적외선 투과창(IR Window) 재료

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비접촉식 포토다이오드, LED, 열화상 카메라 등에 적외선이 입사하는 부분에 내 부 전기회로 보호 및 적외선을 잘 투과시켜주기 위해 적외선 투과창(IR Window)을 장착해서 사용한다. 적외선 센서들이 좋은 특성을 내기 위해서는 측정 대상물로부 터 방사하는 적외선을 최대한 많이 투과시킬 수 있어야 한다. 군수용으로 열화상 카메라를 사용할 경우, 수분이나 모래에 의한 부식이 강해야 하며, 열적 충격에도 강인해야 한다. 또한, 전자기파를 어느 정도 차폐해야 하는 다기능을 가져야 한다.

군수용이 아닌 일반 상업용으로 사용하는 경우에도 어느 정도 기계적인 강도를 유 지해야 하며, 습기 등에 의해 시간에 따라 적외선 투과 특성이 변하지 않도록 적외 선 투과창 표면의 관리를 잘해야 한다.

광학적으로 광의 반사 및 투과에 대한 물리적인 개념은 Fig. 2-15와 같다. 두께가 d, 굴절률이 n인 투과창 표면으로  광의 세기로 수직 입사하고, 표면에서의 반사 를 R, 투과창 내부에서의 흡수계수를 , 투과창 내부에서 빛의 간섭현상을 무시한 다면, Fig. 2-15에서 투과창을 투과하여 나온 광을 모두 합하면 다음과 같다.

           ⋯

    

    (2.15)

Fig. 2-15 multiple internal reflection of optical energy flow calculated

따라서 투과도 T는 식 (2.16)과 같다.

  

     

    

    

  

(2.16)

위 식에서 투과도 T를 높게 하려면 반사율 R이 작거나, 흡수계수 와 투과창의 두께 d가 작아야 한다. 반사율을 작게 하려면 굴절률 n이 공기의 굴절률인 1에 근 접한 재료를 선택하는 것이 좋으며, 일반적으로 흡수계수 및 굴절률은 자팡의 함수 로 주어진다. 굴절률이 큰 재료인 경우는 반사방지(Anti Reflection, AR)코팅을 하여 반사율을 작게 해야한다. 파장에 따른 대표적인 적외선 투과창 재료의 특성은 Table 2-2와 같다.

Table 2-2 Typical transmissive IR window material

재료명 화학 기호 파장대역() 굴절률

     

Calcium Fluoride  0.13 ~ 12 1.4096 1.3002 Sapphire  0.15 ~ 5.5 1.6752

-Silicon  1.2 ~ 9.0 3.429

-Germanium   2.0 ~ 17.0 4.0242 4.0003 Gallium Arsenide  0.9 ~ 16.0 3.3246 3.2952 Thallium Bromoiodide   0.6 ~ 40.0 2.3834 2.3720 Zinc Sulfide  0.37 ~ 14.0 2.2518 2.2001 Fused Silica  0.17 ~ 3.3 1.3888 -Zinc Selenide  0.5 ~ 22.0 2.4331 2.4065 Barium Fluoride  0.15 ~ 12.5 1.4558 1.4014

IR Polymer - 0.15 ~ 22.0 1.4 ~ 1.6

3 장 원전 배관

1 절 실험장치

적외선 열화상 시스템은 열화상 이미지를 측정 및 수집하는 적외선 열화상 카메 라 센서는 Fig. 3-1과 같으며, Cedip 사와 FLIR 사와 인수 합병된 상용화제품인 Silver 480M 모델을 실험에 사용하였으며, 배관 표면에 광원을 주는 Halogen Lamp, Halogen Lamp를 열을 조절할 수 있는 전원제어장치(Power Supply), Halogen Lamp 와 적외선 열화상 카메라 센서를 동기화할 수 있는 함수발생기(Function generator) 및 적외선 열화상 카메라 센서를 제어하는 컴퓨터(Control PC)로 Fig. 3-2와 같이 구성하였다.

Fig. 3-1 Infrared camera

Fig. 3-2 Infrared Thermography system(IRT)

또한, 이와 같은 장치 구성이 적외선 열화상 기법 및 위상 잠금 기법을 적용하기 위한 장치 구성이다. Table 3-1은 적외선 열화상 카메라 센서, Table 3-2는 Halogen Lamp에 대한 재원으로 나타내었다.

Table 3-1 Specification of infrared camera

Infrared camera(FLIR., Sliver 480M)

Detector Materials InSb(안티몬화 인듐) Cooling method 내장 스터링 쿨러(Stirling) Spectral Response 3.7~5.0um

Number of Pixels 320*256

Pitch 30um*30um

NETD 25mK@25 (20mK typical) Temperature measure range -15~2000

Frame rate 5Hz~380(400)Hz Frame rate resolution 1Hz Step

Integration time 10 μs to 5000 μs programmable, 1 μs step

Table 3-2 Specification of Halogen Lamp

Halogen Lamp

Lamp 230V, Max 1kW

Max room temp. 25

Outside surface temp. 310

2 절 실험방법

일반적으로는 적외선 열화상 기법 및 위상 잠금 적외선 열화상 기법을 적용한 결함 검출에는 2가지 방법을 고려하여 볼 수 있다. 첫 번째는 결함을 포함한 대상 체가 자체 발열하는 경우이며, 결함부에서 온도 차이에 의한 복사에너지 차이를 직

접 측정하거나 대상체를 강제로 냉각하여 결함부와 건전부의 온도 차이를 유도하 여 복사에너지 차이를 측정하여 결함을 검출하는 방법이 있다. 두 번째는 결함을 포함한 대상체가 자체 발열이 되지 않는 경우에는 외부에서 Halogen Lamp와 같은 열적으로 조사를 통하여 자극을 줌으로써 대상체가 가열되는 동안 결함부와 건전 부에서 온도 편차를 유도하고, 이에 따른 복사에너지 차이를 측정하는 방법으로 나 눌 수 있다. 하지만 여기서는 원자력 발전소와 같은 환경에서 실험을 할 수 없는 상황이므로 상온 상태의 배관을 외부에서 열적으로 자극하여 검사하는 경우를 고 려하였다. 따라서, 본 실험에서는 Halogen Lamp를 이용하여 배관 외부에서 가열하 는 방법을 적용하였다. 본 실험에서 이용되는 모든 배관은 자체 발열하지 않은 대 상체로 외부에서 Halogen Lamp의 열적 자극을 가하는 방법인 적외선 열화상 기법 및 위상 잠금 기법을 적용하였으며, 최대 용량이 1 kW인 Halogen Lamp 2개를 이 용하여 배관을 가열하였다. 또한, 결함 검출에 Lock-in Infrared Thermography(위상 잠금 적외선 열화상 기법)을 적용할 경우 결함에 의한 단열온도장을 검출할 수 있도록 Halogen Lamp 가열의 점멸(움직임) 등으로 피 측정물에서 면외방향의 변동하는 열류를 형성시킨다. 결함 가공면에서 Halogen Lamp의 깜빡임에 의한 주기변동 온도장을 Lock-in으로 계측하였다. 실험을 하기 위해서는 적외선 열화상 카메라 센서는 온도가 평균적으로 유지가 되어야 하므로 (23± 0.5oC)와 습도가 일정한 값을 유지할 수 있도록 에어컨을 이용하여 유지하였으며, 이 때 빛의 반사를 막기 위해 방사페인트(KRYLON 4290 Ultra Flat Black)를 도포하여 대상체의 방사율을 0.97로 유지시켰다.

Fig. 3-3 Infrared Thermography System

3 절 배관(4 inch, 소구경 2.5 inch)

1. 배관의 감육 결함 특징 및 배관 재료 선정

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