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레이저 스페클 간섭법에 의한 내부결함의 정량평가

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Academic year: 2022

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(1)

년 월 박사학위논문

레이저 스페클 간섭법에 의한 내부결함의 정량평가

조 선 대 학 교 대 학 원

기 계 설 계 공 학 과

강 기 수

(2)

레이저 스페클 간섭법을 이용한 내부결함의 정량평가

년 월 일

조 선 대 학 교 대 학 원

기 계 설 계 공 학 과

강 기 수

(3)

레이저 스페클 간섭법을 이용한 내부결함의 정량평가

지도교수 김 경 석

이 논문을 공학박사학위 신청 논문으로 제출함

년 월 일

조 선 대 학 교 대 학 원

기 계 설 계 공 학 과

강 기 수

(4)

의 을 함 姜基洙 博士學位 論文 認准

위원장 조선대학교 교수 張 完 植 印 위 원 전북대학교 교수 姜 泳 準 印 위 원 한국표준과학연구원 그룹장 崔 萬 鎔 印 위 원 조선대학교 교수 金 在 烈 印 위 원 조선대학교 교수 金 庚 錫 印

년 월 일

조선대학교 대학원

(5)

목 차

제 장 서 론

제 장 이론적 배경

제 절 스페클 상관간섭법 스페클 형성과 크기

스페클 상관간섭무늬의 형성 제 절 물체의 변형정보 추출

위상이동기법 결펼침

측정시스템의 민감도 분석 제 절 광학 간섭계

면외변위 측정간섭계 스페클 전단간섭계

제 장 검출 분석

(6)

제 절 를 이용한 결함평가 내부결함의 정성해석

내부결함의 정량해석 측정시스템의 측정분해능 전단방향의 영향

외력의 영향

제 절 를 이용한 결함평가

제 장 시험장치

제 절 시스템

제 절 시스템

제 장 실험결과

제 절 압력배관 내부결함 검사 유한요소 해석

를 이용한 검사 를 이용한 검사

제 절 타이어 내부결함 검사 타이어 검사시스템 구성 인공결함 검사

실주행 타이어 검사

실주행 타이어 손상메커니즘 분석

제 절 반도체 내부결함 검사

(7)

반도체 검사시스템 구성 인공결함 검사

자연결함 검사

제 절 복합재 내부결함 검사 반도체 검사시스템 구성 인공결함 검사

충격손상결함 검사

제 장 결론

참고문헌

(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)

제 장 서론

제 절 연구배경

비파괴 검사기술은 검사결과의 신속성 경제성 검사대상의 다양성 등의 장점으로 대형 구조물의 안전진단에서부터 소형제품의 신뢰성평가 분야까지 산업전반에서 중요한 역할을 담당하고 있으며 그 중요성은 안전진단을 통한 대형사고의 예방에 서부터 제품의 신뢰성평가를 통한 기업경쟁력 강화까지 이르고 있다 비파괴 검사

의 종류로는 육안검사 방사선투과시험

초음파탐상시험 자기탐상시험

침투탐상시험 와류탐상시험

적외선검사 등이 있으며 표면 또는 표층부의 결함정보 를 얻기 위해 육안검사 침투탐상시험 자분참상시험 와류탐상시험 등이 사용되며 내부의 결함정보를 얻기 위해서는 방사선투과시험 초음파 탐상시험 등이 사용되고 있다 이러한 비파괴 검사기술은 년대 부재의 파괴를 결정하는 응력확대계수의 개념의 도입과 함께 결함의 종류 위치 크기 형상 경사 등의 결함의 특성을 정량 적으로 정하는 것이 필요하게 되었고 여기에 정량적비파괴평가

라는 새로운 개념이 필요하게 되었다 결함의 정량정보는 파괴역학을 기초로 결함의 유해도 를 평가하여 제품의 합부

의 평가 및 수명평가의 기초로 활용되고 있다

또한 년 후반부터 산업기술 발전은 보다 작고 다양하고 신뢰성 높은 제품을 요구하고 있으며 비파괴 검사기술 또한 이를 만족하기 위해 접촉식 검사기술에서

비접촉식으로 검사 기술에서 전면 검사 기술로 그리

고 실시간 검사기술로 변하고 있으며 특히 내부결함 검사에 유용한 초음파탐상시 험와 방사선투과시험이 많은 발전을 하고 있다 초음파탐상시험 은 초기 접촉식

검사에서 전자 초음파탐촉자 에

어커플 트랜스듀서 레이저 등을 이용한 비접촉식 검사로 급 속한 발전을 하고 있다 그러나 초음파 탐상시험은 검

(19)

사방식에 따른 검사시간의 소요 작은 구조물의 복잡한 형상 및 이방성재질의 대상 물에 대해 적용 한계성을 가지고 있다 또한 전면 비접촉 검사가 가능한 방사선 투과시험 은 기존 필름방식의 아날로그 기술에서 기술로 발전하면서 고 분해능을 구현하며 발전하고 있으나 방사선 피폭에 대한 위험성과 방사선 조사방 향의 제한성이라는 원초적인 한계가 있다 이러한 측면에서 비파괴검사기술의 발전 방향은 짧은 시간에 많은 대상체를 비접촉 실시간 고분해능으로 검사가 가능한 기술을 원하고 있으며 이러한 요구들은

등의 광학기반의 비파괴검사기 술이 충족할 수 있을 것이다

레이저응용 검사기술은 간섭계 기반의 변위측정기술에서 레이저유도초음파 홀로그

래피 스페클 상관간섭법 등의 다

양한 분야로 발전을 하고 있으며 홀로그래피와 스페클 상관간섭법는 넓은 면적의 표면변위를 동시에 고분해능으로 측정한다는 장점으로 진동 또는 변형해석 분야에 많은 활용을 하고 있다 특히 비파괴 검사를 위한 스페클 상관간섭법은 컴퓨터 영상기술의 발전으로 와 로 발전을 하고 있으며 변형해석 진동 해석 비파괴 검사 등의 분야로 적용되고 있다 는 초기 필름을 사용한

에서 컴퓨터기술의 발전과 함께 필름을 로 대체하고 영상처리기술을 융합하여 기술로 진화하였다 이 기술

의 기본개념은 년 미국의 와 영국의

가 거의 동시에 개발하였으며 이후

등의 공헌에 의해 공학 분야로 활용이 되었다 이후 기술은 에 의해 제안된 위상이동기법을 적용한

로 발전하면서 간섭정보의 획득에서 최종 표면변위 측정까지 자동화 가 가능하게 되었다

스페클 상관간섭법에서 변형전 후 이미지의 비교처리라는 기본개념은 비파괴 검사 분야로 활용이 가능하다 즉 중력 진공 진동 열 등의 외력에 의해 물체의 내부 또는 외부에 존재하는 결함에 의해 변형 집중이 일어나며 이 변형집중은 표면변위

(20)

분포로 나타나게 된다 이는 고분해능의 측정 정밀도를 갖는 스페클 상관간섭법를 이용하여 측정하게 되면 응력집중에서 상관간섭줄무늬의 왜곡으로 나타나게 된다 이러한 기본 개념을 응용하여 물체 외부 또는 내부의 결함을 비접촉 비파괴 실시 간으로 검사를 할 수 있다 특히 는 광학간섭계의 조작만으로 변위의 차 미분성분을 구할 수 있다는 개념은 와 이 거의 같은 시 기에 제안하였으며 화상처리 기술의 발전과 함께 디지털 방식으로 발전하였다

는 와 간섭신호처리 알고리듬이 같으면서도 간섭계 구성의 차이 로 면외변위의 차 미분값을 직접 측정할 수 있다는 장점이 있다 이러한 장점은 외부환경 진동에 둔감하면서도 면외변위의 변화율만을 측정함으로서 변형률해석과 비파괴 검사분야에서 유용한 방법으로 활용이 되고 있다 그러나 지금까 지의 연구들은 측정기법의 관점에서 측정물리량 변위 또는 변위미분량 의 정밀도 개선에 중점을 두고 있으나 제품의 건전성평가에서 중요한 개념인 결함의 정량평 가를 위한 검출 메카니즘의 규명 내부결함의 효과적 검출 검출분해능에 대한 연 구가 미흡한 실정이다 결함의 정량화를 위한 와 는 최종 측정 물리량이 표면 면외변위와 면외변위의 차도함수로서 각각 나타나며 내부결함의 크기를 대상체의 표면 정보만으로 결함의 크기를 유추하여야 한다는 어려움이 있

다 는 결함의 정량화를 전단 간섭계의 광학적 구성

을 고려하지 않은 상태에서 결함의 정량적인 크기만 실험적으로 제시하였다 광학 간섭계 구성을 고려한 결함의 정량화에 관한 연구는 강영준 에 의해 시도가 되었 으며 이 논문은 결함 정량화에 전단량만을 고려하여 결함을 정량화하였다 현재까 지의 연구들을 종합해보면 제품의 신뢰성 평가를 위해서 비파괴 검사기술은 결함 을 정량화할 수 있어야 하며 제품 생산성 향상을 위해 기존 검사기법을 보완하여 야 할 필요가 있다 결함의 정량화를 위해서는 광학간섭계의 구성 및 측정 시스템 등의 영향이 결함 정량평가의 주요한 영향인자로 존재한다는 것을 추측할 수 있으 나 이러한 영향인자들과 결함의 정량화를 위한 상관관계가 정확히 규명되지 않았 다 그러나 산업현장에서 레이저스페클 간섭법을 비파괴 검사기술로 정착을 위해서 는 결함의 정량적비파괴평가와 언제 누가 어디서 시험을 하여도 동일한 시험결과

(21)

를 얻을 수 있는 기술의 신뢰성을 요구하고 있으나 현재까지의 연구결과로는 아직 은 결함의 정량평가를 위한 이론적 실험적 기반이 미흡한 상태이다

제 절 연구목표 및 접근방법

본 논문에서는 위에서 지적된 문제를 해결하기 위해 결함의 정량검출 메카니즘을 분석하고 실험적 검증을 통하여 결함의 효과적 정량검출방법을 제시하는 것이며 궁극적으로 레이저스페클 간섭법을 비파괴검사분야의 현장기술로 정착하는데 일조 하고자 한다 본 논문에서 기본 개념은 결함을 갖는 물체의 표면변위를 레이저스페 클 간섭법을 이용하여 비접촉으로 측정하고 측정된 표면변위의 기울기 분포를 분 석하여 내부결함을 추정한다 그러나 물체의 표면변위는 대상체의 재질 외력 결 함의 종류 등에 의해 영향을 받게 되며 측정 시스템의 민감도와도 연관이 있게 된 다 본 논문에서는 이들 상관관계를 규명하기 위해 인공결함을 갖는 시험편을 대상 으로 유한요소해석을 통하여 결함의 크기 외력 등의 인자에 대해 표면변위를 예측 하고 예측된 표면변위에 와 의 측정원리를 적용하여 정량평가를 위한 영향인자들의 최적화 및 특성을 분석함으로서 효과적인 정량검출방법을 제시 하였다 또한 검증 실험에서는 규명된 정량검출 기법을 압력용기 타이어 반도 체의 비파괴검사 복합재 에 적용하고 타 검사기법과 비교함으로서 다양한 재질 및 환경에서 제안 기법의 신뢰성을 검증하였다 본 연구에서 제안하는 검사기법을 이용하여 내부 결함의 크기 형상 위치를 고분해능으로 검사함으로서 제품 신뢰성 평가의 기준이 되는 정량적비파괴평가의 개념을 충족시킬 수 있으며 이를 기반으 로 레이저 스페클 간섭법이 신뢰성있는 비파괴 검사기술로 정착할 수 있을 것으로 기대한다

(22)

제 장 이론적 배경

제 절 스페클 상관 간섭법

스페클 형성과 크기

레이저 스페클 은 레이저의 우수한 간섭성질로 인하여 나타나는 현상 으로 표면이 레이저의 파장보다 큰 거칠기를 갖는 물체에 레이저를 조사할 경우 물체표면에서 난반사된 광들이 겹쳐서 간섭을 일으키게 되고 이로 인한 보강간섭 과 소멸간섭은 마치 반점과 같은 형태로 표면에 나타나게 된다 이를 스페클패턴

이라 하며 물체표면에서 반사된 후에도 레일리 산란

을 만족하며 간섭성질을 유지할 수가 있다 이 스페클패턴은 또 다른 스 페클 패턴과 간섭하여 새로운 스페클을 형성할 수도 있으며 물체표면 변위에 대해 함께 움직이거나 위상변화를 일으켜 물체 변위의 정보 전달자로서 광검출기에 광 강도 분포로 기록되어진다 스페클은 관찰하는 방법에 따라

과 로 나누어진다 은 과

의 형성을 보여 주고 있다 즉 이 두 스페클의 차이는 결상렌즈 의 사용 여부에 따라서 구별되며 그 크기 또한 다르게 된다 스페클의 크기는 결 상면 위에서 형성되는 스페클의 최대 밝기 점과 최소 밝기 점 간섭의 보강과 소멸 사이의 거리를 스페클 크기라 정의하고 있다 즉 서로 상관하지 않는 광강도 사이의 거리를 스페클 크기라고 추정할 수 있다 크기의 정의는 물체표면의 의 면적에 레이저광이 조사되고 면적 위의 모든 점은

에 형성되는 스페클에 영향을 주게 된다는 이론을 바탕으로 하고 있으며 확률분포이론에 기초하여 제안한 식 로 의 크기를 정의하고 있다

λ

여기서 λ 조사되는 레이저의 파장 물체와 결상면 사이의 거리 물체에 조사된 면적 이다

(23)

q

L D

A

B Laser

Illumination

S1 S S2

L D

A

B Laser

Illumination

q

스페클 상관 간섭법 에서는

을 대부분 사용하고 있으며 공간분해능은 의 크기에 의존 하게 된다 은 결상렌즈가 사용되어 형성이 되는 스페클로 정의를 하며 렌즈의 회절한계로 인하여 과는 다르게 정의하고 있다 즉 결상렌즈는 물체표면 위의 한 점을 결상면의 한 점으로 결상함으로 물체의 한점과

(24)

결상면의 한 점은 대응이라 할 수 있다 따라서 수차가 없는 렌즈라면 결상면 에 형성되는 스페클의 강도는 물체 표면 위의 한 점만이 영향을 주게 된다 그러나 실제 결상렌즈의 회절한계는 한 점으로 결상을 하지 못함으로 결상면에 대응하는 물체 위의 한 점을 중심으로 렌즈의 회절크기 만큼이 결상면 위의 스페클 형성에 영향을 주게 된다 따라서 의 크기는 결상렌즈에 의해 생기는 회

절의 와 사이의 거리 의 차 최소

점 사이의 거리 라고 할 수 있으며 결상면에서 형성되는 의 크기 는 식 와 같이 정의된다

λ

여기에서 렌즈 확대배율 λ 조사된 레이저의 파장 렌즈의 이 다 스페클은 하나의 위상정보를 전달하며 그 크기는 측정 대상의 공간분해능을 결정하게 된다 실제 적용실험에서 렌즈 광학배율 배 파장 레이저

비디오 배율 배 카메라와 모니터

를 사용하여 렌즈의 로 하였을 때 실제 모니터 상에 관찰

되는 의 크기는 m 가 된다 또한 의 물체

표면에서 크기는

λ

으로 정의되며 위 조건에서 물체 표면에서 형성된 스페클의 크기는 가 된다 스페클의 크기는 카메라의 화소크기와 같을 때 가장 이상적이며

와의 조합하여 간섭하는 면외변위측정 간섭계에서는 스페클의 크기가 배로 커지게 된다 측정시스템에서 스페클의 이상적인 크기는 하나에 한 개의 스페클이 존재할 때이다

(25)

는 광학배율과 에 따른 촬상소자에 형성되는 스페클의 크기를 나 타내었다 스페클의 크기가 크기보다 작을 경우에 광강도는 형성적인 스페클 패턴의 또는 된 상태로 관찰되게 된다

스페클 상관 간섭무늬의 형성

스페클 상관 간섭무늬 는 물체의 변형에 따라 스

페클이 가지고 있는 같은 파장의 차수 내에서 위상점의 연결로 이루어진 것으로 볼 수 있으며 상관간섭무늬는 화상처리장치를 이용하여 변형 전의 스페클 패턴을 기준으로 물체변형에 따른 스페클패턴의 변화를 연속으로 감산처리에 의해 실시간 으로 관찰할 수 있다 스페클 상관간섭무늬 형성을 위한 간섭계는 민감도를 높이기 위해 참조광을 사용하는데 참조광의 종류에 따라 스페클 패턴과 의 합성 두 스페클패턴의 합성으로 나눌 수 있다 에서는 전자의 경우를 면외변 위 측정 간섭계로 많이 사용하고 후자를 면내변위측정 간섭계로 많이 사용하고 있 다 일반적으로 물체의 변위정보를 포함하고 있는 광원을 물체광 물체광의 위상변

(26)

E

R

z E

O

화의 기준이 되는 광원을 참조광이라 한다 은 두 개의 광파의 합성을 나타 낸 그림으로 여기에서 참조광 은 물체광 에 의해 형성된 스페클을 축에 민감하도록 기준면을 제공하는 역할을 하게 된다 물체광과 참조광의 파동방정식은 식 와 같이 쓸 수 있다

δ δ

여기서 물체광 물체광의 진폭 δ 물체광의 초기위상 참조 광 참조광의 진폭 δ 참조광의 초기위상 전파속도 시간이다 참 조광과 물체광은 간섭계에 의해 같은 공간상에서 선형적인 중첩할 수 있으며 이때 발생한 합성광

는 다음과 같이 쓸 수 있다

(27)

합성광을 카메라에서는 광강도로 나타내게 되며 카메라 하나의 화소 에 기록되는 광강도는 식 과 같이 표현이 된다

φ φ

여기서 합성광의 광강도 참조광의 광강도 물체광의 광강도 φ 물 체광과 참조광의 위상차이다 실제적으로 획득되는 광강도는 화소의 크기에 대한 평균값으로 스페클의 크기가 화소의 크기보다 작다면 하나의 화소에 포함된 스페 클들의 평균 광강도가 기록되어 진다 에서는 물체의 표면 변위를 측정하기 위 해 변형전후의 스페클 상태의 감산처리를 통하여 상관간섭무늬를 형성하게 되는데 변형 전후의 카메라에 기록되어진 스패클패턴을 아래 식으로 나타낼 수 있 다

φ

φ Δφ

여기서 물체변형전의 광강도 물체변형후의 광강도 Δφ 물체변형 에 따른 위상변화이다 변형전후의 두 개의 스페클패턴의 감산처리는 화상처리 장 치에 의해 수행되며 식 와 같이 나타나게 된다

φ Δφ Δφ

(28)

여기서 물체변형전후의 광강도 분포의 감산 처리된 광강도이다 실제적으로 모니터에서 관찰되는 광강도 분포는 음의 신호가 정류된 아래의 형태로 나타나게 된다

φ Δφ Δφ

여기서 모니터 밝기분포 상수 이다 식 과 같이 변형 전후의 스페클을 감산 처리함으로서 나타나는 줄무늬를 스페클 상관 간섭무늬

라고 한다 식 에서 물체의 변형에 따른 위상변화 Δφ 를 추출함 으로서 물체의 변형을 측정할 수 있다

(29)

제 절 물체의 변형정보 추출

식 에서 물체의 변형에 따른 위상변화를 추출하기 위해서는 개의 미지수가 존재하게 되어 물체의 변형위상을 직접 추출할 수 없게 된다 물체의 변형위상을 추출하는 방법으로 등간격의 프린지패턴에 대해 화상처리를 이용하여 프린지 패턴 으로부터 를 추출하고 이 사이를 보간함으로서 물체의 변형을 추출하는 방법 상관간섭무늬 분포에 대한 감산 합산 처리에 의한 방법

공간 위상이동기법 을 이용한 위상의 추

출 등의 다양한 방법으로 위상을 추출하게 된다 이러한 방법 중에서

에 의해 제안된 시간의존성 위상이동기법 은 가장

적용이 용이하고 효과적인 방법이다 이 위상이동기법은 식 에서 개의 미지수

φ 를 구하기 위해 를 참조광의 광경로에 삽

입하여 위상변조를 하여 최소 개 이상의 방정식을 얻어 위상을 구할 수 있는 방 법이다 위상이동기법을 적용하여 변형 전과 후의 위상을 구함으로서 물체의 변형 위상을 직접 추출할 수가 있다

위상이동기법

를 이용한 위상이동기법은 와 에 의해 형성되는 간섭정보로 부터 물체의 변형에 따른 위상을 추출하기 위한 기법으로 가장 널리 사용되고 있 으며 가장 효과적인 방법이라고 할 수 있다 본 연구에서 사용한 위상추출 알고리

즘은 단계 위상이동기법 으로 개의 미지수를 구하

기 위해 π 씩 번의 위상변조를 하여 개의 방정식을 식 과 같이 얻게 된 다

(30)

φ φ π φ π φ π

개의 방정식을 식 와 같이 조합하여 의 각 점에서 위상을 구할 수 있으며 각 위상점들의 연결이 위상지도 를 형성하게 된다

φ

에서 변형해석을 위한 실험에서는 식 의 변형 전과 후에 각각 위상이동기 법을 적용하여 변형 전의 위상 φ 과 변형후의 위상 φ 을 각각 구하고 그 차를 구함으로서 실제 물체변형을 식 과 같이 측정할 수 있게 된다

Δφ φ φ

그러나 이 방법은 개의 방정식을 얻기 위한 위상변조가 이루어지는 시간동안 안 정된 상태를 유지하여야 하며 위상이동 중에 발생하는 물체의 변형 또는 외부잡음 은 오차의 요인이 된다

결펼침

결펼침은 위상이동기법에서 위상을 구하기 위해 사용되는 식 의

함수가 갖는 불연속성을 해결하기 위해 불연속의 변위값을 연속값으로 변환하여 주는 과정이다 먼저 함수는 π의 주기로 불연속이 되므로 그 주기 를 π 로 연장하고 연속 위상으로 변환을 위한 결펼침은 식 을 이용하여

(31)

구하게 된다

φ φ π

여기에 φ φ 이다

(32)

여기서 결펼침을 위한 차수 의 결정은 위상전후의 값을 비교하여 큰 단차를 찾 는 방법을 취한다 각 전후의 위상값을 비교하여 임의로 정한 문턱값과 비교 하여 조건을 만족하면 을 증가 또는 감소시키는 방식으로 프린지 차수

를 구하게 된다 최종의 변위 값은 간섭계의 기하학적 구성에 따라 감도벡터 를 고려하여 구하게 된다 본 연구에서는 위상이동 및 결펼침 알

고리즘을 상용 프로그램 를 이용하였다

측정시스템의 측정감도 분석

비접촉 측정시스템에서 물체의 변위방향 관찰자의 위치 그리고 정보를 전달하는 정보전달자와 물체가 이루는 각도는 측정 변위량에 영향을 주게 되며 이에 대한 고려를 통하여 측정물리량의 오차를 분석한다 스페클 상관간섭법에서 기하학적 구 성은 와 같이 나타낼 수 있다

q i q v

Q’ d

N M

Q

A’ A

B B’

Image plane Laser source

no

ns

Object

(33)

외력에 의하여 물체 위의 임의의 점 가 점 로 이동하였을 때 이 두 점사이의 광로변화를 구함으로서 물체의 변위 를 구할 수 있다 와 의 광경 로차를 Δ 이라 하면

Δ

위 식에서 이므로 식 는 다음과 같이 된다

Δ

식 에서 을 구하면

θ θ

식 에서 음의 기호가 쓰인 것은 법선벡터 에 대해서 법선벡터 가 음 의 값을 갖기 때문이다 식 에 의해 식 를 연산하면

Δ

이상에서 변위 에 의해 발생되는 점 와 점 의 위상차 Δφ는 다음과 같이 표 현된다

Δφ π

λ Δ π λ

(34)

식 를 기하학적 삼각함수의 표현으로 나타내면 식 과 같이 쓸 수 있으며 여기에서 λ는 레이저의 파장이다

Δφ π

λ θ θ θ θ θ θ θ θ

간섭계의 구성에서 카메라를 물체표면에 수직으로 위치하고 물체와 카 메라와의 측정거리를 크게 하면 θ 이 될 수 있다 따라서 식 는 식 과 같이 쓸 수 있게 된다

Δφ π

λ θ θ θ θ

물체가 순수하게 면외변위 만을 일으키는 경우 θ 가 되고 식 는 다 시 식 와 같이 쓸 수 있으며 물체의 면외 변위 는 식 에 식 으로 구한 물체 변형위상을 대입함으로서 구할 수 있게 된다

Δφ π

λ θ

λ

π θ Δφ

식 에서 알 수 있듯이 면외변위 간섭계를 이용하여 물체의 면외변위 성분 만을 측정하기 위해서는 조사각도를 최대한 작게 하여 면내변위성분 에 의한

(35)

오차를 줄여야 한다

(36)

제 절 광학 간섭계

면외변위 측정간섭계

는 면외변위 측정을 위한 대표적인 간섭계로서 물체로 직접 조사되어 을 형성하는 물체광 과 카메라 촬상소자에 형태로 직접 조사되는 참조광 으로 나눌 수 있다 물체 변형 전에 은 참조광과 간섭하여 제 의 스페클패턴 즉 변형 전 스페클패턴을 형성하고 물체가 변형 후에 은 참조광 과 간섭하여 변형 후의 스페클패턴을 형성하게 된다 스페클상관 간섭무늬는 변형 전과 후의 스페클 패턴의 감산처리로부터 형성이 되고 위상이동기법을 적용하여 변형전후의 위상을 추출하여 물체의 변형을 측정할 수 있다 면외변위 정량해석은 물체광의 광로추적으로부터 식 으로 구할 수 있다

Beam combiner

q

i Reference beam (ER) Objective beam (EO)

CCD plane Object

z x

y Imaging

system

(37)

스페클 전단간섭계

에서 사용되는 간섭계는 마이켈슨 간섭계의 변형된 형태가 많이 사용된다 은 의 대표적인 간섭계로서 참조광 역

할을 하는 와 참조광과 상대변위를 만드는 로 구성

물체광 이 되어 있다 는 위상이동기법을 적용하기 위해 가 장 착이 되어 있으며 의 기울기의 조절에 따라 전단량 δ 이 변하게 된다 카메라에서 이미지는 참조광과 물체광의 중첩으로 나타나게 되며 전단량에 의존하여 측정 민감도가 결정되게 된다 에서 검출하 는 최종 변위정보는 전단량에 의존한 상대 변위량이다 즉 는 두 점 사이의 물체의 상대변위값을 측정하게 되므로 외부환경 진동외란 등에 의한 물체 의 강체운동에 둔감한 특성이 있다 에서 상대변위는 결상면에서 중첩하여 간섭하는 두 점의 위상차로 구할 수 있다

q i

Reference mirror with PZT

Tilt mirror (Shearing mirror) CCD camera

Laser Lens

Object

Beam splitter

Shearing (dx) z

x

y z

x

y

(38)

는 물체 위의 임의의 점 와 전단량에 의해 점 가 이동된 점 에서 물체의 변형에 따른 광로변화를 나타내었으며 는 전단량에 의해 두 점의 중첩을 나타 내었다

z x

y After

deformation Before deformation

P Q P’

Q’

Optical path

from reference mirror Optical path

from shearing mirror

q i

dx

image planeCCD

d d+Dd

nR nS

Shearing image Reference image d

Dd

Before deformation

After deformation

CCD plane x

z

y

P’

Q’

(39)

에서 점 와 가 물체의 변형 에 의해 점 과 으로 이동할 때 위상차 는 식 에 의해 다음과 같이 쓸 수 있다

Δφ π

λ θ θ

Δφ π

λ Δ θ Δ θ

식 와 식 에서 Δ 는 테일러 정리를 이용하여 다음과 같이 전개할 수 있 다

Δ δ δ δ

전단량 δ 를 극히 작은 값으로 한다면 위 식 에서 차 이상의 고차항은 무 시할 수 있다 그리고 각 방향 에 대하여 식 과 같이 쓸 수 있다

Δ δ

따라서 식 식 의 Δφ Δφ 는 식 과 식 와 같이 쓸 수 있다

Δφ π

λ θ θ

Δφ π

λ δ θ δ θ

(40)

에서는 전단량에 의해 에서 점 와 점 의 중첩으로 인 한 두 점의 위상차를 측정하며 물체에 조사되는 조사각이 θ 이 된다면 의

성분을 무시할 수 있으며 식 으로 쓸 수 있다 물체의 상대 변위 는 식 에 식 으로 구한 물체 변형위상을 대입함으로서 구할 수 있게 된다

Δφ Δφ Δφ π

λ δ λ

π Δφ δ

위 식 에서 알 수 있듯이 는 작은 전단량의 경우에 면외 변위량

에 대한 미분값 을 직접 측정할 수 있음을 알 수 있다 전단량 δ 가 작을수 록 도함수에 가까워지게 되며 전단량에 의해 광학계의 민감도 상대변위량 를 조절 할 수 있다

(41)

제 장 검출 분석

내부결함이 있는 물체에 외력이 가하여 질 때 결함부에서는 응력집중이 발생하며 충분한 외력에 대해 응력집중은 표면변위의 왜곡으로 나타나게 된다 즉

과 같이 내부결함이 있는 대상체가 외력을 받아 결함에 의한 변형이 물체의 표면 까지 전달될 경우 는 식 과 같이 면외 변위량을 측정하고 는 식 와 같이 작은 전단량에서 면외 변위의 차 미분값을 직접 측정할 수 있다 이들의 측정값으로부터 본 논문에서 제안하는 검출방법을 이용하면 내부결함의 정 량평가가 가능하게 된다

λ

π θ Δφ λ

π Δφ δ

ESPI result

Shearography result Defect

(42)

제 절 를 이용한 결함평가

내부결함의 정성해석

는 간섭계의 특성으로 물체 면외변위의 전단량 만큼 떨어진 두 점의 상대 변위값을 측정하며 식 에서 전단량이 δ 일 경우에 측정결과는 차미분에 근접하게 된다 그러나 실제 적용실험에서는 δ 의 조건을 만

족하지 못하게 하며 정확한 면외변위의 차도함수 를 구할 수가 없게 된다 결과적으로 이론적 조건 δ 을 만족하지 못하는 경우에는

는 와 같이 전단량으로 두 점사이의 상대변위량을 측정하므로 전단량은 결 함검출에 있어서 중요한 영향인자이다 너무 작은 전단량은 상대변위량이 너무 작 게되고 상대변위량이 측정시스템의 민감도보다 작게 되면 결함을 검출하지 못한 다 즉 측정시스템의 민감도의 이하가 되면 작은 변형을 일으키는 결함에 대해 검 출이 어렵게 된다 그러나 작은 전단량은 수치적으로 구하여지는 차 미분 결과에 가장 근접하게 되며 변형율 분포를 구하기 위해서는 민감도를 고려한 최소 전단량 을 활용하여야 한다 또한 큰 전단량은 광학시스템의 민감도를 높여줄 수 있으며 작은 결함도 검출이 가능하다 그러나 너무 큰 전단량은 결함의 위치와 크기의 평 가를 어렵게 한다 즉 에서 전단량은 결함의 위치와 크기를 평가하는 데 중요한 인자이다

Deformation area

Maximum deformation

wmax

Relative deformation D d

Shearing amount d x

(43)

결함의 정성해석을 위해 내부에 미세결함을 갖는 구조물을 고려하고 구조물이 외 력을 받으면 결함에서 응력집중은 표면변위로 나타나게 된다 물체의 최대 변위점 을 결함의 위치라고 할 때 를 이용하여 최대 변위점을 검출함으로서 결함의 정성분석이 가능하다 응력집중에 의한 표면 변위분포는 탄성론 지배방정식 에 의해 식 과 같이 나타낼 수 있으며 표면변위의 도함수 기울기분포 는 식 과 같이 나타낼 수 있다

β

β β β

β

β β

여기에서 β υ

υ 이며 탄성계수 관의 두께 관의 반경이다

(44)

은 집중하중에 의한 물체의 표면변위분포 와 차도함수 상대변 위 분포를 나타내었으며 전단량 변화에 따른 상대변위 분포는 면외변위에 대해 수 치해석으로 구하였다 에서 작은 전단량 보다는 특정한 전단량에서 차도함 수에 근접하는 것을 알 수 있으며 전단량이 커짐에 따라 많은 오차가 발생한다는 사실을 알 수 있다 물체의 최대변위 점을 결함으로 간주할 경우 에 서 측정한 상대변위량 기울기 의 지점이 물체의 최대변형 지점이며 결함의 위치라 할 수 있다 그러나 에서 전단량에 따라 기울기의 지점은 최 대변위점에서 전단량의 만큼 이동하는 특성이 있다 즉 에서 전 단량을 크게 하는 경우 결함의 위치 평가는 전단량의 만큼의 오차를 가지고 평가하게 된다 또한 전단량의 증가에 따라 상대변위량의 변화가 증가하나 물체의 변형영역 의 이상의 전단량에서는 더 이상 증가하지 않는다

내부결함의 정량해석

는 물체 표면변위의 상대변위량을 측정하므로 외부 병진운동에 둔감 한 특성이 있으며 전단량과 상대변위량의 관계로부터 결함의 정성 정량해석이 가 능하다 내부결함의 정량 검출을 위해 와 같이 내부에 타원형 결함 길이

을 갖는 구조물을 고려한다 구조물의 결함은 압력 열 진동 등 다양한 방법으 로 외력을 주어 검출할 수 있다 즉 표면으로 면외변위가 발생할 정도의 충분한 외력이 발생할 경우 결함의 양 끝부분에서는 응력집중이 발생하고 이 응력집중은 표면변위에서 기울기의 변화로 나타나게 된다

8 mm 2 mm

Depth: 2 mm External load

(45)

와 같은 구조물의 결함을 표면에서 부분적인 진공을 이용하여 결함을 검출 하는 것을 가정하여 유한요소해석 을 하게 되면 와 같은 변형분포 가 나타내게 된다 의 물체의 변형에 따른 표면변위분포는 에 나타 내었으며 는 물체의 표면변위에 대한 수치해석을 통해 일정한 전단량

변화에 따른 상대변위량의 변화를 나타내었다

(46)

에서 전단량의 증가에 대해 상대 변위량이 증가하며 특정 전단량 이상에서 는 상대변위량이 더 이상 증가하지 않는다 또한 전단량의 변화에 따라 나타나는 상대 변위량의 최대 최소점은 결함의 첨단부에서 응력집중에 의해 기울기가 가장 큰 지점에서 나타나게 되며 상대 변위량의 최대와 최소점 사이를 결함의 크기로 결정할 수 있다 상대 변위량 변화와 결함의 크기의 관계를 에 나타내면 특정 전단량 이하에서 결함의 크기를 같은 값으로 평가하고 있으며 그 이상의 전 단량에 대해서는 결함의 크기를 크게 평가하며 오차는 무한으로 증가하게 된다 본 논문에서는 이 전단량을 임계전단량 이라 명명하였다

에서는 전단량 변화에 따른 오차율를 나타낸 그래프로서 전단량의 변화에 따라 결 함의 크기 평가는 임계전단량 이상에서 오차가 급격히 증가하는 경향을 보인다 이 러한 원인은 결함과 모재의 경계까지 기울기의 변화가 매우 작아 전단량의 변화에 대해 최대 최소점 사이의 거리가 크게 변하지 않지만 결함부을 넘어서면서 기울기 가 급격히 증가하여 전단량의 증가와 함께 기울기의 최대 최소점의 사이도 급격히

(47)

증가하게 되므로 결함의 크기를 크게 평가하는 것으로 분석된다

(48)

와 에서 알 수 있듯이 결함크기과 전단량에는 분명한 상관관계가 있으 며 본 연구에서 제안한 임계전단량를 구함으로서 결함의 크기를 정량평가할 수 있 다 임계전단량은 측정시스템의 측정분해능 결함이 표면의 변형으로 나타날 수 있 는 외력의 크기 등과 연관이 있게 된다

측정시스템의 측정분해능

의 측정결과는 에서와 같이 두 점사이의 상대변위를 측정하게 되며 이 상대변위는 위상이동기법으로부터 추출한 상대위상으로 결정이 된다 따 라서 상대변위는 위상결정을 위한 위상추출 알고리즘과 측정시스템의 물리적 성격 에 의해 영향을 받게 된다 일반적으로 영상 획득장치인 카메라는 분해 능을 가지고 있으며 이론적으로 위상추출 감도는 π 으로 구할 수 있다 그러 나 스페클간섭법에서 실제 위상측정 감도는 스페클 노이즈로 인하여 π 에서 π 사이가 된다 위상분해능을 개선하기 위해 고분해능 알고리즘 필터링 기법들이 개발되고 있으며 일반적으로 잘 꾸며진 간섭시스템에서 추출 가능한 최 소위상 Δφ 은 π 를 쉽게 구현할 수 있다 따라서 측정 시스템의 변위분해능은 식 에서 레이저 조사각도 θ 가 인 경우에 대해 식 을 구할 수 있 다

λ

π θ

π λ

본 연구에서 사용된 다이오드 레이저는 파장 으로 상대변위 측정민감도는 가 된다 즉 에서 전단량에 따라 나타나는 상대변위가 이 상이 되어야 측정할 수 있게 된다 물체의 변형이 일정하다면 의 상대 변형량 을 측정할 수 있는 전단량에서만 결함을 검출할 수 있게 된다

(49)

전단방향의 영향

에서 전단방향에 의해 상대변위점의 위치를 결정하며 상대변위값의 결정에 영향을 주게 된다 즉 축의 상대변위를 얻기 위해서는 전단방향은 방 향을 설정하여야하며 방향의 상대변위를 얻기 위해서는 방향으로 전단방향을 설정하여야 한다 원형의 결함의 경우에는 모든 전단방향에 대해 결함을 검출을 할 수 있으나 방향으로 길게 존재하는 결함의 경우 방향의 전단량으로는 검출이 되지 않을 수도 있다 따라서 방향의 결함의 크기를 검출하기 위해서는 방향 의 전단이 필요하며 모든 발생 가능한 결함을 검출하기 위해서는 방향과 방 향의 전단량으로 각각 검사를 하여야 한다 에서와 같이 축방향의 결함 이 존재하는 경우 내부압력에 의해 결함부에서 변형을 발생하고 의 전단방향에 따라 상대변위을 측정하면 전단방향에 따라 와 같이 나타나게 된다

Inside defect x

y

z

(50)

외력의 영향

에서 외력은 결함을 검출하는데 있어서 중요한 영향인자이며 외력의 크기에 따라 측정민감도에 영향을 주게 된다 특히 전단량과 연계되어 결함 검출 분해능에도 영향을 주게 된다 내부 깊은 곳에 존재하는 결함은 측정시스템의 민감 도 이상의 표면변위의 변화로 나타나기 위해서는 상대적으로 큰 외력이 필요하게 된다 그러나 현장 적용에 있어 결함을 검출하기위해 큰 외력을 주는 것이 현실적 으로 어렵다 물체의 변형을 주기 위한 외력은 압력 온도 진공 진동

가진 등 다양한 방법이 있으며 구조물의 조건에 맞추어 적절히 선택하여야 한다 본 논문에서는 압력파이프의 결함검사를 위해서 압력을 이용하였으며 복합재료와 반도체 결함검사에서는 온도를 타이어 결함검사에서는 진공을 주는 방법을 이용하 였다 탄성론에 기초하여 내부결함이 존재하는 압력용기의 압력변화에 따른 결함 중심부에서 최대 변형량은 식 로부터 식 와 같이 구할 수 있다

ν

여기서 ν

이다 식 를 이용하여 결함의 깊이를 압력과 결함의 크기의 함수로 나타내면 식 으로 나타 낼 수 있다

ν

재질의 압력파이프에 대해 검출 가능한 결함의 크기와 깊이 그리고 압력 과의 관계를 과 같이 구할 수 있다 여기서 탄성계수 는 포와 송의 비 ν 는 이며 측정 시스템의 최소민감도 는 이다

(51)

에서 각 결함에 대한 검출 가능한 압력은 최소 상대변위량을 기준으로 최 소압력으로 구하였다 실제 결함검출 실험에서는 상대변위량이 레이저 파장의 이상에서 최적값으로 나타나게 되며 같은 결함의 크기와 깊이조건에서 검출 가능 한 압력은 의 예측보다 높은 압력이 요구된다 또한 외력의 크기에 대한 결함 검출의 영향을 분석하기 위해 의 조건에서 진공압의 변화에 따 른 물체의 표면변위를 에 나타내었다 물체의 최대변위점의 위치는 압력의 변화에 대해 일정하였으며 이는 압력의 크기 변화는 결함의 정성검출에는 영향을 주지 않는다는 의미이다 검출 가능한 압력은 측정시스템의 파장의 이상 m 으로 보았을 때 적정압력은 이 필요하게 된다 또한 은

에서 구한 임계전단량 에서 압력변화에 따른 상대변위 분포를 나타내었다 변 위분포의 최고점은 지점이며 임계전단량에서 기울기의 지점 결함위 치 은 에서 나타났다 즉 전단량에 의해 위치오차를 가지게 된다 또한 결 함의 크기 평가는 각 압력에서 임계전단량을 가지고 있으며 임계전단량법에 의한 결함의 크기평가는 오차를 가지고 평가하였다 이 오차는 유한요소 해석의

(52)

크기의 공간분해능과 연관이 있게 된다

(53)

제 절 를 이용한 결함평가

는 레이저가 조사되는 물체표면의 변위를 직접 측정한다 표면변위 분포는 기 하학적 형상 재료물성 외력의 방향성 등에 따라 일정하지 않고 다르게 나타나게 되며 이러한 표면변위의 분포를 전면에 대해 측정할 수 있다 내부결함의 응력집 중은 외력에 대해 표면분포의 원인이 되며 표면의 면내변위 보다는 면외변위로 민 감하게 나타나게 된다 따라서 면외변위 측정

를 이용하여 표면변위를 측정하여 결함의 정성적 정량적평가를 할 수 있다 에서 결함의 정량화는 전단량 전단방향 외력이 중요한 영 향인자로 작용을 하게 되며 임의의 결함을 검출하기 위해서는 결함의 방향성에 따 라 전단량을 변화시키면서 결함의 위치와 크기를 예측하여야 한다 이러한 문제점 은 검사시간이 많이 걸린다는 단점이 있게 된다 또한 전단량으로 인하여 결함의 위치를 전단량의 만큼 오판할 가능성이 있게 된다 비록 기법이 환경외 란에 민감하여 현장에서 적용이 어렵다 할지라도 결함 검출에 있어서

보다 용이하게 검출이 가능하다

(54)

와 같은 구조물에 부분적으로 진공을 시켜 스트레인분포를 구하여 보면 와 같다 의 전단변형 분포를 수치값으로 나타내면 와 같 다 결함이 표면 가까이에 있다는 가정과 결함에 의한 응력집중이 표면 변위분포로 나타나게 된다면 전단변형 분포를 구하여 결함의 크기를 정량화할 수 있다 결함의 크기는 전단변형의 최대점과 최소점 사이로 결정을 할 수 있으며 검출 오차는

작게 평가하고 있다

(55)

제 장 실험장치

제 절 시스템

실험장치는 독일 사의 상용제품 을 사용하였으며

장치구성은 와 같이 파장

로 구성이 되어 있다 센서 내 부에는 축의 변위를 측정할 수 있는 개의 간섭계가 구성이 되어 있으며 셔 터 를 이용한 광로의 차단으로 간섭계를 선택할 수 있다 위상의 추출을 위 해 단계 위상이동기법을 적용하였으며 위상이동은

로 수행하며 외부 에 의해 제어가 되고 최적 위상이동량 을 자동 검출하여 위상이동기법을 적용한다 또한 위상이동기법에 의해 구한 위상

지도 는 상용프로그램 을 이용하여 결펼침 및

수치해석함으로서 변위 및 변형율을 구할 수 있다 은 시스템의 사 양을 나타내었다

1 2 3 Ref. shutter4 Power

Interface Interlock

1 2 3 Ref. shutter4 Power

Interface Interlock

ESPI sensor

Controller PC

Nd:YAGLaser PM optic fiber

(56)

m m

(57)

제 절 시스템

시스템은 독일 사의 상용 시스템 을 이용하 였으며 구성은 과 같이 센서 센서 내부에 장착된

로 구성이 되어 있다 레이저는 출력 파 장 를 사용하며 센서 위쪽의 에 장착된 을 통해 물체에 조사된 다 전단량과 전단방향은 센서 뒷면의 수동식 조절장치를 이용하여 조절할 수 있 다 에 의해 위상이동이 되며 단계 위상이동기법을 적용하여 위상지도

를 얻게 된다 최종 위상지도는 상용 프로그램

을 이용하여 해석함으로서 상대변위량를 얻게 된다 에는 시스템의 사양을 나타내었다

(58)

m

(59)

제 장 실험결과

본 논문에서 제시한 임계전단량을 이용한 결함정량화기법의 실험적 검증을 위하 여 내부 인공결함을 갖는 압력배관에 검증실험을 하였으며 타이어 내부결함 반도 체 내부결함 복합재 내부결함 평가에 응용하였다 압력배관은 와 를 이용하여 검사를 하였으며 타이어 검사는 를 이용하고 반도 체 내부결함과 복합재 내부결함은 표층의 가까운 곳에 결함이 발생하는 특성으로

를 이용하여 결함을 검사하였다

제 절 압력배관 내부결함 검사

압력파이프는 발전설비의 를 구성하는 구조물로서 유속에 의한 박육 용접부 잔류응력에 의한 결함 등이 발생할 수 있으며 일반적으로 초음 파 탐상기법을 이용한 검사가 수행되고 있으나 검사 및 접촉식의 한계로 표본검사를 하고 있으며 접근이 어려운 지역에서 검사는 실질적으로 어려 운 상태이다 본 논문에서는 제 장에서 제시된 임계 전단량과 압력 전단방향의 상관관계를 실험적으로 검증하고 내부결함의 정량평가를 위해 과 같이

재질의 소형 압력 파이프를 제작하였다 압력파이프의 내부에는 길이

깊이 의 결함을 각 지점에 방전가공으로 제

작하였으며 질소가스를 이용하여 내부압력을 가하여 압력용기에 변형을 가하였다

Nitrogen Gas 12 mm Inside crack

100110 100110

1.00, 1.60, 1.95mm deep crack

(60)

결함 가공 정확도를 검사하기 위해 기존 검사방법인 방사선 투과시험법과 초음파 탐상기법을 이용하여 결함의 크기를 측정하였다 는 방사선 투과시험법에 의해 검사한 필름으로 결함은 로 정확히 가공된 것을 확인하였다 방사선 발 생장치는 일본 사 제품으로 용량은 이며 사용된 필름은

이다 선원과의 거리는 사용전압 촬영시간 현상

시간 으로 하였다 초음파 탐상시험 장치는 미국 사

탐상기와 주파수 크기 탐촉자를 사용하였다

시험은 접촉매질로 글리셀린 수직탐상법 기준감도를 로 하였다 초음파탐상 검사에서도 결함이 정확히 길이 로 가공되어 있는 것을 확인하였다

에서 위 측의 결함은 방사선원 쪽의 결함이며 아래 측의 결함이 측정하고자 하 는 결함이다 실험에서는 전단량을 순차적으로 변화하면서 임계전단 량을 구하여 결함의 크기를 정량평가 하였다 에서는 면외변위를 측정하고 스 트레인 분포를 구하므로서 결함의 크기를 정량화 하였다

유한요소 해석

의 배관 구조물에 내압에 증가에 따라 결함부에서의 변형거동을 예측하기 위해 상용 유한요소해석코드 를 이용하였다 해석 조건은 과 같으 며 변형분포를 에 나타내었다

(61)
(62)

은 유한요소 해석결과로서 압력의 증가에 따라 결함부에서 함몰이 일어나 는 것을 확인하였으며 는 의 내압이 가해졌을 때 표면변위 분포를 나타내었다 는 유한요소의 최소공간분해능 으로 상대변위량을 구하 였으며 상대변위량의 최대 최소점의 사이인 결함의 크기는 로 평가 되었다

(63)

를 이용한 검사

를 이용한 결함 정량평가에서 임계전단량의 유효성과 결함의 위치 검 출오차 외력에 의한 영향을 실험적으로 검증할 필요가 있다 먼저 임계전단량의 유효성에 대한 검증을 위하여 의 압력배관에 전단량의 변화를 씩 증 가하여 까지 변화하면서 결함의 크기를 평가하였다 은 전단량의 변

화에 따른 위상지도 를 나타내었다

(64)
(65)

은 결펼침 기법을 적용하여 상대위상값을 이미지화 한 결과로 이다 결함의 정량화방법은 의 각 전단량에서 상대변위의 최대점을 기준으 로 을 과 같이 얻고 상대변위의 최대 최소값 사이를 보간으로 구하여 결함의 크기로 결정하였다

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(69)
(70)
(71)
(72)
(73)

각 전단량의 로부터 구한 결함의 크기를 비교하여 보면 와 같다 제 장 결함 검출메카니즘의 에서 예측한 것과 같이 실험에서도 임계전단 량 이 존재하며 오차율 분석에서 임계전단량의 존재가 정확히 구별된다

(74)

임계 전단량에서 결함의 검출 오차는 이며 임계전단량 이내의 결함오차에 서도 이내의 오차를 가지고 평가하였다 또한 결함의 위치평가에서는 에 서 결함의 위치를 상대변위의 점을 결함의 중심위치로 결정을 하였으며 에서 구한 표면변위의 최고점을 결함의 위치 로 하여 에서 비교 하였다 장에서의 예측과 같이 결함의 위치검출에 있어서 전단량의 약 만큼 오차를 가지고 검출하고 있으며 부정확한 위치검출은 전단량의 방향 또는 에도 영향을 받게 되어 전단량의 방향으로 전단량의 만큼 이동하여 검출되는 것으로 밝혀졌다 또한 결함 깊이에 대한 검출 오차를 분석하기 위해 에 서 결함의 깊이 변화를 표면으로부터 의 깊이에 존재하 는 결함을 검출하였다 결함의 길이는 로 모두 같으므로 에서 구한 임계전단량 근처에서 전단량을 변화하면서 결함을 검출 하였다 압력은

에서 압력변화로 검사하였다 임계전단량에서 결함은 깊이변화에 대해 거의 영 향을 받지 않고 이내의 오차로 검출이 되고 있으나 전단량이 증가함에 따라 깊은 곳의 결함의 오차가 커지는 경향을 보이고 있다 이는 작은 압력을 받는 깊은

(75)

결함의 응력 집중이 표면에 정확하게 전달되지 않기 때문으로 사료된다

를 이용한 검사

에서 결함의 검출은 전단량 외력 전단방향의 인자를 최적화하여 결 함의 형상과 크기를 정량평가 할 수 있다 그러나 전단량의 결정에 있어 임계점을 찾기 위해서 반복시험을 하여야 한다는 단점이 있다 비록 외부진동에 대해 둔감하 다는 장점이 있으나 많은 시험을 행해야 한다는 측면에서 대상체에 대한 반복적인 외력과 시간적 소요는 중요한 단점으로 지적되어 질 수 있다 를 이용한 내부 결함의 정량평가는 에서 결함 정량평가 원리에 기초하여 를 이용 하여 면외변위를 측정하고 면외변위를 수치적으로 미분처리하여 결함의 크기를 결 정하였다 를 이용한 결함의 정량화는 물체에 작용하는 외력만이 중요한 인자 이다 내압의 증가에 따라 표면변형으로 와 같이 이 형 성이 되고 결함으로 인하여 중앙부의 줄무늬의 왜곡이 관찰되며 압력의 증가에 따

(76)

라 결함부에서 와 같이 함몰이 일어나는 것을 확인할 수 있다

Deformation(㎛)

Position(mm)

(77)

외력의 변화에 따라 물체표면의 면외변위 분포를 나타내면 과 같다 압력 파이프 내부의 공기 유동의 영향으로 압력변화에 따라 변형분포가 불규칙하게 나 타나며 같은 결함의 크기에 대해서 변형 영역이 다양하게 나타나고 있다 결함의 정량화를 위해 면외변위의 차미분성분 를 수치해석적으로 구하게 되면

와 같이 의 결과와 유사한 경향의 그래프를 얻게 된다 여기 서 에서와 같이 기울기의 최대 최소점 사이를 결함의 크기로 결정하 여 에 결함의 크기를 나타내었다 오차율은 최대 로 평가하고 있다 결함 검출분해능은 카메라의 분해능과도 연관 있으며 본 실험에서는 최소분 해능은 로서 측정결과값에 의 오차를 추가적으로 수반하게 된다 그러 나 를 이용한 결함검출 실험의 경우 외란의 영향으로 잡음이 많은 경우 수치 해석에서 차도함수를 구하기 어려운 경우가 발생한다

(78)
(79)

제 절 타이어 내부결함 검사

타이어 검사시스템 구성

타이어는 주행 시 열과 마찰에 의해 발열이 되며 공기압 부족 과적재 또는 타이어의 성 능을 초과한 속도로 주행 등을 할 경우 타이어의 내부 온도는 높아지고 임계 온도를 넘 어 가면서 타이어를 구성하는 고무 코드 등의 재료 강도 및 구성 물질간의 접착력 과 타이어의 내구력이 저하되어 타이어 내부에 결함이 발생하거나 제조공정상 발생할 수 있는 미세한 결함이 진전되어 대형의 사고를 유발하게 된다 현재 타이어의 성능 평가 시험에는 고속 주행시험과 내구성시험 저공기압 성능시험

를 수행할 것을 요구하고 있으며 비파괴 검사방법으로 초음파 등으 로 검사를 하고 있다 이들의 기술은 경제성 및 현장 응용성에서 각각의 장단점이 있으 며 이를 보완하기 위한 다양한 검사방법을 요구하고 있다

의 타이어 결함검사로 응용은 년 에 의해 시도가 되 었으며 간섭정보를 필름방식으로 기록하여 정성적평가를 하였다 그 후

가 개발되면서 진공챔버의 압력의 변화를 이용하여 결함을 검출하는 방법들이 개발되어 산업현장에서 응용하고 있다 본 논문에서는 이방성구조이며 변 형이 큰 타이어의 비파괴 검사를 보다 효과적으로 수행하기 위해 본 연구에서 제 안하는 검사기법을 적용하여 결함의 정성 정량 평가를 수행하고자 한다 적용 실험

에서는 규격의 타이어를 검사 대상으

로 하였다 시험은 제조 공정 중 인공결함을 제작하여 와 육안검사를 통한 검증시험 가혹한 환경에서 실주행 타이어를 주행거리에 따른 검사로 결함의 진전모니 터링 최종 타이어 손상 메커니즘 분석으로 적용하였다 검사는 진공챔버

을 이용하여 챔버 내부를 의 진공상태로 하여 타이어에 변형을 주고 타 이어 내부를 번으로 나누어 시스템으로 결함검사를 하였다 는 진공챔버와 압력조절장치 시스템이다 검출된 결함은 각각의 전단량 과 전단방향으로 결함을 예측하여 임계점을 찾아 결함의 형상과 크기를 정량화하 였다

(80)

인공결함 검사

제조 공정 상 이물질에 의한 결함을 가정하여 밀납을 이용하여 결함을 제 작하고 타이어 검사시스템을 이용하여 결함을 정량검출 하였다 전단은

방향으로 각각 로 전단량를 변화하여 결함

의 크기를 예측하였다 은 축 방향의 전단량 변화에 따른

을 나타내었다 은 방향에서 을 나

타내었으며 은 도 방향 는 도 방향에서

을 각각 나타내었다

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(83)
(84)

에서 알 수 있듯이 전단량의 변화에 따라 또는 문 양이라 불리는 줄무늬의 양 중심거리가 달라지는 것을 알 수 있으며 결함의 크기 는 검출 메커니즘에서 제시한바와 같이 을 하여 상대변위 의 를 구하여 중심점의 거리를 결함의 길이로 정하였다

에서는 의 각 방향의 전단량에서

와 상대변위의 를 나타내었다

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(88)
(89)
(90)
(91)
(92)
(93)

결함크기는 제 장 검출 메카니즘에서 제안한 상대변위의 최대 최소점으로 결정하 였으며 각 전단량 변화에 따른 결함의 크기를 나타내면 와 같다 또한

에서 결함의 크기를 결정하는 임계전단량이 방향에서 방향에서 방향에서 방향에서 로 나타나는 것을 확인할 수 있다

임계전단량에서 결함의 크기는 방향에서 방향에서 방

향에서 방향에서 로 측정이 되었다 이 결과는 와 같 이 실험 후 타이어를 절개하여 육안검사 방법으로 측정결과를 비교 하였으며 결과는 약 정도 오차를 나타내었다

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실주행 타이어 결함검사

실제 결함검출을 위한 실험으로 일반승용차 타이어 을 가혹 환경으로 고속도로를 주행하고 마다 개의 타이어를 검사하였다 각 타이어는 내부 를 등분하여 검사를 하였으며 의 주행 후 트레이드의 계면에서 결함이 나타나게 시작하였다 은 앞바퀴 왼쪽 타이어 검사결과이고 는 뒷 바퀴 오른쪽 타이어의 검사결과이다 결함의 진전 상태를 보면 동일한 차에 장착된 타이어라도 장착된 부위에 따라 그 진행 과정이나 진행 정도가 다르다는 것을 알 수 있었다 시험은 수회에 걸쳐 수행이 되었으며 대부분의 타이어는 트레이드의 마모까지 결함이 발생하지 않았다 결함의 정량화는 임계전단량 기법을 이용하였으 며 발생한 결함들의 크기는 약 사이의 크기로 나타났다 이러한 결함들이 연결되면서 진전하여 트레이드 파손을 일으키게 된다

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실주행 타이어 손상 메커니즘 분석

타이어 제조공정 또는 사용 중 발생한 미세한 결함의 진전과정을 분석하기 위하여 제조공정과정에서 인공의 미세결함을 가공하고 까지 실제 도로주행시험 을 하는 동안 각 주행단계에서 타이어 내부결함의 크기 및 진전과정을 분석하였다 실험은 타이어로 일반 승용차용 타이어이다 과 같이 결함의 진전과정을 단계로 분류하여 분석을 하였다 단계는 초기 제조공정상 인공결함이 내재되어 있는 상태로 그림의 하단에 작은 미세결함이 검출되는 것을 확인할 있다 이때의 결함은 제조공정 상의 결함이외에도 재생타이어나 주행 중 이물질에 의해 미세결함이 발생할 가능성이 있다 이 미세결함은 운행 중 물 이물질의 침투와 열

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마찰 등으로 많은 미세결함 중 개 정도가 결함으로 진전을 하게 되며 단계로 분류하여 결함으로 규정을 하였다 또한 단계에서는 지속적인 도로주행으로 단 계에서 분류된 결함이 성장을 하면서 주위의 미세결함과 연결이 되고 이 결함의 크기가 빠른 속도로 증가하였다 마지막 단계에서는 부분적인 결함들이 연결이 되 면서 이 결함이 트레이드부로 진전하고 트레이드를 분리하는 박리결함으로 나타나 게 된다 이 때 트레이드가 떨어져 나가면서 대형의 사고가 발생하게 된다

주행마다 검사한 결과에서 결함의 진전속도는 운전자의 운전습관 도로상태 등 에 따라 다르게 나타났으나 결함의 진전과정은 유사한 형태를 가지고 있었다

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제 절 반도체 내부결함 정량화

반도체 검사시스템 구성

반도체는 두께가 얇고 결함이 표면에 근접하여 발생하는 특성이 있으므로 보다는 검사가 용이하고 민감도가 높은 을 적용하여 표면변위를 측정 하여 결함을 평가하였다 반도체 상에 발생할 수 있는 결함으로는 크게 반도체 칩 에서 결함과 칩을 보호하는 패키지 결함으로 구별한다 패키지에서 발생하는

결함으로는 박리 균열 기포 경사 등이 있는데

이러한 반도체 부품의 결함 중에는 비파괴검사를 통해서만 검사가 가능한 부분이 존재 하며 현재 반도체 비파괴적 평가에 있어서 초음파 검사기법 선 기법 광학현미경이나 전자현미경 등에 의한 광학적 육안 검사가 행해져왔다 특히 등과 같

은 업체에서 생산하는 장비의 고성능화된 초음파

검사기법을 채택하여 많은 발전을 하고 있다 그러나 초음파검사기법은 초음파는 고체 내에서 감쇠와 산란 등의 복잡한 거동을 갖는 특성으로 인하여 그 취급에 세심한 주의가 필요하며 일반적인 초음파 펄스식 탐상에서는 진동자와 동기 펄스파가 이용되기 때문 에 근접결함의 분리는 용이하지만 작은 크기의 결함에서는 임피던스의 변화가 적어서 접촉면의 검출이 곤란하다 또한 검사자의 숙련성과 많은 횟수의 샘플링 검사를 요구하 고 방식이기 때문에 전체적인 패턴을 확인하기에는 많은 시간이 소요되는 문 제점을 가지고 있으며 검사기법은 장비자체가 고가이면서 출력세기에 따라 큰 가격 차이가 있으며 방사능에 대한 노출이라는 문제점이 따르며 광학적 육안 검사는 분 해하는 과정에서 손상이 갈 수 있을 뿐 아니라 숙련공이 아니고서는 그 결함 유무 또한 구별하기 어려운 문제점 등을 가지고 있다 검사에 사용된 반도체는

용으로 사용되는 와

를 검사하였다 실험은 과 같은 검사시스템을 구 성하여 온도변화에 따라 결함부에서 변형의 차이를 이용하여 결함을 검출하는 방법을 이용하였다 시험편은 열 또는 충격에 의한 인공결함과 제조공정과 사용 중에 발생한 자 연발생결함이 있는 반도체에 대해 결함을 평가하여 비교하였다 시스템의 구성은 검사 시스템 내부의 온도유지를 위한 단열챔버 내부 온도 조절을 위한 온

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도제어장치 시스템으로 구축하였다

Temperature controller

Heater Heater ESPI sensor

Specimen

Sensor Controller Adiabatic

Chamber

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챔버내부의 공기유동에 의한 오차와 온도 분포의 영향 조사하기 위해 채널의 열전대를 챔버내부에 장착하고 내부온도를 측정하였다

챔버 내부의 시험편 주위의 개의 열전대의 온도 분포를 에 나타내었다 온도 변화에 의한 공기유동 오차를 최소화하기 위해 내부 온도는 까지 가열한 후 온도 변화가 안정되는 구간인 에서 검사를 하였다

인공결함 검사

를 이용한 반도체 비파괴 검사결과의 신뢰성을 검증하기 위해 인공결함을 갖

는 반도체에 대해 결과와 비교하였다 물 속

에 반도체 패키지를 넣고 탐촉자와 대상체를 접촉시키지 않은 상태에서 검사하는 수침법을 이용하여 충격결함이 가해진 반도체 패키지와 박리가 일어난 반도체 패 키지를 대상으로 기법을 사용하였으며 저면에 포커스를 맞추어 반도체 패키지 내부의 각 계면에서 반사되어 되돌아오는 신호의 크기와 위상을 측정하여 검사하고자 하는 수평 단층의 화상을 구하였다 또한 이 시험편들은 로 검사하 여 결함의 크기 및 위치를 정량적으로 평가하여 비교하였다 반도체 시험편에 외부 충격으로 내부에 결함을 발생시켰으며 은 의 검사결과로서 내부에 로 크랙결함이 발생한 것을 확인하였으며 결함의 길이는 시험편의 크기를 기준 으로 보간하여 로 측정되었다 그리고 검사시간은 약 분이 소요되었다

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Position (mm)

Position (mm)

23.6 mm

Position (mm)

Deformation (mm)

은 실험결과로서 결함에 의해 시험편의 내부의 열변형 분포차이로 인하여 결함의 위치와 크기를 정량적으로 평가할 수 있다 결함의 크기는 결함의 위치에서 과 를 구하여 기울기의 변화점을 결함의 크기 로 측정 되었으며 의 결과와 비교하여 의 오차를 보인다 또한 결함의 주위에서 에서 회색 의 영역에 박리가 발생한 것을 확인할 수 있다 이 검사 결과는 온도변화가 약 내외의 온도변화 만으로 검출이 가능하였으 며 검사시간은 분 이내가 소요되었다

(103)

Position (mm)

Position (mm)

2.5 mm

Position (mm)

Position (mm)

참조

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