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- 목 차 -

LIST OF TABLE · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·ⅲ

LIST OF FIGURE · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·ⅳ

ABSTRACT · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·ⅵ

제 1 장 서 론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

제 1 절 연구배경 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

제 2 절 연구목표 및 내용 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·2

제 2 장 이론적 배경 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·4

제 1 절 비파괴 시험 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·4

제 2 절 비파괴 적외선 열화상 시험 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·5

2. 활용 분야 ···6

제 3 절 적외선의 원리 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·8

2. 적외선의 물리적 성질···12

3.

4. 적외선의 특징···15

5. 방사율···16

제 4 절 위상잠금 기법(Lock-in IRT) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·20

제 3 장 실험장치 및 구성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·24

제 1 절 측정시스템 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·24

제 2 절 실험방법 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·25

제 2 절 시험편 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·27

제 4 장 측정결과 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·34

제 1 절 유한요소해석 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·34

2. 유한요소해석 모델링 ···37

3.

제 2 절 광 적외선 열화상에 의한 결함 검출 · · · · · · · · · · · · · ·43

1. 4-inch 직관 결함시편 ···43

2.

제 5 장 결 론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·65

참 고 문 헌 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·67

감사의 글 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·70

- LIST OF TABLE -

Table 2-1 IBC of standard(IEC usage Sect 841)···14

Table 3-1 Specification of infrared thermography system···25

Table 3-2 Material property of ASTM A106 Gr.B···29

Table 3-3 Geometry of 4-inch specimen ···30

Table 3-4 Geometry of 2.5-inch specimen···33

Table 4-1 Thermal Properties of ASTM A106 Gr.B···35

Table 4-2 Simulation conditions of FEM···38

- LIST OF FIGURE -

Fig. 2-1 Composite material defect detection cases···6

Fig. 2-2 Cases of pipe defect inspection···7

Fig. 2-3 Boiler tube (indicating areas of thinning due to corrosion)·7 Fig. 2-4 Spectrum of an electronic wave···10

Fig. 2-5 Principle of an emissivity of the applied object···17

Fig. 2-6 Radiation energy of object···18

Fig. 2-7 Infrared thermography (Pulse technique)···20

Fig. 2-8 Infrared thermography (Lock-in technique)···21

Fig. 2-9 Signal processing of Lock-in infrared thermography···23

Fig. 3-1 Infrared thermography system ···24

Fig. 3-2 Schematic of Experiment system···24

Fig. 3-3 Configuration of Experiment system···26

Fig. 3-4 Comparison of planar defect and wall thinning effect in pipe ···27

Fig. 3-5 4-inch test specimen of A106 Gr.B material···29

Fig. 3-6 4-inch Pipe specimen with artificial defects···30

Fig. 3-7 2.5-inch test specimen of A106 Gr.B material···32

Fig. 3-8 2.5-inch Pipe specimen with artificial defects ···32

Fig. 4-2 Basic mechanism of thermal characteristics ···36

Fig. 4-3 Configuration of the modeled Pipe and Lamp···38

Fig. 4-4 60% of Lamp output···39

Fig. 4-5 80% of Lamp output···40

Fig. 4-6 Surface temperature of pipe on 80% of Lamp output···41

Fig. 4-7 Measurement results of Infrared thermography on S1-1···44

Fig. 4-8 Measurement results of Lock-in on S1-1···45

Fig. 4-9 Measurement results of Infrared thermography on S2-1···47

Fig. 4-10 Measurement results of Lock-in on S2-1···48

Fig. 4-11 Measurement results of Infrared thermography on S2-2···50

Fig. 4-12 Measurement results of Lock-in on S2-2···51

Fig. 4-13 Measurement results of Infrared thermography on S2-3···53

Fig. 4-14 Measurement results of Lock-in on S2-3···54

Fig. 4-15 Measurement results of Infrared thermography on S2-4···56

Fig. 4-16 Measurement results of Lock-in on S2-4···57

Fig. 4-17 Measurement results of Infrared thermography on S3-1 (Up-side) ···60

Fig. 4-18 Measurement results of Lock-in on S3-1 (Up-side)···61

Fig. 4-19 Measurement results of Infrared thermography on S3-1 (Down-side) ···62

Fig. 4-20 Measurement results of Lock-in on S3-1 (Down-side)···63

ABSTRACT

A study on determination of an optimal test condition in Piping by Optical Infrared Thermography

Jeon, SoYoung

Advisor Prof. Kim, Kyeong-suk Ph.D.

Department of Advanced Parts and Materials Engineering, Graduate School of Chosun University

Non-destructive testing (NDT) method with the merits of rapid response, economic efficiency, and manifold applications has been an important role in industries from the safety diagnosis of large infra structure to the reliabi lity evaluation of small products. There are many efficient NDT methods such as visual testing(VT), radio-graphic testing(RT), ultrasonic testing(UT), magnetic testing(MT), liquid penetrant testing(LT), eddy current testing (ET), acoustic emission(AE), thermography. Generally, VT, PT, MT, and ET are applied for the detection of surface defects and UT and RT are done for inte rnal defects.

NDT methods based on optical metrology such as Thermography, Holography, Electronic Speckle Pattern Interferometry, Shearography etc can provide solu tion to the problems of previous methods. Infrared thermography application techniques is a two-dimensional non-contact nondestructive evaluation (NDE) that can detect internal defects from the thermal distribution by the inspec tion of infrared light form the object surface.

Infrared thermal imaging of bulk is different form that of a defect, In a heated metal with a internal defect, and then location and size of a defect can be measured by the analysis of thermal imaging pattern.

This study conducted Pulsed Infrared Thermography and Lock-in infrared Ther

mography test for Pipe specimen of two type(4inch, 2.5inch) artificial wall Thinning defect to find an optimal condition for IRT for Wall Thinned Pipin g components. Pulsed infrared thermal imaging is a method to inspect a defec t by in directly heating treatment, and lock-in infrared thermal imaging is a method to detect a defect by directly heating treatment, respectively.

In the experiment two Halogen Lamps, whose full power capacity are 1 kW, were used to heat specimens, and the exposure distance between specimen and Lamp and the Lamp power were considered as experimental parameters. when the exposure distance is 1m,2m,3m and the exposure rate is higher than 60% of full power.

In the case of 4inch, Infrared and Lock-in thermal Image of wall-thinning defect was clearer under the conditions of higher exposure rate and exposur e distance of 2m than under the conditions of lower exposure rate and exposu re distance of 1m and 3m. but Image of 2.5inch wall-thinning defect was clea rer under the conditions of higher exposure rate and exposure distance of 1m than under the conditions of lower exposure rate and exposure distance of 2m. Also, it was recognized that the detectability of Defect is similar for both Pulsed Infrared thermography and Lock-in thermography.

제 1 장 서론

제 1 절 연구배경

오늘날 현대 산업사회는 다양화되고 첨단화되어짐에 따라, 각종 구조물은 급속히 고속화, 고압화, 대형화되는 추세에 있으므로 그것의 품질과 규모에 큰 변화를 가져 오며, 이에 따라 안전에 대한 신뢰성 확보가 중요한 문제로 대두되고 있다[1]. 각종 구조물의 모든 소재나 재료는 완전무결할 수 없기 때문에 그 수명 또한 영구적일 수가 없다. 자체적인 결함이 있을 수 있을 뿐만 아니라 가공 및 사용 중에도 결함이 발생하여 성장함으로써 재료의 영향을 주어 결국 구조물의 수명 단축으로 이어진 다[2,3]. 그러므로 구조물이나 대상체의 내부 구조에 어느 정도의 결함이 존재하 는지 그리고, 그 결함들이 사용함에 있어서 얼마나 유해한가를 알아야 한다. 이러한 판단의 근거를 제시하는 것이 비파괴 검사 기술이다. 즉 비파괴 검사로 대상물에 존 재하는 유해한 결함의 유무를 확인하고 미리 기록하여 수명을 연장시켜 대형사고 및 파손을 방지하여 각종 구조물의 신뢰성을 높일 수 있다.

이렇듯 비파괴 검사 기술이란 재료, 산업설비기기, 플랜트, 구조물, 용접부 등 대상체의 원형과 기능에 물리적인 파괴나 화학적인 손상 등의 변화를 주지 않고 대상물의 결함의 유무나 상태 또는 성질, 내부구조 등을 알아낼 수 있는 모든 검사를 칭한다.

최근 비파괴 검사 기술 분야는 미국, 일본 등 여러 선진국에서 하나의 전문 분야로서 인정받고 있으나, 국내의 경우 약 20년 전부터 선진 외국으로부터 장비 및 기술을 받아들여 비파괴 검사 시험의 도입 기간이 짧았을 뿐 아니라 일부 산업 분야를 제외한 일반적인 산업 분야에서 비파괴 시험에 대한 요구가 많지 않아 비중 있게 다루어 지지 않았다. 그러나 제품이 고품질, 고부가가치 제품으로 전환 됨에 따라 비파괴 검사가 요구되는 사례가 급증하고 있다.

검사결과의 신속성, 경제성, 검사대상의 다양성 등의 장점으로 대형 구조물의 안전진단에서부터 소형제품의 신뢰성평가 분야까지 산업전반에서 중요한 역할을 담당하고 있으며, 그 중요성은 안전진단을 통한 대형사고의 예방에서부터 제품의 신뢰성평가를 통한 기업경쟁력 강화까지 이르고 있다[4,5].

비파괴 검사 분야로써 현재 널리 사용되고 있는 기술 중에 적외선을 이용한 열 영상 기술은 갈수록 그 활용 범위가 확대되고 있는 추세이다. 적외선 열화상 비파괴 검사 기술(infrared thermography)은 적외선 Camera를 이용하여 비접촉,

비파괴, 원거리 검사 장점으로 물리적 성질과 결함발생 여부를 대상체의 표면으로 부터 발산하는 적외선 또는 열을 검출하여 이때의 대상체의 온도변화 또는 온도분 포로부터 대상체의 이상 유무를 재료의 파단이나 파괴 없이 실시간으로 영상을 제공하고 평가하여 진단하는 품질검사 및 안전성 평가기술로써[6], 응력해석, 금속재료 부식결함 검사, 피로한계치 분석, 전력설비 열화진단, 의료진단, 복합재 박리 검사 뿐만 아니라 고도의 신뢰성과 안전성이 요구되는 반도체, 원자력산업, 방위산업, 항공우주 산업 등의 발달과 더불어 그 활용성과 중요성이 증대되어 그 응용범위가 점차 확대되고 있다. 금속결함 검출에 적용되는 경우, 열확산계수 가 큰 금속 재료일수록 검출소자의 샘플링 한계로 인하여 결함을 찾는데 어려움이 있다. 따라서 이러한 문제 해결방안으로 위상 잠금(lock-in) 기법을 이용하여 열확산계수가 큰 금속의 내부결함을 검출할 수 있다. 이 위상 잠금 기법은 낮은 샘플링에서도 표면의 미세한 변화를 감지할 수 있다[7].적외선 열화상 시스템은 국외에서는 1960년대부터 상용화 되어 산업 각 분야에서 널리 사용되어 왔으며, 특히 콘크리트 결함 계측, 전력시스템의 예방보전분야와 산업현장의 상태감시분야 에서 많이 활용되었다.

제 2 절 연구목표 및 내용

본 연구는 배관의 결함 검출에 많이 이용되고 있는 육안 검사(VT), 방사선 검사 (RT) 그리고 초음파 검사(UT)등 다양한 비파괴 검사 기법들 중 적외선 열화상 기술을 이용하여 배관에 존재하는 결함검출에 관한 것이다.

발전소나 화학공장의 배관 또는 Oil과 Gas 배관에서 발생하는 국부적인 두께 감소(감육,減肉) 현상은 이들 배관의 건전성을 저하시키는 대표적인 결함으로 알려져 있다. 배관의 두께 감소(감육)을 일으키는 원인으로는 배관의 재질이나 형상, 유동조건, 그리고 수질 등에 의하여 침식(erosion), 부식(corrosion), 혹은 유동가속부식(FAC, flow accelerated corrosion)등이 있으며, 이러한 형태에 의해 배관 내부에서 발생하는 결함의 경우에는 그 특성상 초기 징후가 거의 나타나지 않으며 어느 한계에 다다르면 순간적으로 파열을 일으키기 때문에 문제가 되고 있다 [8]. 배관의 건전성을 진단하기 위한 현재의 비파괴 기법들은 측정 범위가 좁고 시간이 오래 걸리며 또한 배관의 피복을 벗겨 내야 하는 등 측정을 위한 시간과 인력이 많이 드는 문제점을 가지고 있다. 이는 결국 비용의 증가로 이어질 뿐만 아니라 관리영역의 한계로 인하여 안전성 확보가 어려워진다. 따라서 경제적이면

서 넓은 영역에서 운전 중 감시가 가능한 신 개념의 원거리, 비접촉 비파괴 측정 기법 도입이 필요하다[9].

최근 배관의 결함 검사에 적외선 열화상 기법을 적용하기 위한 시도들이 이루어 지고 있다. 그러나, 아직까지 적외선 열화상 기법을 배관의 결함검사에 적용하기 위해서는 여러 가지 영향 인자들에 대한 체계적인 검토가 필요한 실정이다. 적외선 열화상을 이용한 실험은 아무런 자극 없이 대상체 자체에서 나오는 에너지를 검출하 여 건전성을 평가하는 수동형 검사방법(passive technique)과 외부에서 대상체에 자 극을 주어서 발생하는 열을 검출하여 평가하는 능동형 검사방법(active technique) 으로 분류 되는데[10], 본 연구에서는 능동형 검사방법(active technique) 중 하나 인 광을 이용하는 광 적외선 열화상 기술 (optical infrared themorgraphy)을 적용하였다. 광 적외선 열화상 기술은 배관 시편에 약 50mHz 대역의 광원을 표면 에 가하여 그 흡수된 열원에 가하여 분포되는 영상을 측정함으로써 결함을 검출 하는 것이다.

본 논문에서는 이들 연구의 일부로 배관 결함 검출에 적합한 최적의 가열 조건 및 열화상 촬영 조건을 파악하고자 한다. 이를 위해 결함이 가공된 배관시편을 제작하여 다양한 조건에서 적외선 열화상 실험을 수행하고, 그 결과로부터 배관 결함 검출을 위한 최적의 시험조건 결정에 관하여 살펴보았다.

제 2 장 이론적 배경

제 1 절 비파괴 시험

비파괴 시험은 소재. 기기. 구조물의 안전관리뿐만 아니라 품질관리 및 품질보증 의 한 수단으로 이용되는 계측기법으로 재료, 제품, 구조물 등의 종류에 관계없이 대상물을 손상, 분리 또는 파괴시키지 않고 원형 그대로 유지한 상태에서 구조물의 결함유무를 파악하여 구조물의 이상 여부나 결함의 정도를 알아내는 모든 시험을 말한다. 즉 비파괴 시험은 대상이 되는 구조물을 파괴하지 않고 안전성, 건전성, 성능, 결함의 유무, 상태 등을 조사하기 위한 결함검출기법을 말한다. 이에 비해 비파괴 검사(non-destructive inspection: NDI)는 비파괴 시험을 수행한 후 그 결과와 기능 및 건전성의 판정기준에 근거하여 그 대상구조물의 사용가능성 여부 판단까지를 말한다. 비파괴시험의 근저에 있는 것은 소재 내부에 자체적으로 존재 하는 조직상의 이상으로 인한 결함, 기하학적 불연속 등의 결함에 의해 변화하는 형상이다. 현재 사용되고 있는 비파괴 시험법에는 여러 종류가 있다. 그 중 가장 기본적인 시험으로 표면의 결함검출방법으로 육안검사, 액체침투탐상검사, 자분탐 상검사, 와전류탐상검사가 있고, 내부의 결함을 검출하는 방법으로는 방사선투과 시험, 초음파탐상시험이 있으며 그 외 기타 여러 비파괴 검사 기법이 있다[11-12].

육안 검사는 구조물을 직접 또는 간접적으로 관찰하여 대상체의 결함여부를 알아내는 비파괴 검사 시험방법으로써 육안으로 균열, 오버랩 등을 관측하거나 측정하는 기법이며 다른 비파괴 검사 방법이 사용되기 전에 수행한다. 방사선 투과시험은 대상체에 X-선, -선 등의 방사선을 대상체에 투과시켜 X-선 필름에 상을 형성시킴으로써 투과된 방사선의 강도의 변화 즉, 표면과 결함부의 투과선량 에 차에 의한 필름상의 농도차를 기억하여 결함을 검출함으로써 내부결함을 검출하 는 비파괴검사 방법 중 현재 가장 널리 이용되고 있다. 방사선의 조사방향에 수평 으로 놓여있는 결함의 검출능력이 우수하며 필름을 판독할 수 있어 결함의 종류, 형상 등의 판별이 용이하고 기록성과 보존성이 탁월하다. 초음파탐상시험은 높은 주파수(1MHz ~ 25MHz)의 초음파펄스를 시험체 내부에 입사시켰을 때 초음파 음향 인피던스가 다른 경계면에서 반사 또는 굴절하는 현상을 이용하여 대상의 내부에 존재하는 결함의 크기 및 위치를 탐지하는 기법으로 대형 가스관 검사에 적합하며 선진국에서 많이 사용한다. 와전류 탐상시험은 전자기 유도원리에 의해 와전류를 발생하며 대상체 표층부의 결함에 의해 와전류의 변화를 측정하여 결함을 탐지하는

기법으로써 파이프와 봉, 강판 등 전도체 재료의 표면 또는 표면근처의 결함검출과 물성측정에 이용됩니다. 시험코일의 임피던스 변화를 측정하여 결함을 식별하는데 내부결함이 존재할 경우, 와전류 흐름에 방해, 방향을 바뀌게 한다. 자분탐상시험은 검사하고자 하는 물체의 표면 또는 표면 하에 있는 결함을 검출하기 위하여 강자 성의 입자를 직접 혹은 물이나 기름에 타서 뿌려 강자성의 미세한 입자를 이용하는 데 물체 표면 혹은 결함을 검사하는 방법이다. 액체침투 탐상시험은 대상체의 표면 에 액체를 적용시켜 액체가 표면의 틈을 통해 내부로 침투되는 것을 조사하여 표면 균열, 겹친 부위, 기공 등의 결함을 육안으로 식별할 수 있는 기법으로 용접부와 단조품 등의 표면개구결함 검출에 적용이 간단하고 용이하며 저렴하게 검사할 수 있 으나 표면으로 열려있는 결함만 검출할 수 있다는 단점이 있다[13]. 이외에도 누설 시험, 음향방출시험, 중성자 투과 시험 등 여러 종류의 시험법들이 연구 개발되어 지고 있다.

제 2절 비파괴 적외선 열화상 시험

비파괴 시험의 적외선 열화상 기술은 물체의 온도 적외선 에너지에 비례하여 보이지 않는 광선으로 방사되며, 여기서 방사된 적외선 에너지는 적외선 감지센서 를 이용하여 화상으로 만드는 기술로 복사에너지의 파장 대역 따라 서로 다른 검출센서가 사용되며, Frame rate 및 고해상도 구현이 핵심 기술이다. 90년대 위상 잠금 기술의 개발로 응력해석, 결함정량 해석이 가능해졌으며 의료분야와 전력 시설물 진단에 많은 활용이 되고 있으나, 최근 비파괴검사 및 응력해석분야에 서 활발한 연구가 진행되고 있다[14]. 비파괴 적외선 열화상 기술은 움직이는 물체 를 비접촉으로 실시간 넓은 영역의 온도정보를 제공하며 어두운 공간에서도 측정 이 가능하다. 또한 온도차 분석을 통한 예방정비 기술로 활용하여 개선 전후 효과를 보다 좀 더 쉽게 확인 할 수 있지만 장비가 고가이며 대상체의 방사율과 표면 반사 가 있을 경우 그 반사로 인해 정확한 온도 측정은 어려울 때가 있으며 표면온도만을 측정하는 단점이 있다.

2. 활용 분야 가) 일반산업 분야

일반 산업분야에서 적외선 열화상 검사 방법은 다양한 분야에 적용되고 있으며, 특히 복합재료 내부에 존재하는 결함이나 박리현상이 발생하는 부위의 검출에 유용 하게 사용되고 있다. 특히 최근에는 항공기 등에 복합 재료들이 많이 사용됨에 따라 항공기의 비파괴 결함 검사에도 적외선 열화상 기법이 적용되고 있다.

Fig. 2-1 Composite material defect detection cases

또한, 콘크리트 구조물 내의 결함 검출 및 안전성 평가에 활용하고 있으며, 적외 선 열화상 기술 및 열적 가열을 이용하여 공업 및 산업단지 건축물의 결함 검출에 활용하고 있다. 화력 발전소나 공업 단지 굴뚝의 온도 범위를 측정함으로써 굴뚝의 결함을 검출하기 위한 수단으로 적외선 열화상 기술이 적용되고 있다. 또한, 적외 선 열화상 시스템을 송배전 시설에 적용한 바 있으며, 군사용 감시 및 야시 장비 의 개발과 원전 터빈의 진공상태의 이상 유무를 검사하기 위해 적외선 열화상 기술을 활용한 바 있다. 다양한 비파괴검사를 자체적으로 적외선 열화상 시스템을 구축하여 연구를 수행하였다.

나) 원자력산업 분야

EPRI(미국 전력연구소)는 1999년부터 적외선 열화상 기술을 이용한 원자력발전소 설비의 비파괴검사에 관심을 갖고 다양한 연구를 수행하였다. Vermont Yankee 원자 력발전소에서의 적외선 열화상 장비를 이용한 실험 결과를 바탕으로 Thermal Wave Imaging 사와 함께 적외선 열 분사 기술의 최적화 연구를 수행하는 한편, TR-10714 2‘Infrared Thermography Field Application Guide'를 작성하여 적외선 열화상 장비의 현장 활용에 대한 가이드를 제시하고 있다. 적외선 열화상에 대한 이론적인 연구를 비롯하여 송배전선 및 변전소에 대한 적외선 열화상 기술의 활용 및 능동형 적외선 열화상 기술을 이용한 비파괴검사에 대해 연구하고 있다. 또한, 배관이나 열교환기 튜브에서 부식이나 침식으로 인한 결함을 검사하기 위한 수단으로 적외 선 열화상 기술을 적용하기 위한 시도가 있으며, Subtraction기능을 이용하여 데이터 분석 및 오차 최소화하기 위한 노력이 진행되고 있다.

Fig. 2-2 Cases of pipe defect inspection

Fig. 2-3 Boiler tube (indicating areas of thinning due to corrosion)

제 3 절 적외선의 원리

1. 적외선(Infrared Radiation) 가. 복사이론의 원류

적외선 복사이론은 Plank, Wien과 stefan - Boltzmann의 법칙의 표현관계가 있다.

19세기 중반에 물리학 향방의 주요 문제 중의 하나는 역시 복사스펙트럼에서 에너지 분산을 설명하는 것이었다. 공통된 경험은 물체표면색깔에 나타나는 Dark나 Light 색이 어떻게 열에 의존되어 흡수되었는지를 규명하는 것이었다. Gustav Kirchhof 는 모든 복사 에너지 흡수를 나타낸 흑체(blackbody)의 존재를 이론적으로 제안하여 1860년에 상태, 효과 등이 양호한 열적 흡수체는 또는 양호한 복사체라는 유명한 법칙을 소개하였다. Kirchhoff 법칙의 결과로서 흑체는 복사원에 대한 표준으로서 어떤 다른 열 복사원과 비교할 수 있는 결정적인 열 복사체이다 [15]. 1879년에 Josef Stefan은 흑체가 그 절대온도의 1/4 Power에 비례함으로써 복사된 전체 에너지의 양을 실험적으로 측정하여 종결지었으며 결론은 역시 1884년에 Ludwig Boltzmann에 의하여 이론적인 열역학적 관계로 도달하였다. 이 중요한 공식이후로 Stefan_Boltzmann법칙으로 알려져 오고 있다. 그 사이에 물리학자 Clark Maxwell 은 이론적으로 전자파의 존재를 예측하였으며(1865년), 그것이 광파의 동일함을 입증, Heinrich Hertz는 Maxwell의 예측을 확인하였으며 1887년 독일의 그의 실험 실에서 전자파를 소개하였고 그것이 광파와 같은 속도로 전파되는 것을 보여주었다.

적외선 복사의 기본법칙의 유도는 흑체 스펙트럼에서 복사 에너지 분산을 뒤로하고 복사법칙을 유도하여 만들었지만 일반적인 Valid Law의 유도는 결코 명쾌하지 못하 였다. Wilhelm Wien과 Lord Rayleigh의 물리학적 분류에 대한 결과는 측정결과와 일치되지 않음이 밝혀졌다. Max Planck는 최종적으로 그것이 고전적 접근으로부터 이탈되었다는 것을 확인하였다. 불연속의 주장, 다량의 복사 에너지 교환 등 실험 증거에 따라서 보정 이론을 선택적으로 유도하여 나타낸 것을 소개하였다. 1900년에 그는 최종적으로 복사법칙의 기원을 만들었으며 흑체로부터 복사 스펙트럼의 분산 을 정확하게 묘사하였다.

나. 열복사의 성질

열복사는 물체자신의 온도로 인하여 물체에 의하여 방사되는 복사에너지로 설명 된다. 복사의 다른 형태에는 예를 들면 X선, 감마선 등이 포함된다. X선은 고 진동 전자를 가진 금속의 충격으로 발생되며 감마선은 핵의 분열, 즉 방사성 붕괴로 발생한다. 그러나 복사에서의 방사와 전파의 실제 메커니즘은 완전히 알려져 있지는 않다. 복사는 때에 따라서는 Maxwell의 고전적인 전자기 이론에 따라 전파되는 전자 파로써 취급되기도 하고 Planck의 에너지 양자 개념으로부터 근거를 유도할 수 있는 광자로 취급되기도 한다. 이 두 가지 개념 모두가 매질에서의 복사의 방사와 전파 를 기술하는데 사용되어왔다. 예를 들면, 전자기이론으로부터 얻어진 결과가 재료의 복사성질을 예측하는데 이용된 반면, 양자이론으로부터의 결과는 온도로 인하여 물체에 의하여 방사되는 복사 에너지의 양을 예측하는데 유용하다. 열복사의 범위는 이론적으로 파장 0으로부터 무한대까지 확대되나 실용적인 목적으로의 열복사 에너지의 주요 부분은 1microns에서 100microns의 범위에 있다. 따라서, 전자파 스펙트럼 상에 이들이 열복사로 표시되어있다. 또한 가시부분은 0.4microns에서부터 0.7microns의 범위에 있다.

다. 적외선의 기본

오늘날 우리가 알고 있는 적외선은 가시광선보다 파장이 긴 전자기적 복사의 한 형태이며, 기타 전자기적 복사 파로는 X선, 감마선, 음파 등이 있다. 지구상에는 주파수가 다른 다수의 전자파가 존재하고 있는데 전자기파란 사람이 들을 수 있는 매우 낮은 주파수의 음파에서부터 시작하여 초음파 영역, 라디오, 텔레비전, 휴대 폰, 레이더에서 사용하는 라디오파 영역, 적외선 영역, 가시광선 영역, 자외선 영 역, X-선 영역, 그리고 우주선 영역 등의 매우 광범위한 영역을 지칭한다. 여기서 사람이 볼 수 있는 영역 가시광선 영역이며, 전체 전자기파의 영역에서는 매우 좁을 영역에 불과하다[16-17]. 이처럼 자연에 존재하는 대부분의 전자기파를 사람은 느낄 수 없는 것이다. 전자파는 인간에게 많은 도움을 주기도 하지만 전자파에 의한 공해도 부정할 수 없다.

전자파 공해로는 인체에 미치는 것과 전자기기에 영향을 주는 전자파, 잡음 등이 있다. 예로써, 전자파를 이용하는 전자레인지는 식품을 단 시간 내에 요리 할 수 있는 장점이 있으나 전자파가 누설됨으로써 인체에 나쁜 영향을 미치기 때문에 전자레인지 제조사들은 전자레인지의 전자파 누설대책을 실시하고 있다.

전자파는 전력에 이용하는 전력 주파수(power frequency), 통신에 이용하는 음파 (radio wave), X선 및 선의 방사선(radiation)등을 총칭하여 부르고 있다. 따라 서, 전자파의 응용범위는 대단히 광범위한 것을 알 수 있고 광이란 0.38 microns에 서 0.78 microns까지의 전자파인데 이것을 엄밀하게 가시광 이라 부르고 있다. 적 외선 복사는 빛의 복사와 같이 빛의 속도로 전달되고 초점에 모아 질 수 있으며 반사가 이루어지고 또한 굴절되기도 한다. 전자기적 복사는 파장(wavelength) 또는 주파수(frequency)에 의해 범위가 정해진다. 전자기 스펙트럼은 대역(band) 이라고 부르는 많은 파장의 영역으로 나눌 수 있다[18].

Fig. 2-4 Spectrum of an electronic wave

적외선 검출기 또는 장치들은 파장(wavelength)에 의하여 분류되며 단위는 microns 또는 μ를 사용한다. 보통 8 – 12 microns대역에서 복사되는 것을 “장파장 (long wave)”이라고 하고 3 – 5 microns대역에서 복사되는 것을 “단파장(short wave)”라고 한다. (3 – 5 microns의 파장 대역은 중대역(midband)이라고도 하는 데 이는 3 microns보다 짧은 파장을 검출하는 장치가 있기 때문이다.) 가시 부분 은 전자 스펙트럼 상에서 0.4 – 0.78 microns에 속하고 있다. 따라서 사람은 색을 볼 수 있는데 그것은 각각이 다른 파장을 분간 할 수 있기 때문이다. 그 이유는 가시광선 중에 적색의 선은 전자 스펙트럼 상의 650 nanometer(0.65 microns)에 있기 때문이다.

적외선 복사는 절대 영도(-273.16℃, -459.72℉)이상의 온도를 갖는 모든 물체 에서 나오게 되는데 이는 물체 내에 존재하는 실효 전하를 갖는 입자들의 속도의

변화에 의하여 필연적으로 발생된다. 어떤 물체가 뜨거워지게 되면 물체가 보유한 분자들의 활동이 증가하게 된다. 만일 이것이 매우 뜨거워지게 되면 분자들의 결합하는 힘은 떨어지게 되고 이러한 결과는 물체를 녹이게 한다. 물체의 온도가 올라가게 되면 적외선 복사는 더 많이 방출하게 되고 이것은 에너지로서 적외선 Camera에 의하여 검출된다. 따라서 Camera는 온도나 열을 보는 것이 아니라 단지 열복사를 검출 하는 것뿐이다.

영하 273 ℃ 이상의 모든 물체는 물질을 이루고 있는 단위인 원자들이 미소한 진동을 하고 있다. 이러한 원자들의 진동 에너지가 적외선 영역의 에너지와 동일 하기 때문에 모든 물체는 적외선이 나오는 것이다. 그리고 온도가 높으면 높을수 록 더 많은 양의 적외선이 발산하게 되는데 이러한 이유 때문에 적외선을 열선 (熱線)이라고도 부른다. 그러나 이러한 적외선도 너무 높은 온도에서는 인체에 오히려 해가된다. 그러나 모든 물체에서 동일한 적외선이 나오는 것은 아니다.

적외선 보다 잘 내놓는 물질이 있는가 하면 그렇지 못한 물질도 있다. 일반적으로 세라믹 계열인 벽돌, 진흙, 도자기, 황토 등에서는 많이 나오며. 금속물질인 금, 은, 구리, 철 등에서는 별로 나오지 않는다. 이것을 방사율(emissivity)이라 한다. 뒤에서 자세히 설명하겠지만 방사율은 0에서 1까지의 같은 값을 가지며, 금속 계통은 0.5 이하의 값을 가진다.

적외선과 온도와의 관계를 알려면 흑체의 적외선 방사현상을 이해해야 한다.

적외선 방사는 역사적으로 볼 때 1800년대 초 경 영국의 월리엄 허쉘(Wililam Herschel)경에 의해 태양광의 분광 시험 중 적색 부분보다 파장이 긴 부분이 있으 며, 인체에 온열효과를 가져오는 파장을 발견하였다. 이 물리 현상은 1900년대 초창기에 여러 물리학자들에 의해 연구되었으며, 그 후 적외선 파장 중 온도를 이용하려는 이론은 1890∼ 1900년초 플랭크(N.Plank)에 의해 흑체이론이 완성되어 적외선을 이용한 온도 측정이 가능하게 되었으며 Planck라는 과학자에 의해 체계 적으로 정립이 되었다. 흑체란 색깔이 검다는 것이 아니라 빛이 흑체 내부로 유입 되면 다시는 밖으로 나오지 않아 결국에 흑체 내부에서 완전히 흡수됨을 뜻하는 것이다. 이것을 다른 말로 풀이하면 흑체에 열을 가하면 이 열은 모두 흑체에 흡수되어 흡수된 열은 적외선이라는 형태로 손실 없이 나온다는 것을 뜻한다[16].

2. 적외선의 물리적 성질 [19]

물체가 완전 방사체(흑체)라면 이 물체가 방사하는 적외선의 각 스펙트럼의 강 도는 Plank의 식으로 다음 식 (2.1)과 같이 나타낼 수 있다.

_ _





여기서, _ : 분광 방사 발산도( ∙ ^{ }∙ ^{ })  : 방사되는 적외선 파장()

_ ^  × ^{ } ∙ ^{ } _    ∙  

 : 절대온도 ( )

 : 프랑크 상수 (=  × ^{ })  : 광속도 (=  × ^{ } ∙ ^{ } )  : 볼츠만 상수 (=  × ^{ } ∙ ^{ } )

흑체의 파장 와 분광방사발산도 Wein의 _와의 관계도에서 각 곡선의 정점을 이은 직선은 Wein의 변위 법칙으로 식 (2.2)와 같이 나타난다.

   (2.2)

여기서,  : 정수 (=   )

흑체의 단위면적에서 방출되는 적외선의 에너지량 는 _를 전체 파장에 대해 적분하여 구할 수 있으며, 스테판 볼쯔만 법칙에 의해 식 (2.3)과 같이 나타낼 수 있다.

  ^ (2.3)

여기서,  : 흑체 단위면적에서 방출되는 적외선 에너지의 양 ( ∙ ^{ })  : 스테판 ∙ 볼츠만 상수 = ^^^^ =  × ^{ }∙ ^∙ 

일반적인 물체의 경우 적외선방사는 물체의 종류 및 표면 상태에 따라 방사율이

이 다르다. 흑체의 방사율은 1이며 일반적인 물체에 있어서는 0과 1사이에 있고, 콘크리트, 유리, 대리석의 방사율은 약 0.95정도이다. 따라서 일반적인 물체의 온도와 방출하는 적외선 에너지의 관계는 다음 식 (2.4)과 같이 나타낼 수 있다.

 ^     (2.4)

이 적외선의 에너지량 를 측정 장치에 의해 전기신호로 변환하여 위 식에 따라 연산 처리하여 물체의 온도를 농도 혹은 색에 의한 화상으로 표시하는 것이 적 외선 카메라이다. 물체에 도입된 적외선은 흡수율을 , 반사율을 , 투과율을 로 하면 에너지보존의 법칙에 따라 다음 식 (2.5)와 같이 표현 할 수 있다.

      (2.5)

키르히호프의 법칙에 따르면 물체의 방사선 흡수력과 방사능력의 비는 일정하므로

   이 되며, 콘크리트는 불투명체이므로  이 되어 식 (2.5)는 다음 식 (2.6)과 같이 나타낼 수 있다.

     (2.6)

여기에서 적외선을 잘 반사하는 물체는 적외선 방사가 적게 되고 반대로 적외선 을 잘 흡수하는 물체는 적외선을 잘 방출한다는 의미도 된다.

3. 적외선의 구분

적외선은 에너지 전달형태의 일종으로 파장 범위가 약 0.8 ~ 1000㎛의 파장을 갖는 전자파의 일종이다. 적외선 파장으로 보면 매우 넓은 영역을 차치하기 때문에 몇 개의 영역으로 나누어서 설명하고 있다. 적외선 파장 중 온도를 이용하려는 이론은 1890 ~ 1900년초 플랭크(N. Plank)에 의해 흑체이론이 완성되어 적외선을 이용한 온도 측정이 가능하게 되었다. 적외선은 가시광선(visible wave)보다 파장 이 길고 마이크로 광선(micro wave)보다 짧은 보통 0.8 ~ 1000㎛ 파장 대역의 전자파를 말하여, 국제전기표준회(IEC)의 용어집에 의하면 적외선은 다음과 같이 분류 하였다,

Table 2-1 IBC of standard(IEC usage Sect 841)

명칭 구분 파장구분

Short Wave Infrared Radiation(근 적외선) 약 0.8 ㎛ ∼ 2 ㎛ Medium Wave Infrared Radiation(중간 적외선) 약 2 ㎛ ∼ 4 ㎛ Long Wave Infrared Radiation(원 적외선) 약 4 ㎛ ∼ 1000 ㎛

가. Short Wave Infrared radiation(근 적외선)

적외선 중 가시광선에 가장 근접한 파장 범위를 적외선이라 하며 가시광선에 근접하기 때문에 광전 수전기(빛 검출기)로 검지할 수 있는 범위의 적외선 방사를 말한다. 파장 범위는 0.8㎛ ∼ 2㎛이며 인체의 피부에 대하여 가장 깊게 투과하기 때문에 인체에 온열 효과를 느끼게 하는 파장 영역이다.

나. Medium Wave Infrared radiation(중간 적외선)

적외선 Wave중 중간 범위의 영역으로 파장 대역은 2㎛ ∼ 4㎛의 범위의 영역으로 방사체는 공기 중에서 직접 가열하는 방식의 적외선 방사에너지는 이 파장 대역을 주로 방사하는 것이 많다.

다. Long Wave Infrared radiation(원 적외선)

적외선 파장 중 Microwave와 가장 근접한 파장이며 파장 대역은 4㎛ ∼ 1000㎛

이며 주로 고분자 재료의 가열이나 유기 용체의 건조에 이용되는 파장이다.

Long wave 한계에 있는 파장 1000㎛는 Micro 파의발생 장치나 Microwave 검출장치 의 단파장 한계가 대부분 비슷하다.

적외선을 여러 가지 영역으로 나누는 이유가 있다. 적외선 전자(electron)와 같이 파동이면서 입자인 성격을 가지고 있기 때문에, 물체에서 나온 어떤 영역의 적외선은 공기 중의 입자와 충동하거나 흡수된다. MWIR은 온도가 500K에 해당하는 적외선이 최대로 나오는 파장 영역이며, LWIR은 300K에 해당하는 적외선이 최대로 나오는 영역이다. 우리 생활과 밀접히 관련된 파장 영역은 바로 LWIR이며 민수용 으로 많이 응용되고 있으며, MWIR은 비행기나 미사일의 연기에서 나오는 온도와 일 치하기 때문에 군수용으로 사용되고 있다. SWIR 영역은 광통신에 응용되고 있다.

4. 적외선의 특징

가. 적외선 가열(Infrared Heating)

적외선은 전자파의 형태로 에너지를 전달시킬 때 중간에 전달을 위한 물체를 필요로 하지 않기 때문에 에너지를 전달하는 과정에서는 열 손실이 없다. 이와 같이 열의 이동이 직접적이고 손실이 없기 때문에 피사체를 가열시키는데 여러 가지 차이점이 있으며 적외선으로 통상 물체의 가열은 그 물체의 표면에만 적용하는 단점 이 있다. 즉 적외선 가열은 넓은 표면적의 얇은 물체를 가열하는 것이 적당하다.

나. 열방사(Thermal radiation)

물질을 구성하는 입자(원자, 분자, 이온)의 집단이 열에 의해 여기될 때 그 결과 전파를 방출하는 현상이다. 이 현상은 고온일수록 현저하며 상온 및 저온에서도 물체가 절대온도(°K)이상의 온도에서는 반드시 일어나며, 또한 태양등 천체로부터 방사는 대부분이 열방사이다.

다. 완전 방사체(Full radiatior)

물체에 입사하는 방사의 파장, 입사하는 방향, 편광등에 관계없이 입사된 방사를 전부 흡수하는 물체를 말한다. 또한 어떤 온도의 전파장 영역에 있어서 최대 열 방사를 하는 방사체를 흑체(blackbody) 및 플랭크(Plank)방사체라고 한다.

하지만 현실적으로 완전흑체는 존재하지 않으며 다만 이 상태에 근접하는 방사체 를 보통 흑체라 하여 완전 방사체로 규정하고 있다.

5. 방사율

가. 적외선의 흡수율(방사율)

어떤 물체에 적외선이 입사하게 되면 물체의 종류, 표면 상태에 따라 반사, 흡수, 투과되는 성분이 서로 상이한 경우가 있다. 여기서 흡수되는 적외선을  (흡수율, 방사율) 투과하는 적외선 (투과율). 반사되는 적외선을 (반사율)라고 하면 물체에 입사되는 적외선 성분은         ≤  로 나타낼 수 있다. 물체가 적외선을 투과하지 않을 때는  = 0이 되고      에서 반사율()을 알면 흡수율 을 알 수 있다. 즉 방사율이 높을수록 반사율은 적게 된다. 또한 흡수율이 좋은 것은 방사체라 할 수 있다[17]. 입사에너지 = 반사에너지 + 흡수에너지 + 투과에너지 로 나타낼 수 있으며 실제 물체의 경우 0 ≤ 방사율() ≤ 1 의 범위의 방사율을 가진다. 키르히호프의 법칙(Kirchhoff’s law)에서는 물체의 흡수된 복사()는 방사된 복사( )와 같아야 한다고 하였다[20]. 하지만 실제는 흡수된 복사()는 방사된 복사()는 같지 않다.

복사가 없는 경우에는 흡수나 투과가 없어        이 되며, 결과적으로 반사된 복사는 입사된 복사와 같아진다. 또한, 방사 복사가 없고 투과 복사도 없다고 가정해보면        이 되며 결과적으로    이 된다. 즉, 입사 복사의 100%를 흡수한다는 것이다. 이것을 일컬어 완전 흑체라고 부른다.

방사율이 높고, 투과율 및 반사율이 낮아야 적외선 온도계의 측정값이 정확하다.

즉, 방사율이 높으면 방열량이 높고 방해요인이 낮아지는 원리임.(즉, 전도도가 낮은 물질/표면이 거친 물질에서 유리) 탄소, 고무, 검정페인트는 방사율이 높고 온도 측정시 정밀하고 알루미늄, 은 등은 방사율이 낮고 온도측정이 어렵다. 이러한 금속물질의 방사율이 낮아 측정이 어려운 물질은 흑체에 가까운 무광택 스프레이 ( = 0.95) 도포를 통하여 방해요인을 줄일 수 있다.

Fig. 2-5 Principle of an emissivity of the applied object

Fig. 2-5에서처럼 100℃의 물체를 적외선 Camera를 통해서 볼 때 100℃로 나타 나지 않은 것은 물체의 방사율() 이 있기 때문이다. 방사율이 적게 되면 주위 온도에 근접하게 되고  = 1의 경우는 주위 온도 영향을 거의 받기 때문에 입사 에너지가 분산되어 물체의 온도는 주위 온도와 같게 된다.

나. 방사율이란

물질을 구성하는 모든 입자는 절대온도(273Κ) 이상에서 복사에너지를 방출하게 되며 이 현상은 고온일수록 커지게 된다. 또한 공간을 가지고 서로 대항하고 물체 간에는 각 물체에서 발생시키는 복사에너지를 주고받게 되는데 상대 물체가 발생 시키는 복사에너지를 얼마만큼 흡수할 수 있는 가를 나타내는 지표가 방사율( = emissivity)이다. 한 물체가 외부 광 에너지를 흡수한 후의 방사율은 표면으로부터 방출된 복사에너지의 효율을 측정하는 것이다. 물체의 복사적 성질들은 완전 방사 체인 흑체에 대해 상대적으로 기술할 수 있다. 흑체로부터 방사된 에너지는 _이고 이상적인 흑체 방사체는 실제 존재하지 않으며 실제 물체가 방사하는 에너지는

_이면, 같은 온도의 물체와 흑체면과의 방사도의 비율 은 식 (2.7)으로 나타 난다[21].

  _

_

(2.7)

여기서,  = 1일 물체를 흑체라고 한다. 적외선 방사와 온도와의 관계는 플랭크

(Plank)법칙에서 정립된 바와 같다. 이 법칙은 흑체방사에서 가능하며, 일반적인 물체들 즉 철, 동, 청동 스텐, 애자 등 전기기기를 구성하고 있는 주요 물체들에 대한 적외선 방사는 그 물체의 종류와 표면 상태 및 복사에너지의 파장에 따라 달라진다.

Fig. 2-6 Radiation energy of object

물체의 복사 성질들이 더 나으면 방사율도 높아진다. 방사율()값이란 물체가 외부 적외선 에너지를 흡수, 투과 및 반사하는 비율을 말하며, 이론적으로 외부에 너지를 흡수만 하고 반사하지 않는 물체를 "Blackbody"라 하며, 이때의 방사율() 값은 "1"로 규정된다. 그러나 일반적인 물체들은 표면상태(광택, 거칠기, 산화 등)에 따라서 흡수, 반사하는 에너지량이 변화한다. 즉, 흡수하고 반사하는 에너 지 비율이 "Blackbody"를 기준으로 할 때 실제로 "1"보다 작은 값을 갖게 된다.

다. 주변 온도와 물체의 표면 온도와의 관계

표면온도가 _(℃)인 어떤 물체가 방사하는 에너지를 주위 온도(_)의 보정이 없는 적외선 Camera로 촬영을 하였을 경우, 측정된 방사에너지는 물체 표면온도 (_)이 방사하는 실제 에너지와 차이를 보이게 된다. 이는 그 물체의 방사율()에 따라 주위 온도의 영향을 받기 때문이다. 방사율( )이 0에 가까워질수록 주위 온도(_)에 근접하게 되고, 방사율()이 1에 가까워질수록 주위 온도의 영향을 작게 받아 물체 고유의 표면온도(_)가 방사하는 에너지를 나타내게 된다. 즉, 표면온도가 주변온도 보다 높은 경우의 적외선 Camera에 감지되는 방사에너지는 실제 물체 표면의 방사에너지 보다 낮게 측정되며 표면온도가 주변온도 보다 낮은 경우의 적외선 Camera에 감지되는 방사에너지는 실제 물체표면의 방사에너지보다 높은 값을 보이게 된다. 따라서 상용화된 대부분의 적외선 Camera는 주위 온도의 영향을 입력된 방사율에 의하여 보정하는 방법으로 측정 대상 물체 표면의 방사에 너지를 구하는 방법을 취하고 있다.

제 4 절 위상잠금 기법(Lock-in IRT)

적외선 열화상 기술에는 기본적인 Pulse 적외선 열화상 기술과 Lock-in 적외선 열화상 기술, Pulse-phase 적외선 열화상 기술이 있다. Pulse 적외선 열화상 기술은 적외선 열화상 테크닉에 있어서 가장 보편적인 열자극 방법 중 하나로 짧은 열자극 펄스에 의한 시험의 신속성 때문이며 짧은 순간의 열 자극은 사용이 편리한 heating sources를 이용하여 평판에 직접 주사하는 방법을 취한다. 더욱이 신속한 열 자극은 재료의 손상을 방지한다. 기본적으로 Pulse기술은 시편에 순간의 열 자극을 주고, 이때의 온도 변화를 기록하는 것이며 온도 변화는 금속의 내부로 전파의 산란으로 인하여 매우 빨리 변화한다. 이때 시편 결함검출에 있어서 깊이에 따라 표면 온도를 관찰시 주위의 온도가 달리 나올 것이다. 깊은 결함일수록 명암의 대비가 검출하기 수월해진다. Fig. 2-7는 적외선 열화상기술 중 Pulse technique을 나타내고 있다.

Fig. 2-7 Infrared thermography (Pulse technique)

기존의 열화상 기술은 표면 근처의 내부 결함만이 검출 가능한 단점이 있으며, 물체의 표면 방사율이 불균일할 경우 검사 결과에 영향을 주었다. 이러한 문제점 은 위상 잠금(Lock-in)기술을 적용하면서 많이 개선되었다[20]. 이러한 Lock-in 적외선 열화상 기술은 모듈레이터 Lamp의 레이저 공학에서 기초되었고 측정 대상 체에 저주파의 Thermal wave를 동시에 주사하여 IR 장비로 측정을 하는 원리이다.

또한 IR 장비 검출기로 주사된 물체에 대해서 수많은 점 중에서 단지 1개에 대해 서만 모니터링이 가능하다는 점이다.

Fig. 2-8 Infrared thermography (Lock-in technique)

Fig. 2-8는 적외선 열화상기술 중 Lock-in technique을 나타내고 있다. 위상 잠금 (Lock-in phase) 적외선 열화상 기법은 적외선 열원을 조화함수로 하여 대상체에 입사하고 이때 응답신호를 처리하여 위상, 진폭 등의 변화를 구하는 방법이다.

일반적으로 결함의 종류에 따라 조화함수로 제어가 용이한 광(optical), 초음파(ul trasound), 진동(vibration), 와전류(eddy current)등이 자극원(에너지원)으로 사용 된다. 본 논문에서는 자극원을 광을 이용한 광 적외선 열화상 기법을 이용하였다.

이 기술들은 식 (2.8)와 같은 고체 내의 1차원 열전도 방정식에서 자극원을 Halogen Lamp로 대상체에 조화함수(  _  )로 가진 및 가열을 하고 이때 대상체로 침투한 열원의 변화를 관찰하여 결함 검출을 하게 된다[22].



  _

_

^

^ (2.8)

여기에서 는 온도, 는 시간, _는 열전도 계수, 는 밀도, _는 비열이다.

조화함수는 가열된 식 (2.8)의 해는 식 (2.9)와 같이 나타낼 수 있다.

  _^{  }    

 _^{  }       

(2.9)

여기에서 침투깊이  



 , 열확산계수   _

 이다. 식 (2.9)의 실수부만을

고려하면 식 (2.10)과 같이 쓸 수 있다.

  _^{ }    (2.10)

식 (2.10)은 _ 로 고체를 가열할 때, 깊이 에 따라 위상지연이 로 일어난 다는 것을 알 수 있다. 입사되는 자극원의 주파수가 증가함에 따라 침투깊이 가 작아지며, 표면에서 근접한 정보만을 얻게 된다. 또한 낮은 주파수에서는 침투 깊이가 증가하여 깊은 곳의 정보를 검출할 수 있게 된다.

위상 잠금 기법에서는 식 (2.10)에서는 검사 결과로서 위상을 추출함으로서 결함 검출능을 향상 시킬 수 있다. 시간평균으로 구성된 열적 분해능을 개선하고 Least mean square 방법과 단일 조건 퓨리에 급수와 유사한 방법으로 Load frequency와 동기화 되어지지 않게 Frame rate를 선택하여 신호 대 잡음비를 개선한다.

  _{  }



식 (2.11)에서  = 계수, _ = 가중치(위상, 진폭, RMS 값, Peak to Peak 값)을 나타낸다. 이 기법은 Fig. 2-11 과 같다[23].

Fig. 2-9에서 위상을 추출하기 위해 자극원 (a)와 적외선 검출소자 (b)를 동기화 하여 제어함으로서 자극원의 주기 간격으로 연속하는 적외선 검출신호 (c)

_, _, _, _ 를 측정할 수 있다. 연속하는 신호 _, _, _, _ 는 식 (8)과 같이 나타낼 수 있으며, 4개의 방정식으로부터 식 (9)와 식 (10)를 사용하여 특정 화소()에서 식 (6)의 온도변조에 대한 위상()과 진폭()을 구할 수 있게 된다[24].

Fig. 2-9 Signal processing of Lock-in infrared thermography

_ _^{  }   

_ _^{ }     

_ _^{ }     

_ _^{  }      (2-11)

    ^{ }



__



   _^{  }





위의 방정식으로 (_과 _) 및 (_과 _)사이의 차이를 계산하여 불균일한 광 열원(optical heat)의 조사, 표면 방사율(emissivity) 그리고 잡음 영향 제거가 가능하다[25].

제 3 장 실험장치 및 구성

제 1 절 측정시스템

광 적외선 열화상 실험 장치는 열화상의 이미지를 취득하는 적외선 열화상 검출기 (IR detector)로 Fig. 3-1과 같은 프랑스 Cedip 사의 상용제품 Silver 480M 모델을 사용하였으며, 배관 시편 표면에 광원을 주는 Halogen Lamp, Halogen Lamp를 조절 하는 전원제어장치(power control), Halogen Lamp와 적외선 열화상 검출기의 주파수 를 동기화 시켜주는 함수발생기(function generator) 및 적외선 열화상 검출기를 제어하는 컴퓨터(control PC)로 Fig. 3-2와 같이 구성한다.

Fig. 3-1 Infrared thermography system

Fig. 3-2 Schematic of Experiment system

또한 이와 같은 장치 구성이 위상 잠금 기법(Lock-in method)을 적용하기 위한 장치 구성이다. Table 3-1은 적외선열화상 장비에 대한 제원을 나타내었다,

Table 3-1 Specification of infrared thermography system 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@25도 (20mK typical) Temperature measure range -15~2000도

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

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

제 2 절 실험방법

1. 결함 시편에 대한 적외선 열화상 실험

일반적으로 적외선 열화상 기법을 적용한 결함 검출에는 2가지 방법을 고려해 볼 수 있다. 전자는 결함을 포함한 대상체가 자체 발열하는 경우이며, 결함부에서 온도 차이에 의한 복사에너지 차이를 직접 측정하거나 대상체를 강제로 냉각하여 결함부와 건전부의 온도 차이를 유도하여 복사에너지 차이를 측정하여 결함을 검출하는 방법이 있다. 후자는 결함을 포함한 대상체가 자체 발열하지 않는 경우 에는 외부에서 열적으로 자극을 줌으로써 대상체가 가열되는 동안 결함부와 건전 부에서 온도 편차를 유도하고, 이에 따른 복사에너지 차이를 측정하는 방법이다.

여기서는 상온 상태의 배관을 외부에서 열적으로 자극하여 검사하는 경우를 고려 하였다. 따라서, 본 실험에서는 Halogen Lamp를 이용하여 시편을 외부에서 가열하는 방법을 적용하였다. 본 실험에서 이용되는 모든 시편은 자체 발열하지 않는 대상체 이므로 외부에서 열적 자극을 가하는 방법인 광 적외선 열화상 기술을 적용하였으 며, 최대 용량이 1kW인 Halogen Lamp 2개를 이용하여 시편을 가열하였다. 또한, 결함 검출에 Lock-in 적외선법을 적용할 경우 결함에 의한 단열온도장을 검출할 수 있도록 Lamp 가열의 점멸(움직임) 등으로 피 측정물에서 면외방향의 변동하는 열류 를 형성시킨다. 결함 가공면에서 Halogen Lamp의 깜빡임에 의한 주기변동 열부하를 가한 경우 가열면과 동일한 표면 위에서 나타나는 주기변동 온도장을 Lock-in

계측하였다. 실험에 앞서 시편 표면에 방사페인트 (KRYLON 1602 Ultra Flat Black) 를 도포하여 모든 시편에서 표면 방사율이 0.95가 되도록 빛의 반사를 최소화하였 다. 실험이 진행되는 동안 실험 장치 주변의 온도(23±0.5^oC)와 습도가 일정한 값을 유지하도록 하였다. 본 실험의 목적이 배관에서 감육 결함을 검출하기 위한 적외선 열화상 시험 조건을 결정하는 것이므로, 여기서는 시편과 Lamp 및 IR Camera의 거리와 Lamp의 세기(조사율)를 변수로 실험을 수행하였다. 시편의 종류에 관계없이 시편과 Lamp 및 IR Camera의 거리는 각각 1m, 2m, 3m를 고려하였으며, Halogen Lamp의 세기는 전격 용량(1kW)의 60, 70, 80%로 설정하여 실험을 수행하였다.

2.5-inch 직관 시편의 경우에는 Fig. 3-3에 나타낸 것과 같이 S3-1 시편은 길이가 700mm로 직경에 비해 상당히 길다. 따라서, 시편을 길이 방향으로 2 구간을 나누어 결함을 검출하였다. 또한, 위상 잠금 기법을 이용하여 열원과 검출소자를 동기화 시 켜 주파수(50mHz)를 주어 2주기의 시간만큼 위상이미지(phase map)를 신호처리를 통하여 결함검출을 행하였다.

Fig. 3-3 Configuration of Experiment system

제 3 절 시험편

1. 배관 감육 결함의 특징 및 시편용 재료 선정

감육 결함은 국부적으로 기기의 벽 두께가 기준치 이하로 얇아져 있는 것으로 Fig. 3-4에 나타낸 것과 같이 균열성 면상 결함과 달리 길이, 깊이, 그리고 폭을 갖는 3차원 형상의 결함이다. 감육 결함은 배관을 포함한 다양한 유체 기기들에서 발견되고 있으며, 운전 환경에 따라 결함의 발생 원인이 다양하다. 이들 원인 중 배관에서 발생되는 감육 결함은 대부분 유동가속부식 (FAC, flow accelerated corrosion)에 의해 발생되는 것으로 알려져 있다. 즉, 유체유동에 의해 국부적으로 부식이 촉진되어 배관의 두께가 얇아지는 것이다. 따라서, 배관 감육 결함은 부식에 취약한 탄소강 배관에서 주로 발생된다.

Fig. 3-4 Comparison of planar defect and wall thinning effect in pipe

배관 계통에서 감육 결함의 발생 위치는 일반적으로 곡관, 연결관 인접부, 오리 피스나 밸브 후단 등 난류유동이 심한 부위에서 발생하는 것으로 알려져 있으나, 동일한 형태의 배관에서도 구체적인 결함 위치는 배관 내부의 유동 특성에 따라 다른 것으로 알려져 있다. 배관에서 감육 결함의 형상은 설계코드에서 요구하는 배관의 최소 설계요구두께 이하인 영역의 길이, 폭, 깊이로 정의되는데, 감육 결함의 형상 역시 배관 내부의 유동 특성에 따라 매우 다양한 양상을 보인다.

결함의 길이와 폭이 배관 직경의 수배에 이러는 경우도 있고, 노치와 같이 매우 짧고 좁은 형상을 갖기도 한다. 따라서, 특정한 형상으로는 배관에서 발생하는 감육 결함의 형상을 대표할 수 없으며, 결함 시편을 제작할 때 다양한 형상을 고려 하여야 할 것이다. 배관 계통에 많이 적용되는 재질은 탄소강 계열이며, 본 논문 에서는 ASTM A106 Gr.B를 선정하여 배관 시편으로 제작하였다.

Table 3-2은 ASTM A106 Gr.B 탄소강에 대한 재료 사양을 정리한 것이다.

화학

조성 C Mn P S Si Cr Cu Mo Ni V

함량(%) 0.30 이하

0.29

∼1.06

0.035 이하

0.035 이하

0.10 이하

0.40 이하

0.40 이하

0.15 이하

0.40 이하

0.08 이하 인장강도 (MPa) 415 이상

항복강도 (MPa) 240 이상

Table 3-2 Material property of ASTM A106 Gr.B

2. 배관 결함시편 제작

본 논문에서는 적외선 열화상 기법을 적용한 결함 검출 시험에 사용될 배관 시편 을 외경이 4-inch와 2.5-inch인 직관을 고려하여 설계하였다. 배관 시편에 대한 상세한 설계·제작 사항은 아래와 같다.

가. 4-inch 직관 결함시편

4-inch 직관 시편은 4-inch, Sch.80인 ASTM A106 Gr.B 탄소강 배관으로 설계·

제작되었다. 일반적으로 상용 배관은 공칭 직경과 두께가 일정할지라도 실제 직경과 두께는 일정하지 않고 위치에 따라 약간씩 차이를 보인다. 따라서, 시편의 형상과 결함의 형상을 정확하게 가공하기 위해서 직관의 내·외부를 먼저 기계 가공하여 일정한 두께와 직경을 확보한 후 내면에 결함을 가공하였다. 내·외부 가공이 완료된 후 직관의 외경(_)과 두께()는 각각 113.0mm와 7.5mm이고 길이는 500mm가 되었다. 직관 내면에 결함을 가공하기 위해서 직관을 길이 방향으로 절단한 후 배관의 양쪽 내면에 결함을 가공하고 다시 축 방향으로 용접하여 시편 내부에 다양한 결함을 가공한 총 5개의 4-inch 직관 시편을 제작하였다. 또한, Fig. 3-5와 같이 시편의 양쪽 끝단에 플랜지를 연결하여 실험 시 시편의 거치가 용이하도록 제작하였다. Table 3-3은 각 시편에 포함된 결함의 형상을 정리한 것이다.