)). 또한 여기서는 수록 인덱스 n＝128～158(2스텝마다 표시)의 영상화 결과 차분상을 예로 나타냈다. 이 차분 처리로 균열 응답 변화가 높은 SN비로 추출되었다. 또한 영상에서 계측된 균열 끝부의 위치는 측면에서 관찰한 균열 끝부와 잘 일치했다. 이는 닫힌 균열 깊이를 고정도로 계측할 수 있었다는 것을 나타낸다.

 

 

더구나 이번 연구에서는 원리 검증을 위한 기초 실험으로 샘플의 공진 현상을 이용했으나, 혼의 증폭을 이용한 랑주뱅(Langevin)형 진동자를 이용하면 샘플 공진을 이용하지 않고도 대변위 저주파의 입력이 가능해 실용성이 더욱 높아진다. 또한 복합 재료나 접합 부재와 같은 박막 재료의 경우에는 저주파 가진의 에너지가 작은 체적에 갇히게 되므로 대변위 발생이 더 용이해진다. 이상으로 이 기법은 기존의 한계를 넘는 잠재력을 숨기고 있기 때문에 앞으로의 다양한 결함 영상화로 전개가 기대된다.

 

맺음말

 

이 글에서는 비선형 음향 효과를 이용한 비파괴 검사법으로서 펌프파와 프로브파를 조합한 2종류의 비선형 초음파 위상 배열 영상법을 소개했다. 첫 번째는 GPLC에 의한 열응력 부하를 펌프 여진으로 이용하는 방법으로, 저렴하고 실제 기기 적용성도 높으며 강하게 닫힌 균열에 대해서도 적용이 가능하다. 반면 반복 계측에 시간이 걸리는 단점도 있었다. 두 번째는 대변위 저주파 가진(kHz)과 초고속 위상 배열 PWI를 융합한 기법으로, 광범위한 응용이 기대된다.

 

한편, 이 글에서 소개한 영상법은 모두 2D 영상법이다. 이것은 1D 어레이 탐촉자를 이용하고 있었으므로 안길이 방향의 정보가 평균화되어 버리기 때문이다. 원리적으로는 압전 소자가 2차원적으로 배치된 2D 어레이 탐촉자를 이용함으로써 3D 영상화가 가능하지만, 최대의 장애는 소자 수 부족이었다. 이 한계를 넘기 위해 최근에는 압전 송신과 초다점 레이저 스캔 수신을 조합한 영상법(piezoelectric and laser ultrasonic system: PLUS)의 개발도 진행 하고 있다(그림 9). 또한 JST 프로젝트(창발적 연구 지원 사업)에서는 1024소자의 다소자 압전 2D 어레이 탐촉자에 기반한 실시간 3D 영상법 연구도 진행하고 있으며, 앞으로는 비선형 음향 효과를 이용한 3D 비선형 초음파 위상 배열 영상법에 도전하고자 한다.