1. 연구실 소개

  한양대학교 지능계측 및 비파괴평가 연구실 (ISNDE, Intelligent Sensing &  Nondestructive Evaluation Lab., http://isnde.hanyang.ac.kr)은 1992년 장경영 교수님이 부임하면서 안전한 사회의 구현을 위한 ‘능동안전’ 핵심원천기술의 개발과 전문인력의 양성을 목적으로 설립되었다. 여기서 ‘능동안전’이란 파손이나 고장이 발생하기 전에 미리 그 발생 가능성을 알아내어 사고를 미연에 예방하는 기술로, 각종 산업구조물의 결함이나 위험성 진단, 인체의 암과 같은 생체조직의 진단, 자동차의 사고 발생을 미리 회피하기 위한 기술 등을 포함한다.

  본 연구실은 산업계측과 비파괴검사에 관한 연구를 활발히 수행해 왔으며, 현재 초음파, 레이저-초음파, 광응용 및 비젼 등을 이용한 정밀계측과 비파괴평가 기술의 개발, 그리고 이들을 이용한 재료의 열화평가, 결함검출, 의용진단 등 능동안전 관련기술에 대한 연구를 수행하고 있다.

  특히 본 연구실은 국내에서는 최초로 비선형 초음파 기술과 레이저 초음파 기술을 개발하여 이를 보급하는데 기여하였으며, 관련 이론과 다양한 응용기술의 개발을 지속해오면서 이 분야에서 세계적인 수준의 노하우를 확보하고 있다.

  그림 1에 연구실의 근간을 이루는 핵심기술 (시즈, Seeds)와 활용분야 (니즈, Needs)를 정리하여 나타낸다. 핵심기술로는 초음파와 광학, 그리고 이와 관련된 계측, 화상처리, 신호처리 기술이 있으며, 이들은 단독 또는 조합되어 NDT/NDE (재료평가, 손상평가, 상시모니터링), 바이오/의료 진단, 고안전 자동차 (차선이탈 및 추돌경보, 장애물 회피, 차간거리유지) 등 능동안전 관련 분야에 활용되고 있다.

그림 1. ISNDE 보유 핵심기술과 활용분야

  앞으로도 ISNDE는 ‘이젠 돼’라는 신념으로 그동안 불가능했던 능동안전 신기술을 지속적으로 개발해 나갈 것이다. 

2. 연구분야

● 비선형 초음파 분야

  구조물의 건전성 확보를 위하여는 파손으로 이어질 수 있는 재질의 변질 및 열화, 미세균열 등 잠재적 결함까지 정확하게 진단하는 것이 매우 필요하다. 그런데 기존의 선형탄성 거동을 이용한 초음파 기술로는 이런 잠재적 결함을 검사하는데 한계가 있다. 이런 문제를 극복하기 위해 비선형 초음파를 이용하는 기술이 주목받고 있다. 국내에서는 본 연구실이 처음으로 개발하여 관련 세부이론의 개발과 적용기술의 개발을 집중 연구하고 있는 분야이다. 

비선형 초음파는 매질의 비선형적 탄성효과에 의해 발생하는데 그 효과는 다음과 같이 크게 4가지로 구분된다.

▶  Two Wave Mixing/ 비선형 공진/ 고조파의 발생/ 분조파의 발생

  Two Wave Mixing은 2개 주파수 성분 사이의 상호작용에 의해 합성분과 차성분이 발생하는 효과이며, 비선형공진은 특별한 공진조건에서 공진주파수가 입사진폭에 의존하여 시프트하는 현상, 고조파의 발생은 초음파가 전파하면서 입사 주파수의 정수배에 해당하는 조화파(higher-harmonic)가 발생하는 현상, 그리고 접촉계면의 비선형탄성 거동에 의해 분조파(sub-harmonic)가 발생하는 현상이다. 이들은 매질의 물성의 변화 및 계면의 접촉상태에 민감하게 반응하기 때문에 재질의 열화 평가 및 닫힘균열의 검사에 적합한 것으로 기대되고 있다.

  본 연구실에서는 상기 4가지 현상 중 고조파 발생현상의 실증과 적용에 대한 집중 연구가 이루어졌다. 이 현상은 비선형 음향에서 다루어진 가장 고전적인 현상으로, 그림 2(a)에 보인 바와 같이 초음파의 전파속도가 진폭에 의존하기 때문에 파형에 왜곡이 생기고 결과적으로 고조파가 발생하는 현상이다. 이는 그림 2(b)과 같이 키가 다른 여러 사람이 줄을 이루어 행진하다보면 키가 큰 사람의 진행속도가 작은 사람에 비해 빠르기 때문에 앞부분은 간격이 좁아지는 반면 뒷부분은 더 벌어지는 현상과 유사하다.  

(a)

일정한 간격으로 선 사람들이 한 박자에 한 걸음씩 행진을 하되 보폭은 키에 비례하는 것으로 함. 여기서 키는 초음파의 진폭, 보폭은 파장에 비유되었다.

(b)

그림 2. 비선형탄성에 의한 파형의 왜곡과 고조파의 발생;(a)β는 비선형 특성의 크기를 정량적으로 나타내는 파라미터로 2차 고조파의 진폭과 기본파 진폭의 제곱의 비로 정의된다.
(b) 비선형탄성에 의한 파형의 왜곡 현상의 비유 (전파속도가 진폭에 의존하여 진행하면서 파형이 찌그러짐)

  한편 그림 3에 보이는 것처럼 간격이 없는 계면에 사인파의 초음파가 입사하면 압축력은 전달되고 인장력은 전달되지 않게 된다. 이것을 클래핑(clapping) 효과라고도 하는데, 이 현상도 일종의 비선형탄성으로 간주할 수 있고, 접촉 음향 비선형성 (CAN: Contact Acoustic Nonlinearity)라고 부른다. 결과적으로 초음파의 투과파형은 반파정류된 형태를 갖게 되며, 주파수영역에서 고조파성분을 포함하게 되는데, 발생하는 고조파의 크기는 계면의 접촉상태에 의존하기 때문에 기존 방법으로는 검사할 수 없었던 닫힘균열을 검사하는데 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있고 구체적인 기법개발 연구가 진행 중에 있다.  

그림 3. 균열면의 접촉음향비선형성

  본 연구실에서는 초기에는 종파의 비선형특성에 대해서만 연구하고 활용하였으나, 최근 표면파나 유도초음파에서의 비선형특성에 대한 연구도 수행하고 있다. 이들은 모두 재료의 열화평가 (피로, 경년열화, 부식, 경화 등) 및 미세균열 (계면접합, 초기피로균열, 이종금속용접부 균열 등)의 검사를 위해 연구되고 있으며, 이와 관련된 측정기술, 즉 신호처리 및 영상처리 등의 세부기술도 함께 개발되고 있다. 그림 4는 본 연구실의 비선형 초음파 관련 연구주제를 요약한 것이며, 그림 5은 최근 종료된 연구과제 “수침 초음파 C-scan을 이용한 반도체 내부 층간 미세들뜸에서의 비선형 초음파 특성” 관련 연구결과 중 하나이다. 

그림 4. 본 연구실의 비선형 초음파 관련 연구분야

그림 5. 수침 초음파 C-scan을 이용하여 반도체 내부 층간 미세들뜸에서의 비선형 초음파 특성을 측정하고 영상화한 연구. 좌측으로부터 측정방법, 칩 윗면의 들뜸영역에 대한 C-scan 영상, 비선형 파라미터의 영상처리 결과를 등고선으로 나타냄으로써 정량적인 들뜸의 정도를 판단할 수 있도록 한 결과임

● 일반 초음파 분야

  본 연구실에서는 비선형 초음파 이외의 일반 초음파 관련 연구도 수행하고 있으며, 대표적인 연구 주제는 다음과 같다.

● 레이저 초음파 분야

  레이저에 의한 초음파의 발생은 국내에서 본 연구실에 의해 최초로 실험적 검증이 이루어진 이후 비접촉식 초음파 송신방식으로서의 다양한 응용연구가 활발히 진행되고 있다. 레이저 초음파는 매우 짧은 시간 동안의 레이저 펄스를 재료 시편에 입사 시킬 때 재료 표면에 발생되는 순간적인 열팽창에 의해서 음파를 발생시키는 방법이다. 이 방법에 의하면 작은 레이저 입사 파워에 의해서도 음파 발생이 가능하기 때문에 재료 표면에 어떤 손상도 주지 않게 된다. 그리고 무엇보다도 음파를 발생시키는데 재료와의 직접적인 접촉이 필요 없기 때문에 커플런트를 사용하지 않아도 되고 따라서 고속스캔이 가능하고 온라인 적용이 가능하다는 장점이 있다. 특히 표면의 열팽창에 의해 발생하는 초음파는 종방향보다는 횡방향으로의 에너지 전달이 강하여 표면파나 유도초음파의 발생에 더욱 효과적이다.  

 한편 레이저 빔의 공간변조에 의해서 우리가 원하는 파장 (또는 주파수)의 음파를 발생시킬 수가 있다. 그림 6은 지금까지 개발된 레이저 초음파 공간변조 기술이다. 일반적으로 점, 선, 선배열의 레이저 빔 형상을 만들수 있는데, 점형태의 레이저 빔은 전혀 공간변조가 없는 형상으로 발생된 파는 전방향으로 전파하고 주파수 대역이 매우 넓지만 이로 인해 수신된 신호를 해석하는데 어려운 점도 있다. 선 형태의 레이저 빔은 점 형태보다 방향성을 향상시킨 형태이나 이 역시 주파수 대역이 넓다. 선배열 레이저 조사는 파장을 고장시킬 수 있어 협대역 초음파를 발생시킬 수 있으며, 파장은 배열간격과 일치하므로 배열간격을 조절하여 파장을 쉽게 가변시킬 수 있다. 원호배열형과 링배열형은 모두 본 연구실에서 세계 최초로 고안된 유형으로, 전자는 집속효과를 가지고, 후자는 배관의 원주방향으로 균일한 진폭의 종파모드 유도초음파를 강하게 발생시킬 수 있는 효과를 갖는다.

그림 6. 레이저 빔의 공간변조 방식과 발생 초음파의 특성 

  그림 7과 그림 8은 본 연구실에서 개발한 레이저 초음파 송수신 기술의 사례로서 각각 선배열 레이저 빔을 이용한 판재 유도초음파 송수신, 링배열 레이저 빔을 이용한 배관 유도초음파 송수신을 보여준다.

그림 7. 선배열 레이저 빔 조사에 의한 파장매칭형 유도초음파의 발생 기법 (판재에 적용). 배열간격을 조절함으로써 발생시키고자 하는 유도초음파의 파장을 선택적으로 변경할 수 있으며, 수신에 Air-Coupled Transducer를 사용함으로써 단일모드의 유도초음파 비접촉 송수신이 가능한 특징이 있음.

그림 8. 링배열 레이저 빔 조사에 의한 파장매칭형 배관 유도초음파 발생 기법 (배관적용). 배관 전면에 균일한 강도를 갖는 L 모드 유도초음파를 비접촉으로 발생시킬 수 있고 확산에 의한 진폭감소가 적어 장거리 전송이 가능한 특징이 있음.

● 바이오/의용 진단

  산업용 비파괴평가기술과 바이오 진단기술은 기본적인 원리는 공통된 부분이 많다. 다만 매질의 특성차이로 인한 세부기술은 상이한 부분이 있다. 본 연구실에서는 인체조직이나 농축산물의 조직이상 진단에 초음파를 이용하는 기술을 개발하였으며, 다음은 최근 수행한 관련 연구들이다.

● 광계측 분야

  본 연구실에서 다루는 광계측 기술은 레이저 계측과 머신비젼을 포함한다. 레이저 계측은 간섭계 등 정밀계측기술로 이용되며, 머신비젼은 인간의 시각을 대신할 수 있는 정보를 제공하여 각종 검사자동화 및 제어에 활용된다. 다음은 본 연구실에서 수행하는 관련 연구주제들이며, 그림 9는 레이저 스펙클 간섭계 (ESPI)를 이용한 미세변위와 진동측정기술 개발결과를, 그림 10은 화상처리에 의한 차선인식결과를 보여준다.

그림 9. 레이저 스펙클 간섭계 (ESPI)를 이용한 미세변위와 진동 측정 기술 개발 결과. 좌측으로부터 시계방향으로 반도체 리드선에서의 열변형율 분포 측정, BGA 반도체 단면부 열변형 분포 측정, 판재의 진동모드 측정, 배관 용접부형상 정밀측정에 의한 결함검사, 그리고 전단간섭에 의한 배관내부 결함검사 (이 사진은 장비개발 업체의 자료임).

그림 10. 머신비젼에 의한 차선인식결과. 이 결과는 본 연구실에서 최초로 개발한 LCF (Lane Curve Function) 모델에 의해 처리되었으며, 기존 직선차선으로만 인식 가능했던 차선을 회전구간에서도 정확하게 인식하게 하였다는데 큰 의미가 있음. 더욱이 이 영상처리는 자동차 고속주행 중에도 수행될 수 있으며 향후 차선이탈경보는 물론 추돌경보나 자동차의 순항제어에 이용 가능하다. 

3. 주요 보유 장비

● 고출력 톤버스트 초음파 송수신기 (RAM-5000 SNAP)

미국 RITEC사의 제품으로 톤버스트 파형을 수백볼트의 고출력으로 구동할 수 있고, 수신에 헤테로다인 기법을 채택하여 정밀 주파수 분석이 가능하다. 비선형 초음파 실험과 EMAT 실험에 활용하고 있다.

● 정전용량형 비접촉 초음파 송수신장치 (m-BAT)

캐나다 Micro-Instrumentation사 제품으로 정전용량형이며, 수십 kHz에서 약 2 MHz까지의 초음파를 비접촉으로 송수신할 수 있다. 단, 필름과 같이 매우 얇은 판재를 제외하면 송신효율은 낮은 편이다. 수신은 감도도 우수하고 이격거리가 2 MHz에서 수십 mm까지 가능하여 EMAT보다 유리한 점이 있다. 주로 레이저 초음파의 수신에 활용하고 있다.

● 레이저-초음파 시스템 (Nd-Yag 레이저 및 광학계)

4nm 파장의 레이저 펄스를 1J까지의 고출력으로 발생시킬 수 있는 레이저 발생장치 (미국 Spectrum사)와 Collimator, Beam Expander, 각종 스테이지 등 광학부품으로 구성되며, 레이저 초음파 발생연구에 활용하고 있다.

● 기타

그 외 Function Generator, FIlter, 디지털 오실로스코프, 각종 센서 등 다수의 범용측정장비, 레이저 변위계, 스트레인 측정장치, CCD 카메라, 고속영상획득장치, 레이저 스캔 거리측정기 등 전문계측장비와 초음파 트랜스듀서, 펄서리시버 (Panametrics PR500), Gated Amp (Ritec), 초저잡음 고증폭 PreAmp (NF) 등 비파괴평가 연구에 필요한 장비를 구비하고 있다.

4. NDE 관련 주요 보유 특허

- 레이저 거리측정장치 (2001, 0310791)

- 청과물 내부품질 평가를 위한 초음파 검사 장치 (2002, 0343598)

- 레이저-초음파를 이용한 튜브의 결함 측정시스템 (2005, 0508782)

- 차선인식방법 및 시스템 (2005, 0472823)

- 폴더식 휴대폰의 힌지부 내구시험장치 (2006, 0542465)

- 링배열 레이저 조사에 의한 비접촉식 초음파 배관 검사장치 (2007, 0716593)

- 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치 및 방법 (2008, 0832839)

- 전차선 높이 및 편위 측정 방법, 장치 및 이를 위한 기록매체 (2008, 0811823)

5. 기타

● NDE 브레인의 양성

  본 연구실은 현재 BK 사업에 참여하고 있고, 교육과학기술부 및 학술진흥재단의 연구과제를 다수 수행하고 있으며, 모든 연구원에게는 등록금 전액 이상의 장학혜택을 지원하고 있다. 또한 첨단계측 및 비파괴평가 관련 국내외 기관과의 유기적인 기술교류와 인력교류를 통하여 연구원들의 역량강화에 힘쓰고 있다.

● 교육과정

  학부 및 대학원에 “계측공학”, “초음파공학”, “광공학” 의 강의를 개설하여 운영 중에 있으며, 산업체 강좌인 “센서 및 계측”을 매년 정기적으로 개최하고 있고, 비파괴협회 강의 등을 통하여 NDE 신기술을 비정기적으로 소개하고 있다.

● 연구원의 구성 및 배출 인력

  현재 연구진은 2명의 박사과정, 5명의 석사과정, 그리고 학부 인턴쉽 학생들로 구성되어 있으며, 본 연구실이 배출한 인력은 설립 이래 박사 7명, 석사 70명에 이른다.