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수박을 손으로 두드려 잘 익었는지를 알아보는 일에서 출발한 비파괴검사는 초음파현미경 컴퓨터 단층촬영등 첨단공학의 필수 기술로 발전하고 있다.

기차가 역에 도착하면 작은 망치를 든 역원이 기차 바퀴부분을 두드리고 다니는 것을 보았을 것이다. 병원에서는 의사가 청진기로 환자의 몸속에서 나는 소리를 들으면서 진찰하는 모습도 보았을 것이다. 한여름 과일가게에 쌓여있는 수박을 고를 때 손으로 두드리며 소리를 들어 잘 익은 수박을 고르기도 한다. 이러한 일들은 검사할 대상을 손상시키지 않고 내부의 상태를 알아보려는 방법의 몇 가지 예이다.

비파괴 검사(Nondestructive Testing,NDT)는 검사대상체를 파괴하거나 손상시키지 않고 재료나 구조물내에 존재하는 결함을 탐지하거나, 재료의 특성과 관련된 경도 화학조성 미세구조 등을 알아내는 방법을 가리킨다.

어떤 재료나 부품의 강도를 가장 잘 확실하게 검사하는 방법은 그 재료나 부품이 실제로 사용될 조건에서 파괴가 일어날 때 까지 사용해 보는 것이다. 그러나 이 경우 검사가 완료된 부품은 이미 부품이 아닌 폐품이 되고만다.

비행기의 동체나 날개 등에 쓰이는 일차 구조재료는 비행기의 안전에 가장 중요한 부분이기 때문에 일일이 검사를 받지 않으면 안된다. 이 경우 모든 부품을 파괴하여 검사하는 것은 아무런 의미가 없다. 그러므로 검사대상을 손상시키지 않고 사용에 적합한지를 알 수 있는 비파괴 검사방법이 필요하게 되었다.

에너지를 이용한 70여가지 방법

비파괴 검사는 우리의 안전을 지켜주는 숨은 공로자라 할 수 있다. 원자력발전설비 자동차 비행기 높은 건축물 교량 등 우리의 안전과 관련있는 것 치고 비파괴 검사를 필요로 하지 않는 것은 없다. 우리는 결함과 함께 살고 있다. 모든 재료에는 크건 작건 결함이 존재하고 있다. 어떤 결함은 아주 작아 전혀 문제가 되지 않지만 어떤 결함은 사용중 서서히 자라서 어느 순간 갑자기 파괴가 일어나게 될 수도 있다. 때로는 사용조건이 바뀜에 따라 이전에는 문제가 되지 않던 결함이 새로운 사용조건에서는 위험하게 되는 수도 있다.

우리가 타고 있는 비행기의 날개 어딘가에 이렇게 위험한 결함이 있다고 상상해 보라.

또한 원자력발전소의 핵반응로 벽에 이러한 결함이 성장하고 있는 것을 알지 못한다고 생각해보라.

이러한 위험을 미연에 방지하여 막대한 인명과 재산의 피해를 막기 위해서는 비파괴 검사가 필수적이다. 마치 우리가 건강을 지키기 위해 건강진단을 받고 진찰을 받는 것과 같다.

그렇다면 실제로 어떠한 방법을 이용하고 있는지를 알아 보기로 하자. 가장 초보적인 방법은 우리의 오관을 이용하는 것이다. 즉 눈으로 관찰하고 두드려보고 소리를 듣는 등의 방법이라 할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 부정확할뿐만 아니라 검사할 수 있는 대상도 극히 제한되기 때문에 우리의 감각보다 더 잘 보고 더 잘 들을 수 있는 방법이 필요하게 되었다. 즉 다양한 형태의 에너지를 검사대상체에 보내어 그 안에 존재하는 결함이나 특성의 차이에 의해 변화된 신호를 우리의 감각을 대신하는 고감도센서를 이용하여 감지하는 방식을 사용하고 있다.

비파괴 검사에 사용되는 기술은 대단히 다양하다. 미국 항공우주국(NASA)에서 분류한 비파괴 검사 기술은 70여 가지를 넘고 있다. 크게 나누어 보면 광학적 방법, 음향 및 탄성파 방법, 전자기적 방법, 투과방사선 방법, 열적 방법 등이 있다. 여기에서는 그 중 중요한 몇 가지 방법의 원리와 응용을 소개하고 새로운 기술을 간단히 소개한다.

■초음파/인간이 들을 수 없는 소리

비파괴 검사 방법중 가장 많이 쓰이는 방법은 초음파를 이용하는 검사법이다. 초음파는 인간이 들을 수 없는 소리이다. 소리는 입자들이 기계적인 진동을 할 때 발생된다.

기계적인 진동이 공기에 전달되고 공기입자가 그 에너지를 우리 고막에 전달할 때 듣게 된다. 그러나 인간은 진동의 주파수가 대략 매초 20번(20Hz)이상 2만번(KHz)이하 일 때만 들을 수 있다. 우리가 들을 수 있는 주파수(가청주파수)이상의 기계적진동을 초음파(ultrasonic wave)라고 한다. 그러므로 초음파는 우리가 듣지 못할뿐 본질적으로 소리와 같은 성질을 지니고 있다.

산에 올라 소리를 지르면 저 멀리 있는 산봉우리들에서 반사되어 돌아오는 메아리를 들을 수 있다. 공기 중에서 소리의 전파속도(대략 매초 3백40m)를 아는 사람은 메아리가 들릴 때 까지의 시간을 재어 소리가 반사된 봉우리까지의 거리를 추정할 수 있을 것이다. 만일 봉우리가 여러개 있게되면 몇 개의 메아리가 시간차이를 두고 들리는 것을 경험할 수 있다. 초음파를 이용하는 비파괴 검사도 이와 똑같은 원리를 이용할 수 있다. 즉 검사하고자 하는 대상물에 초음파를 보내고 반사되는 신호를 수신해보면 검사체 내에 결함이 존재할 때에는 그 곳에서 반사된 신호가 먼저 도착하게 되어 결함이 존재하는 위치를 알 수 있게 된다. 그런데 실제로 어떠한 크기의 결함을 효과적으로 찾아내기 위해서는 사용하는 초음파의 파장이 그 결함의 크기와 비슷하거나 더 짧아야만 한다. 그러므로 작은 결함을 찾아야만 하는 비파괴 검사에서는 파장이 음파보다 훨씬 짧은(1/100이하), 즉 주파수가 음파의 1백배 이상인 수 MHz(${10}^{6}$Hz) 이상의 초음파를 사용하게 된다. 검출할 결함의 크기가 작아질수록 더욱 높은 주파수의 초음파를 사용해야만 한다.

초음파를 비파괴 검사에 사용할 수 있게된 것은 1940년대초 미국 미시간 대학의 '파이어스톤'(Fred Firestone)이 펄스 형태의 초음파를 이용하여 결함의 깊이와 상대적인 크기를 탐지할 수 있는 장치를 개발한 후부터 이다.

초음파 검사에서 대단히 중요한 부분은 초음파를 발생시키고 수신하는 초음파 탐촉자이다. 현재 가장 널리 쓰이는 초음파 탐촉자는 압전재료를 사용하여 만들고 있는데 1960년대 미국에서 개발된 PZT(Pb(Zr,Ti)O₃)세라믹이 가장 많이 쓰이고 있으며 최근에는 PVDF등과 같은 압전 폴리머도 많이 활용되고 있다.

병원에서 사용하는 초음파 진단장치도 비파괴 검사에 사용하는 초음파방법과 동일한 원리를 이용하고 있다. 병원에서 초음파 검사를 받아본 사람이면 검사 부위에 미끌미끌한 액체를 칠하는 것을 경험하였을 것이다. 이것은 초음파를 발생시키고 수신하는 탐촉자와 검사 부위가 잘 접촉되어 초음파의 전달이 잘 되도록 하기위해 사용하는 접촉액이다. 비파괴 검사에 사용되는 높은 주파수의 초음파는 공기중에서는 전파되지 못하기 때문에 이러한 방식으로 탐촉자와 검사체가 직접 접촉해야만 한다. 때로는 검사체를 물 속에 담근채로 검사하기도 하는데 물속에서는 초음파의 전달이 용이하기 때문이다.

최근에는 이러한 접촉식 검사방법의 불편함을 해결하기 위해 비접촉식 초음파 검사방법이 개발되어, 활용을 위한 연구가 진행 중이다. 그 중 한가지는 전자기음파탐촉자(Electro-Magnetic Acoustic Transducer,EMAT)로 전자기장을 이용하여 도체내의 원자들이 대단히 빠르게 진동하도록 하여, 초음파를 발생시키는 원리를 이용하고 있다. 전자기장은 빈 공간을 통해서도 전달이 되므로 검사 대상체가 도체이기만 하면 탐촉자를 직접 접촉시키지 않아도 검사체내에 초음파를 발생시킬 수 있기 때문에 뜨거운 금속의 비파괴 검사 등에 활용이 가능하다.

또 다른 하나는 레이저를 이용하는 기술이다. 레이저를 사용하여 초음파를 발생시키고 감지할 수 있으면 검사체로부터 수미터 떨어진 곳에서도 비파괴검사를 할 수 있게 되어 극한 환경 속에서도 비파괴 검사가 가능하다. 초음파 발생을 위해서는 고출력(10J정도)의 네오디뮴·야그(Nd·YAG) 레이저를 사용하여 검사체 표면의 작은 부위를 극히 짧은 시간동안(대략 1천억분의 1초) 가열한다. 이러한 가열로 작은 부위가 급격히 팽창하면서 초음파영역의 충격파를 발생시켜 검사체내로 전달하게 되는데 1억분의 1초정도의 간격으로 가열을 반복하게 된다.

레이저에 의한 초음파의 검출은 레이저 간섭계를 이용한다. 초음파가 시편의 표면에 도달하면 표면 부분이 미세하게 진동을 하게 된다. 이 면에서 반사된 레이저빛과 진동이 없는 기준면에서 반사된 레이저빛 사이에 간섭이 일어나면 이로부터 표면에 나타나는 미세한 변위를 측정할 수 있게 된다. 이 변위의 크고 작음으로 부터 표면에 도달한 초음파의 강도를 알 수 있게 되며 결국은 기존의 탐촉자를 사용하는 초음파 검사와 동일한 검사가 가능하다. 그러나 레이저를 이용하는 방법을 실용화하기 위해서는 아직도 해결할 문제점들이 많으며 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다.

■음향방출시험/금속 우는 소리

나무가지가 부러질 때나 유리가 갑자기 갈라질 때 독특한 소리가 나는 것을 들었을 것이다. 이러한 소리는 균열이 진전하는 등 재료내에서 국부적으로 많은 원자들이 갑자기 움직이게될 때 내부에 간직되어있던 에너지가 방출되면서 나오게 되는 자연 현상이다. 이러한 현상을 음향방출(acoustic emission)이라 하는데 많은 경우 앞서 설명한 초음파의 주파수를 지닌, 즉 들을 수 없는 소리로 방출된다.

이러한 음향방출현상을 처음으로 이용한 사람들은 아마도 지금으로부터 8천 년도 더 전에 도기를 굽던 장인들 이었을 것으로 생각된다. 이들은 굽고있는 제품의 품질을 가마속에서 식고 있는 도기의 갈라지는 소리를 통해 판단했다고 한다. 이때 들리는 음향방출 신호는 도기에 결함이 있음을 알려주는 정확한 신호였으며 실제로 이러한 제품은 갈라져 못쓰게 되었던 것이다.

음향방출현상이 문헌상에 처음 나타난 것은 18세기. 아라비아의 연금술사인 '하얀'(Hayyan)이 쓴 '완전한 것들 모음' (Summa Perfectionis Magisterii)이라는 책에서이다. 그는 주석(Sn)이 '거친 소리' 혹은 '부서지는 요란한 소리'를 낸다고 기록하였다. 주석을 변형시킬 때 나타나는 '주석의 울음'(tin cry)이라고 부르는 이 현상은 그 후 많은 연구대상이 되었으며 '우는' 금속은 주석뿐 아니라 카드뮴이나 아연 등도 있음을 알게 되었다.

1950년대 들어서 독일의 '카이저'(Kaiser)로부터 본격적으로 시작된 음향방출연구는 이제 대부분의 재료가 응력을 받아 소성변형을 하고 내부에서 작은 균열이 진전하게 되면 우리가 들을 수 있는 소리로 혹은 들을 수 없는 초음파로 '운다'는 것이 밝혀졌다.

비파괴검사에 사용되는 음향방출신호는 대부분 초음파영역의 주파수(즉 수십KHz로부터 수MHz까지)를 지니고 있으며 초음파센서와 유사한 원리의 음향방출센서를 이용하여 수신한다.

음향방출시험은 많은 장점을 지니고 있다. 적은 수의 센서로도 대단히 큰 구조물을 검사할 수 있으며 방사선 구역등 접근이 용이하지 않은 부분에서도 연속적으로 상태를 진단할 수 있다. 또한 결함이 발생하여 진전되고 있는 위치를 정확히 알 수 있으며 신호를 정밀하게 분석함으로써 어떠한 형태의 결함이 커가고 있는지도 알 수 있다. 스팀터빈 발전설비 화학공장 비행기 및 해양구조물 등이 가동되는 상태에서 연속적으로 음향방출신호를 측정하여 이상 유무를 점검할 수 있다. 원자력 발전소의 종합적인 안전 점검 등을 위한 연구도 수행되고 있다.

■와전류검사/지뢰탐지에 활용

시간에 따라 변화하는 자장내에 금속과 같은 도체를 놓으면 도체에는 전류가 발생된다는 사실은 '패러데이'(Faraday)의 실험으로 잘 알려져 있다. 시간에 따라 변화하는 자장은 코일에 교류전류를 흘려주어 생성시킬 수 있다. 도체에 유도되는 전류는 주로 도체 표면에서 원을 그리며 맴돌게 되기 때문에 소용돌이 전류라는 뜻으로 와전류(渦電流,eddy current)라 부른다.

그러면 이러한 와전류로 어떻게 금속을 검사할 수 있는지를 생각해보자. 교류전류가 흐르는 코일을 금속에 가까이 가져가면 금속표면에는 와전류가 발생하게 된다. 이때 유도된 와전류에 의해 공간내에는 2차 자장이 발생되고 코일에 의해 발생되는 1차 자장분포를 변화시킨다. 이 변화는 코일의 임피던스를 변화시키므로 이를 측정하면 금속의 특성을 평가할 수 있게 된다. 코일의 임피던스에 영향을 미치는 인자는 피검사체의 전기전도도, 투자율 등 전기적성질과 크기, 균열 등 결함의 존재 유무 그리고 코일과 피검사체인 도체와의 거리 등이 있다. 그러므로 금속표면 부위에 존재하는 결함의 검출뿐 아니라 금속의 전기적특성 측정, 금속 종류의 판별, 부도체 밑에 숨겨져 있는 금속의 탐지및 도금 두께 측정등에 널리 이용될 수 있다.

1881년 여름 미국의 워싱턴에서는 당시의 대통령이던 '가필드'(James A. Garfield)가 저격을 당한 사건이 발생하였다. 그는 두발의 총탄을 맞고 쓰러졌는데 그 중 한 발이 몸에 박혀있어 의사들은 그 총탄을 제거하려 노력하였으나 어디에 박혀있는지를 알 방법이 없어 대통령의 상태를 그저 지켜볼 도리밖에 없었다. 이 때 전화를 발명하여 우리에게 잘 알려진 '벨'(Alexander Graham Bell)은 와전류검사의 원리를 이용하는 장치를 만들어 총탄의 위치를 찾기위한 많은 노력을 기울였다. 불행하게도 그의 노력은 성공하지 못하였고 가필드 대통령은 저격당한지 두달 가량 뒤에 숨을 거두었다. 그러나 이러한 그의 노력은 후에 외과용 탐침계(needle probe) 등의 개발로 이어졌다.

그러나 실제로 와전류 시험방법이 비파괴 검사방법으로 널리 쓰이게 된 것은 1950년대부터라고 할 수 있다. 현재 그 용도는 금속의 두께측정, 페인트나 도금층 두께 측정, 금속재료의 판별, 균열 등의 결함검출, 금속재료의 열처리상태 검사, 지하매설관의 탐지, 지뢰 탐지, 식품에 들어간 금속이물질 탐지 등 대단히 다양하다.

■방사선 투과 시험/X선도 일종의 비파괴

병원에서 신체검사를 받을 때 대게 거치는 검사 중 하나가 X선 사진촬영이다. 눈에 보이지 않는 X선이 우리 몸속을 통과하여 몸안에 있는 허파며 뼈의 모습을 필름위에 그려낸다. 이것 역시 중요한 비파괴검사 기술의 하나이다.

X선은 1895년 뢴트겐에 의해 발견 되었으며 금속 시험편에 대한 X선 투과시험이 1914년에 발표되었다. X선은 파장이 짧은 전자기파로 높은 에너지의 전자가 갑자기 감속될 때 발생된다. 일반적으로 사용되는 X선 발생장치에서는 가열된 니켈이나 철로된 음극에서 전자가 발생되어 텅스텐 같은 양극의 표적에 부딪쳐 X선이 발생되도록 하고 있다.

파장이 짧은 X선이 보다 큰 투과력을 지니고 있으므로 두꺼운 재료나 밀도가 높은 재료의 투과시험을 위해서는 높은 전압의 X선 장치가 필요하다. 그러나 투과력이 큰 X선을 사용하면 X선 사진의 대비가 나빠지게된다. 일반적으로 병원에서는 에너지가 80∼1백20keV의 X선을 사용하고 있으며 산업용 비파괴검사를 위해서는 보다 높은 에너지의 X선이 필요하다. 예를 들어 두께가 2백mm인 철판까지를 투과하기 위해서는 2천 KeV의 X선이 필요하다.

X선이 재료내를 투과할 때 재료내에 균열, 기공(気空), 이물질혼입 등에 의해 밀도가 다르거나 두께가 다른 부분이 있게되면 흡수되는 정도가 다르게 된다. 비파괴 검사에서는 시편의 한 쪽에서 X선을 보내고 그 반대편에 있는 빛이 차단된 상자속에 필름을 넣어 시편을 투과한 X선에 의해 필름이 감광되도록 한다. 만일 시험편내에 균열이나 기공과 같이 빈 틈이 존재하면 그 부분에서의 X선 투과량은 많아지게 되고 필름에서는 이 부분이 더 많이 감광되어 정상적인 부분과 명암의 차이가 나타나게 될 것이다. 현재까지는 필름을 사용하는 방식이 가장 많이 쓰이고 있지만 형광스크린이나 비디오 장치를 이용하여 직접 화면에서 볼 수 있게 하는 방법들도 점차 많이 쓰이고 있다.

방사선 투과 시험방법은 X선 이외에도 투과력이 더 강한 감마선및 중성자 등을 이용하기도 한다.

더 작은 세계를 향하여

반도체산업과 신소재산업이 발달함에 따라 더욱 더 고집적된 칩과 첨단 신소재가 출현하고 있다. 이러한 첨단 부품과 소재는 우주선 항공기 자동차 원자력발전소 등 극히 안전이 중요한 분야에 쓰이게되어 그 신뢰성의 확보가 대단히 중요하다. 그러므로 이러한 첨단 소재나 부품의 비파괴검사가 또한 중요하게 되는데 이를 위해서는 기존의 방법보다 더 작은 결함을 신뢰성있게 찾아 낼 수 있는 새로운 비파괴 시험 기술이 요구되고 있다.

초음파 현미경은 이러한 요구에 부응하기 위한 노력의 대표적인 예라 할 수 있다. 초음파 현미경은 대별하여 투과형과 반사형으로 나뉠 수 있다. 투과형은 시험편의 아래부분에서 압전소자를 이용해 고주파의 초음파를 발생시켜 시험편에 보내고 투과한 초음파 신호를 윗면에서 레이저 간섭을 이용하여 검출하여 영상화한다. 레이저를 주사시켜 영상을 얻기 때문에 레이저 주사 초음파현미경(SLAM,Scanning Laser Acoustic Microscope)이라 부른다. 사용하는 초음파의 주파수는 10∼5백MHz이고 분해능은 20μm 정도이다. SLAM은 주사 속도가 빨라 실시간 검사가 가능하며 사용이 대단히 간편한 점을 장점으로 들 수 있다.

반사형은 보통 주사 초음파 현미경(Scanning Acoustic Microscope,SAM)이라 불리우는데, 압전소자와 정밀가공된 사파이어 초음파렌즈로 이루어진 초음파 탐촉자가 있어 수백 MHz 또는 수 GHz(1GHz는 10억Hz)의 초음파를 검사 대상체의 표면에 접속시킨후 반사되는 초음파 신호를 받아 영상화한다. SAM은 주사시간이 느리긴 하지만 표면과 표면 바로 아래층의 미세조직을 대단히 좋은 분해능으로 보여 주기 때문에 박막이나 표면층의 결함 및 미세조직의 검사에 유리하다. 세라믹 시편에서 투과깊이는 1백MHz의 초음파를 사용할 때 약 25μm정도이고 1GHz일 때는 2.5μm이다. 사용하는 초음파의 주파수가 높을수록 분해능은 좋아져 1백MHz에서 15μm, 2GHz에서는 약 0.65μm 정도이다.

이러한 초음파 현미경은 현재 세라믹콘덴서, IC패키지 등 전자부품의 생산라인에서의 검사로부터 구조용세라믹 복합재료 등 첨단 신소재 연구에까지 활용되고 있다.

초음파 현미경 이외에도 비교적 낮은 에너지의 연X선(soft X-ray)을 이용한 X선 현미경, X선을 지름 10μm 이하로 집속시켜 투과시킨후 영상화하는 미세집속 X선 투과시험장치 등이 개발되어 비파괴검사의 활용분야를 더욱 미세하고 정밀하게 펼쳐가고 있다. 또한 컴퓨터를 이용한 신호처리기술의 도입으로 초음파 단층 촬영, 핵자기공명 단층촬영기술들이 개발되어 의료분야뿐 아니라 전자산업, 우주 항공산업 및 신소재 연구분야 등에서 응용되고 새로운 비파괴검사 기술로 응용되고 있다.

박막및 표면개질층의 평가, 반도체의 이온 주입에 의한 손상등 미세부위의 비파괴 평가를 위해 열파(熱波, thermal wave)를 이용한 영상장치 등이 개발되고 있으며 원자단위의 격자결함을 평가하기 위해 전자의 반물질인 양전자를 이용하는 양전자소멸 측정기술 등도 새로운 비파괴 평가 기술로 활용되기 시작하였다.

비파괴 검사기술은 앞으로도 계속 더작은 세계를 보다 정밀하고 빠르게 그리고 신뢰성 있게 그려내기 위해 개발될 것이다. 이제 비파괴 검사기술은 단순히 결함의 유무만을 판정하는 기술이 아니라 자동화된 첨단 생산라인에서 공정을 제어하기 위한 중요한 기술이 되고 있으며 신소재를 개발하고 설계하는데 있어서도 필수적인 기술이 될 것이다.
 

대형사고의 안전핀

비파괴 검사 기술은 미국과 독일 및 영국을 중심으로 하는 유럽 공동체(EC)가 가장 앞서 있으며, 비파괴 검사 장비의 개발 및 판매 그리고 새로운 검사 기술 개발 연구 등에 X선투과시험, 와전류탐상 및 침투탐상 등을 사용하고 있다. 또한 비파괴검사 용역 회사도 있어 산업설비의 검사등을 수행하고 있다. 그러나 아직 전체적인 기술 수준이 선진국에 뒤져있으며 특히 비파괴검사 장비는 모두 수입하고 있는 실정이다.

최근 한국표준연구소, 에너지연구소 등 정부출연연구소및 몇몇 기업연구소등에서 비파괴 검사 기술개발을 위한 연구를 수행하고 있다.