Research Highlight

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이번에 소개할 리서치 하이라이트는 이정률 교수님이 지도 교수님으로 계시는 광전구조연구실의 공군 과제 수행에 관한 내용입니다.

 

광전구조연구실에서 수행한 공군 과제의 연구과제는 “레이저 초음파를 활용한 검사 기법 개발”입니다. CN-235와 같은 중대형 수송기의 비행조종면에서 발생한 손함을 검출할 수 있는 레이저 가진 기반의 펄스에코 초음파를 스캐닝 센싱할 수 있는 시스템을 개발하고 그 시제품을 납품하는 것이 해당 과제의 연구 목표였습니다. 현재 공군에서는 중대형 수송기들의 경우 현장에서 구조 손상 여부를 판단하기 위해 Tap hammer 검사 기법을 적용하고 있지만 Tap hammer 검사 기법은 검사자의 주관이 개입되고 반복재연성이 떨어지며 또한 초기 손상에 대한 탐지 능력이 매우 저조하고 작업자의 낙상 위험이 상존한다는 단점이 있었습니다. 게다가 CN-235와 같은 중대형 수송기의 특성 상 손상이 발생할 수 있는 영역이 넓고 검사자의 접근이 매우 어렵기 때문에 Tap hammer 검사 기법으로는 결함 탐지에 어려움이 많았습니다. 앞서 언급한 현재 상황을 반영하여 구조에 접근하지 않고 원거리에서 신속한 검사 및 정확한 손상 검출 및 높은 반복재연성을 갖기 위한 시스템 위해서 [그림 1]과 같이 레이저를 통한 초음파 가진 및 센싱 기반의 소형화 된 전영역 펄스-에코 초음파전파영상화 시스템의 개념도 및 검사 시나리오를 기반으로 시스템 개발에 착수하였습니다.

[그림 1] 전영역 펄스-에코 초음파전파영상화 시스템: (a) 개념도, (b) CN-235 검사 시나리오

 

본 연구과제를 통해 개발하고자 하는 시스템은 비파괴 검사장치로써 레이저 초음파 탐상(laser ultrasonic testing) 검사 기법 기반입니다. 기존 초음파 탐상 기법은 공기정합식 트랜스듀서를 사용하여 수 센티미터에서 초음파가 잘 전파되도록 하는 물과 같은 매질과 함께 초음파를 가진하고 두께방향으로 전파 및 반사되어 돌아오는 초음파를 센싱하는 과정을 기반으로 검사영역을 이미지화합니다. 하지만 전영역 펄스-에코 초음파전파영상화 시스템은 매질이 필요없이 수미터의 원거리에서 검사 대상을 가진 및 센싱 레이저를 사용하여 검사합니다. 가진 레이저는 피검사체에 수 나노초의 높은 밀도를 갖는 레이저 빔 펄스를 피검사체의 표면에 조사합니다. 조사된 레이저 빔 펄스에 의해 표면에서는 [그림 2]와 같이 열탄성(thermo-elastic) 메커니즘에 의해 다양한 모드의 초음파가 생성됩니다. 이 다양한 초음파 모드 중 센싱 레이저는 두께 방향의 펄스-에코 모드의 초음파를 센싱하고 이 과정을 검사영역의 전영역에서 반복하고 수집된 데이터를 기반으로 전영역에서 두께방향의 초음파가 전파되는 것을 가시화 및 영상화 하여 검사영역 내에서 존재하는 두께방향의 손상을 높은 공간 해상도로 가시화합니다.

 

[그림 2] 레이저 초음파 가진 메커니즘

 

광전구조연구실에서는 시스템의 소형화와 상용화의 단계의 수준으로 기술 고도화를 통해 [그림 3]의 시스템으로 개발 및 연구목표를 달성하였습니다. 본 시스템은 2차원 X-Z축 스테이지와 스테이지에 탑재된 레이저 스캐닝 헤드를 통해 Raster 스캔방식으로 검사대상을 스캔합니다. 정격속도 초당 500 타점 검사 및 0.1 mm 공간 간격을 사용 시 최대 2500 타점을 검사가 가능하여 0.1 mm의 손상 검출 분해능의 성능을 갖습니다. 검사결과는 그림과 같이 스캔이 진행되면서 실시간으로 초음파전파영상을 검사영역을 확인할 수 있으며 결과가 직관적으로 유저에게 가시화되어 전문적인 훈련이 필요없이 사용할 수 있습니다.

 

[그림 3] 모바일 펄스-에코 초음파전파영상화 시스템 및 검사 장면

 

 개발된 시스템을 사용하여 본 연구과제의 연구목표 및 시스템의 현장적용성 평가를 진행하였으며 [그림 4] 및 [그림 5]와 같이 F-16 록히드 마틴 복합재 표준 시편 검증 및 실제 CN-235 elevator tab 검사를 진행하였습니다. [그림 4]는 실제 F-16 전투기의 표준 시편으로써 현장에서 본 표준 시편에 먼저 비파괴검사장비를 테스트 후 실제 F-16 전투기의 동일 구조에 검사를 진행할 수 있도록 하는 레퍼런스의 역할을 합니다. 본 시스템은 그림 4의 결과와 같이 우수한 결과로 F-16 록히드 마틴 표준 시편의 결함 검출을 통해 시스템 검증을 완료하였습니다. 또한 [그림 5]와 같이 실제 CN-235의 elevator tab의 검사 수행 및 본 시스템 검사 결과를 현장적용성 평가를 위해 tapping test 및 기존 초음파 탐상기법 워터젯 C-SCAN (국내 대기업 비파괴검사장비) 결과와 비교하였습니다. [그림 5]와 같이 Tapping test 및 기존 초음파 탐상기법과 비교 시 본 시스템은 충분한 민감도 및 정밀도를 나타내며 이를 통해 시스템 현장적용성 평가의 연구목표를 달성하였습니다.

 

[그림 4] F-16 록히드 마틴 복합재 표준 시편 및 검사결과

 

[그림 5] 공군 CN-235 elevator tab 및 검사 결과(본 시스템 vs 워터젯 c-scan 검사 결과)

 

개발된 본 시스템은 그림 6과 같이 9월 30일 공군에서 개최한 국제 항공 기술 심포지엄에서 공군 군수사령부 사령관에게 시스템을 시연하였으며 최근 12월 20일에 연구과제 최종발표와 함께 전영역 펄스에코 초음파전파영상화 시스템을 전달하였습니다. 본 시스템은 납품을 통해 앞으로 현장에서 다양한 항공기 구조 및 부품 등을 검사하고 손상을 검출하면서 현장 비파괴평가(In-situ NDE) 시스템으로써 임무를 수행할 예정이며 또한 항공기 구조에 수리를 위한 복합재 패치를 검사하여 수리패치의 품질평가의 목적으로 사용될 예정입니다.

 

[그림 6] 전영역 펄스-에코 초음파전파영상화 시스템 전시 및 시제품 전달식

 

* 본 기술은 2016년 12월 미국특허등록이 완료되어 기술수출 기반을 마련하였다.

 

 

 

편집         김용호[kyh1477@kaist.ac.kr]