[논문]테라헤르츠파를 이용한 FRP 복합재료의 비파괴결함평가

임광희; 김지훈

doi:10.7735/ksmte.2012.21.2.252

테라헤르츠파를 이용한 FRP 복합재료의 비파괴결함평가
Nondestructive Evaluation in the Defects of FRP Composites By Using Terahertz Waves 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.2, 2012년, pp.252 - 258

임광희 (우석대학교 기계자동차공학과) , 김지훈 (조선대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A study of terahertz waves was made for the nondestructive evaluation of FRP (Fiber reinforced plastics) composite materials. The terahertz systems were consisted of time domain spectroscopy (TDS) and continuous wave (CW). The composite materials investigated include both non-conducting polymeric composites and conducting carbon fiber composites. Terahertz signals in the TDS mode resembles that of ultrasound; however, unlike ultrasound, a terahertz pulse was not able to detect a material with conductivity. The CFRP (Carbon fiber reinforced plastics) laminates were utilized for confirming the experimentation in the terahertz NDE. In carbon composites the penetration of terahertz waves is quite limited and the detection of flaws is strongly affected by the angle between the electric field direction of the terahertz waves and the intervening fiber directions. A refractive index (n) was defined as one of mechanical properties; so a method was obtained in order solve the "n" in the material with non-conductivity. The usefulness and limitations of terahertz radiation are investigated for the NDE of FRP composites.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

두 번째로 섬유가 내재한 에폭시 매트릭스 복합재료의 굴절계수(n) 과 흡수 계수(α) 및 전기 전도도, 그리고 탄소섬유복합재료(Carbon fiber reinforced plastics : CFRP)에 대한 THz 스캔 이미지에 관한 연구이다.
본 연구에서 FRP 복합재료를 이용한 비파괴 평가에 사용된 테라 헤르츠파에 대한 조사 결과를 나타냈다. 테라헤르츠파를 이용해 다양한 재료의 물성치로 나타내는 굴절계수(Refractive index : n)의 측정기법과 전도성을 가지고 있는 CFRP 복합적 층판의 섬유방향과 전기장(E-field)의 상관관계를 고려하였다.

제안 방법

T-ray 결함 이미지의 S/N비와 전도성의 상관관계를 살펴보면 σ_l ≫ σ_t이므로 식 (11)는 σ≈σ_lcos²θ로 쓸 수 있다. 1 ply 탄소섬유 프리프레그시트의 결함을 T-ray 스캔이미지를 해석하기 위하여 T-ray 전기장의 방향과 CFRP 복합재 적층판의 적층 방향을 고려하였다. 우선 1 ply를 T-ray가 관통하는 투과력은 섬유 방향과 전기장이 이루는 각도에 따라 달라지며 테라헤르츠는 시험편의 표면에 섬유배향에 따라 투과 및 반사를 한다.
CFRP 복합재료에서 테라헤르츠의 전도성의 특성을 평가하기 위해서 CFRP 복합적층판의 후면에 부착한 알루미늄 테이프를 탐상하였다. 이때 사용한 알루미늄 테이프는 두께 0.
따라서 탄소 섬유 강화 복합재료는 일반적으로 전도성이 너무 크므로 테라헤르츠파가 투과하기가 어려우나 탄소섬유복합 재료에서의 테라헤르츠파의 투과 정도 특히 섬유 방향에 따라 정량적으로 검토하였다. CFRP 복합적층판의 결함을 섬유배향에 따른 테라헤르츠파의 검사 유효영역을 평가하였다.
따라서 탄소 섬유 강화 복합재료는 일반적으로 전도성이 너무 크므로 테라헤르츠파가 투과하기가 어려우나 탄소섬유복합 재료에서의 테라헤르츠파의 투과 정도 특히 섬유 방향에 따라 정량적으로 검토하였다. CFRP 복합적층판의 결함을 섬유배향에 따른 테라헤르츠파의 검사 유효영역을 평가하였다.
복합재 비파괴 검사에 테라헤르츠파(THz)의 적용 및 응용에 관한 연구로써 재료 물성치의 하나인 테라헤르츠파의 굴절계수(Refractive index)의 측정기법을 확립하였다. 또한 FRP복합재료의 전도성의 특성에 따라 CFRP의 섬유적층 각에 따라 테라헤르츠파의 에너지 투과능의 한계성을 검토하여 복합재의 THz 결과는 다음과 같이 얻을 수 있었다.
복합재 비파괴 검사에 테라헤르츠파(THz)의 적용 및 응용에 관한 연구로써 재료 물성치의 하나인 테라헤르츠파의 굴절계수(Refractive index)의 측정기법을 확립하였다. 또한 FRP복합재료의 전도성의 특성에 따라 CFRP의 섬유적층 각에 따라 테라헤르츠파의 에너지 투과능의 한계성을 검토하여 복합재의 THz 결과는 다음과 같이 얻을 수 있었다.
본 방법은 테라헤르츠파 시간 영역에서 투과모드로써 시험편 유무를 통하여 굴절계수(Refractive index)를 유도하였다. 테라헤르츠파 신호의 진행방향을 Fig.
5 mm가 된다. 실험적으로 CW 테라 헤르츠 장치를 이용하여 12-ply 일방향 CFRP복합재 적층판에서 투과력이 각도에 미치는 영향을 평가하였다. 주파수 스펙트럼의 낮은 쪽 부근(f～0.
특히, 섬유길이방향에 전기장 방향은 수직이라 하고 섬유반경방향을 수평이라 할 때 이 각도 차이를 θ라 한다. 여기서 TDS 테라헤르츠파의 반사 모드를 이용하여 결함을 탐상하고 T-ray 이미지를 얻었다. T-ray 결함 이미지의 S/N비와 전도성의 상관관계를 살펴보면 σ_l ≫ σ_t이므로 식 (11)는 σ≈σ_lcos²θ로 쓸 수 있다.
우선 두께가 다른 같은 종류의 2개 시험편의 T-ray 투과시간(Δt) 및 진폭(Amplitude)을 구한다.
재료의 물성치를 나타내는 T-ray 파라메타를 측정하기 위해 GFRP 복합재의 투과모드에서 THz 펄스를 획득하였다. Fig.
본 연구에서 FRP 복합재료를 이용한 비파괴 평가에 사용된 테라 헤르츠파에 대한 조사 결과를 나타냈다. 테라헤르츠파를 이용해 다양한 재료의 물성치로 나타내는 굴절계수(Refractive index : n)의 측정기법과 전도성을 가지고 있는 CFRP 복합적 층판의 섬유방향과 전기장(E-field)의 상관관계를 고려하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 테라헤르츠 시스템은 영국 테라 뷰(TeraView) 사에서 제작 한 것이다. 본 시스템은 시간 영역 분광기(TDS) 펄스 장치 및 주파수 영역 연속파(CW) 장치로 구성되어 있다. 테라 헤르츠 펄스를 발생, 조절 또는 탐상하기 위한 TDS 기술로 이루어 저 있다.
이 시스템은 시험편 재료특성과 스캔 이미지를 수집하기 위한 것이다. 본 연구에서 사용된 테라헤르츠 시스템은 영국 테라 뷰(TeraView) 사에서 제작 한 것이다. 본 시스템은 시간 영역 분광기(TDS) 펄스 장치 및 주파수 영역 연속파(CW) 장치로 구성되어 있다.
5에서 시험편이 있는 경우와 시험편이 없는 경우의 시간차를 명확히 볼 수 있다. 시험편은 GFRP이용을 했으며 두께가 대략 6.0mm이다. 시험편의 유무에 따라 시간차(Δt)를 구하면 23ps이다.
CFRP 복합재료에서 테라헤르츠의 전도성의 특성을 평가하기 위해서 CFRP 복합적층판의 후면에 부착한 알루미늄 테이프를 탐상하였다. 이때 사용한 알루미늄 테이프는 두께 0.05 mm이며 가로 및 세로는 20mmx20mm이다. 특히, 섬유길이방향에 전기장 방향은 수직이라 하고 섬유반경방향을 수평이라 할 때 이 각도 차이를 θ라 한다.

이론/모형

따라서 굴절계수를 구하기 위해 측정기법중 하나인 투과 모드를 이용하여 광학적인 시간차를 계산하며 식(6)을 이용하여 계산하였다. 그리고 Table 1과 같이 GFRP 복합재료와 PMMA, Fused quarts 시험편을 투과모드방법을 이용해 측정하였다. 기존 참고문헌들의 데이터와 비교하면 1-2%전후 차이밖에 나타나지 않았다^(8~9).

성능/효과

(1) FRP 복합재료에 대한 테라헤르츠파를 이용해 투과모드하에서 굴절계수를 측정할 수 있었다.
(2) 테라헤르츠파는 탄소섬유 복합재내에 있어서 제한된 투과력을 가지고 있어 이방성 전기 전도성은 전기장 방향과 상호 작용함을 알 수 있었다.
(3) 테라 헤르츠파가 CFRP복합재료의 섬유배향에 영향이 미치므로 전기장의 상관관계를 고려하면 90^o에서 최적의 결함을 평가 할 수 있다.
따라서 결함 탐상능은 전기장과 섬유 방향과의 관계에 따라 달라짐을 알게 되었다. Fig.

후속연구

(4) 테라헤르츠 시스템이 비용이 저렴해지고 휴대용으로 되어지다면 매우 유용한 비파괴검사 도구가 될 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	테라 헤르츠파는 어디에 결정적인 중요성을 가지고 있는가?	T-ray(테라 헤르츠 파) 기술과 계기들의 진보와 더블어 전자 스펙트럼에 의한 탐지 분야가 나타나게 되었으며 이는 테라헤르츠파가 갖는 마이크로파 보다 더 짧은 파장과 비교적 높은 해상도를 가지고 있기 때문이다. 테라 헤르츠파는 공항에서의 보안 검색 장치, 의료 영상, 유극성 액체, 각종 산업 시설 및 복합재료 등의 분광학적 평가에 결정적인 중요성을 갖고 있다(1). 또한 테라헤르츠 시간 영역 분광학(Terahertz Time Domain Spectroscopy: THz-TDS)은 복합재료에 내재하고 있는 각종 결함이나 손상을 비 접촉적으로 정밀하게 탐지하는데 있어 선도적인 역할을 하고 있다.
	T-ray 응용에 대한 연구는 어떻게 구분되는가?	따라서 T-ray 응용 면에서 저자들의 연구는 당연히 2개의 부분으로 구분되었다. 첫 번째로 잘 알려 진 바와 같이, 우주 및 민간 항공 분야에서 섬유 강화 플라스틱(Fiber reinforced plastics : FRP) 의 중요성이 일반적으로 알려져 있고 FRP 적층판이 널리 사용되고 있다. 두 번째로 섬유가 내재한 에폭시 매트릭스 복합재료의 굴절계수(n) 과 흡수 계수(α) 및 전기 전도도, 그리고 탄소섬유복합재료(Carbon fiber reinforced plastics : CFRP)에 대한 THz 스캔 이미지에 관한 연구이다. 탄소 섬유가 전도성인 반면에 에폭시 매트릭스는 전도성을 가지고 있지는 않지만 CFRP 적층판의 탄소섬유는 전도성을 뛰고 있다(7).
	테라헤르츠파 송신기(Emitter)의 일시적인 변화는 왜 생기는가?	이때 발생하는 에너지는 여러 개의 테라헤르츠로 분포되어 대단히 넓은 대역폭에 영향을 미치게 된다. 테라헤르츠파 송신기(Emitter)의 일시적인 변화는 테라 헤르츠 시간 척도 상 광전도성 스위치의 저항 때문에 발생하게 되는 것이다(3~6). 이에 덧붙여, 또 다른 방법은 광학적인 이방성 변환 또는 광 혼합으로서 이것은 두 개의 연속파(Continuous wave: CW) 레이저를 이용하여 얻을 수 있다.

참고문헌 (10)

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Rudd, J. V., and Mittleman, D. M., 2000, "Influence of Substrate-Lens Design in Terahertz Time-Domain Spectroscopy," J. Opt. Soc. Amer.(B), Vol. 19, No. 2, pp. 319-329.
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Chakrapani, S. K., Dayal, V., Hsu, D. K., Barnard, D. J., and Gross, A., 2011, "Characterization of Waviness in Wind Turbine Blades Using Air Coupled Ultrasonics," Review of Progress in QNDE, Vol. 30, pp. 956-962.
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Hsu, D. K., 1985, "Characterization of a Graphite/Epoxy Laminate by Electrical Resistivity Measurements," Rev. Prog. in Quantitative NDE, Vol. 4, pp. 1219-1228.
Tse, K. W., Moyer, C. A., and Arajs, S., 1981, "Electrical Conductivity of Graphite Fiber Epoxy Resin Composites," Materials Science and Engineering, Vol. 49, No. 1, pp. 41-46.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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