[논문]고성능 초음파 결함탐상기를 위한 압전변환기

정준환; 전호익; 김현식; 강석근

doi:10.6109/jkiice.2013.17.7.1645

고성능 초음파 결함탐상기를 위한 압전변환기
Piezoelectric Transducer for Ultrasonic Flaw Detector with High Performance 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.17 no.7, 2013년, pp.1645 - 1652

정준환 (Department of Semiconductor Engineering, Gyeongsang National University) , 전호익 (Mattron Corp.) , 김현식 (Mattron Corp.) , 강석근 (Department of Semiconductor Engineering, Gyeongsang National University)

초록
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본 논문에서는 비파괴검사용 고성능 결함탐상기를 위한 압전변환기를 구현하였다. 여기서는 압전변형상수와 전기기계 결합계수 등과 같은 주요 특성에 대한 설계 목표치를 먼저 정하고 유한요소해석을 이용하여 얻은 데이터를 설계 및 제작에 활용하였다. 시편을 이용한 실험 결과, 제작된 PZT 세라믹은 목표치들을 매우 잘 만족시키는 것으로 확인되었다. 이는 공진 주파수에서 매우 향상된 임피던스 특성과 초음파 발생 특성을 가지는 것으로 나타났다. 또한 새로운 압전변환기가 적용된 초음파 결함탐상기는 기존 탐상기보다 증가된 결함 검출이득을 제공한다. 따라서 새로운 결함탐상기는 초음파를 이용한 비파괴검사의 검사 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a new piezoelectric transducer for high performance ultrasonic flaw detector used in non-destructive test (NDT) is implemented. Here, the goals for some major characteristics such as piezoelectric strain constant and electro-mechanical coupling factor are fixed in advanced. Then, the parameters obtained by finite element analysis (FEA) are exploited to design and implement the piezoelectric transducer. As a result of experiments using manufactured samples, it is proved that the new PZT ceramics satisfy the goals very well. It has much improved impedance characteristic at the resonant frequency and generation of ultrasonic signals. In addition, ultrasonic flaw detector with the new transducer provides increased flaw detecting gain than the conventional one. Thus, it is considered that the new flaw detector contributes significantly to improve reliability of the NDT.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존 탐촉자의 특성 분석에 기반하여 본 논문에서는 비파괴검사를 위한 새로운 고성능 초음파 탐촉자를 제작한다. 여기서 기존 대비 새로운 탐촉자의 제반 특성에 대한 정량적 목표는 표 2에 나타내었다.
본 논문에서는 새로운 고성능 초음파 탐촉자를 제작하기 위하여 비파괴검사에서 사용되어 왔던 기존의 초음파 탐촉자의 특성과 성능을 분석한다. 먼저 임피 던스 분석기를 이용하여 기존 탐촉자에서 주파수의 변화에 대한 임피던스의 변화를 측정하여 그림 2에 나타내었다.
본 연구에서는 비파괴검사용 고성능 탐촉자를 위한 압전변환기를 구현하고 이를 적용한 초음파 탐상기의 성능을 분석한다. 여기서는 기존의 범용 탐촉자보다 우수한 특성을 가지도록 압전변형상수(piezoelectric strain constant)와 전기기계 결합계수(electro-mechanical coupling factor) 등과 같은 주요 특성에 대한 설계 목표치를 먼저 정한다.
본 연구에서는 비파괴검사용 고성능 탐촉자를 위한 압전변환기를 구현하였다. 이를 위하여 여기서는 기존 탐촉자보다 향상된 설계 목표치를 정하고 유한요소해석 모의실험을 통하여 얻은 데이터를 탐촉자용 압전 세라믹 설계 및 제작에 활용하였다.

제안 방법

여기에는 PZT 세라믹스 계열과 BaTiO₃, PbNb₂O₆ 등이 있으며, 폴리플루오린화비닐리덴(polyvinylidene difluoride, PVDF)과 같은 압전폴리머와 PMN-PT 단결정 등도 이용되고 있다[4]. 대표적으로 많이 사용되는 PZT, PVDF, PMN-PT 단결정에 대한 특성들을 표 1에 비교하여 나타내었다.
주파수에 따른 진동 특성을 유한요소해석(finite element analysis, FEA)을 이용하여 모의실험하고, 이를 기반으로 압전변환기를 설계한다. 마지막으로 제작된 변환기가 적용된 비파괴검사용 초음파 탐촉자의 성능을 실험을 통하여 검증한다.
유한요소해석 결과 그림 4(c)에 나타낸 바와 같이 약 7 MHz에서 발생하는 진동형상이 탐촉자 지향 방향과 동일함을 알 수 있다. 모의실험에 사용된 파라미터들을 기반으로 PZT 세라믹을 그림 5에 나타낸 것처럼 설계/제작하였다. 여기서는 탐촉자 제작시 편리함을 위하여 한쪽 면에 두 개의 전극이 위치하도록 설계하였다.
모의실험에 사용된 파라미터들을 기반으로 PZT 세라믹을 그림 5에 나타낸 것처럼 설계/제작하였다. 여기서는 탐촉자 제작시 편리함을 위하여 한쪽 면에 두 개의 전극이 위치하도록 설계하였다.
본 연구에서는 비파괴검사용 고성능 탐촉자를 위한 압전변환기를 구현하였다. 이를 위하여 여기서는 기존 탐촉자보다 향상된 설계 목표치를 정하고 유한요소해석 모의실험을 통하여 얻은 데이터를 탐촉자용 압전 세라믹 설계 및 제작에 활용하였다. 시편을 이용한 실험 결과, 제작된 PZT 세라믹은 압전변형상수와 전기기계 결합계수 등 주요 특성의 정량적 목표치를 충분히 만족시키는 것으로 검증되었다.
제작된 PZT 세라믹들이 표 2에 제시된 주요 특성의 목표치를 만족시키는지 확인하기 위하여 PIEZO d₃₃/d₃₁ Meter를 이용하여 압전변형상수를 측정하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 3개의 시편에서 측정된 압전변형상수는 목표치인 400 pC/N에 비하여 불과 1.
여기서는 기존의 범용 탐촉자보다 우수한 특성을 가지도록 압전변형상수(piezoelectric strain constant)와 전기기계 결합계수(electro-mechanical coupling factor) 등과 같은 주요 특성에 대한 설계 목표치를 먼저 정한다. 주파수에 따른 진동 특성을 유한요소해석(finite element analysis, FEA)을 이용하여 모의실험하고, 이를 기반으로 압전변환기를 설계한다. 마지막으로 제작된 변환기가 적용된 비파괴검사용 초음파 탐촉자의 성능을 실험을 통하여 검증한다.

데이터처리

제시한 주요 특성 목표치를 만족시키는 PZT 세라믹 제작을 위하여 먼저 예상되는 공진 주파수를 파악할 필요가 있다. 이를 위하여 유한요소해석법을 이용하여 주파수의 변화에 따른 진동모드 변화 모의실험을 수행하고 그 결과를 그림 4에 나타내었다.
제작된 PZT 세라믹을 적용한 새로운 비파괴검사용 초음파 탐촉자와 기존 탐촉자의 결함 검출성능 실험을 실시하여 그 결과를 그림 7에 비교하여 나타내었다. 여기서 그림 7(b)와 7(c)의 파형은 그림 7(a)에 보인 초음파 탐상기기의 디스플레이 화면을 확대하여 나타낸 것이다.

이론/모형

기존 탐촉자의 공진 주파수에서 압전 소자의 진동에 의한 초음파 신호의 발생 특성을 확인하기 위하여 유한요소해석법(finite element analysis, FEA)을 이용한 모의실험 수행 결과를 그림 3에 나타내었다. 여기서는 유한요소해석 분야의 대표적 상용 소프트웨어인 ANSYS 를 이용하였다[6].

성능/효과

제작된 압전 세라믹 시편 3개를 대상으로 주파수의 변화에 따른 임피던스를 측정한 결과를 그림 6에 나타내었다. 1 kHz ~ 100 MHz 까지 측정한 결과 10 MHz까지는 주파수가 증가됨에 따라 임피던스가 전반적으로 감소되는 추세로 나타났다. 그리고 10 MHz 이후에 나타나는 변곡점들은 공진 특성이라기보다는 고주파 영역에서의 손실로 해석하는 것이 타당하다.
Meter를 이용하여 압전변형상수를 측정하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 3개의 시편에서 측정된 압전변형상수는 목표치인 400 pC/N에 비하여 불과 1.875% 이내의 오차를 가지는 것으로 나타났다. 이는 기존의 탐촉자용 압전 세라믹에 비하여 최소 30.
여기서 그림 7(b)와 7(c)의 파형은 그림 7(a)에 보인 초음파 탐상기기의 디스플레이 화면을 확대하여 나타낸 것이다. 기존 탐촉자의 경우 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)로 표시되는 검출이득(detection gain)이 약 24.5 dB로 나타났다. 이에 비하여 새로운 탐촉자를 이용하면 결함 검출이득이 30.
8% 이상 향상된 수치이다. 따라서 제작된 압전 세라믹은 기존의 경우에 비하여 훨씬 우수한 초음파 신호 발생 특성을 가지는 것으로 분석된다. 제작된 시편으로부터 측정된 공진 주파수와 반공진 주파수는 그림 6에서 확인할 수 있듯이 각각 7 MHz와 9 MHz이다.
시편을 이용한 실험 결과, 제작된 PZT 세라믹은 압전변형상수와 전기기계 결합계수 등 주요 특성의 정량적 목표치를 충분히 만족시키는 것으로 검증되었다. 또한 제작된 압전변환기는 공진 주파수에서 임피던스 특성과 초음파 발생 특성이 기존의 탐촉자용 변환기에 비하여 훨씬 우수한 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 새로운 압전변환기가 적용된 초음파 결함탐상기는 기존에 비하여 6 dB 가량 향상된 결함 검출이득을 가지는 것으로 나타났다.
또한 제작된 압전변환기는 공진 주파수에서 임피던스 특성과 초음파 발생 특성이 기존의 탐촉자용 변환기에 비하여 훨씬 우수한 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 새로운 압전변환기가 적용된 초음파 결함탐상기는 기존에 비하여 6 dB 가량 향상된 결함 검출이득을 가지는 것으로 나타났다. 따라서 새로운 탐촉자를 이용하는 경우 초음파를 이용한 비파괴검사의 검사 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
이를 위하여 여기서는 기존 탐촉자보다 향상된 설계 목표치를 정하고 유한요소해석 모의실험을 통하여 얻은 데이터를 탐촉자용 압전 세라믹 설계 및 제작에 활용하였다. 시편을 이용한 실험 결과, 제작된 PZT 세라믹은 압전변형상수와 전기기계 결합계수 등 주요 특성의 정량적 목표치를 충분히 만족시키는 것으로 검증되었다. 또한 제작된 압전변환기는 공진 주파수에서 임피던스 특성과 초음파 발생 특성이 기존의 탐촉자용 변환기에 비하여 훨씬 우수한 것으로 나타났다.
특히, 새로운 탐촉자용 PZT 세라믹들에서는 기존 탐촉자의 경우에 비하여 공진 및 반공진 주파수에서의 임피던스 특성이 훨씬 더 명확하게 나타났다. 실험에 사용된 3개의 시편이 거의 동일한 특성을 나타낼 뿐만 아니라 명확하게 구분되는 공진 및 반공진 주파수에서의 임피던스 특성 등을 근거로 본 연구에서 제작된 PZT 세라믹은 기존의 초음파 탐촉자용 압전체에 비하여 매우 우수한 주파수 특성을 가지는 것으로 판단된다.
5 dB로 나타났다. 이에 비하여 새로운 탐촉자를 이용하면 결함 검출이득이 30.5 dB로 기존 탐촉자 대비 6 dB 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이는 측정된 결함 신호의 크기측면에서는 2배 가량 증폭된 값으로 디스플레이 화면에 나타난 파형의 측정치도 이에 거의 근접하고 있음을 관측할 수 있다.
새롭게 제작된 압전 세라믹들에서는 기존 탐촉자와 유한요소해석을 통하여 예상된 주파수 대역인 200 kHz와 7 MHz에서 공진점과 반공진점이 뚜렷하게 나타나는 것을 관측할 수 있다. 특히, 새로운 탐촉자용 PZT 세라믹들에서는 기존 탐촉자의 경우에 비하여 공진 및 반공진 주파수에서의 임피던스 특성이 훨씬 더 명확하게 나타났다. 실험에 사용된 3개의 시편이 거의 동일한 특성을 나타낼 뿐만 아니라 명확하게 구분되는 공진 및 반공진 주파수에서의 임피던스 특성 등을 근거로 본 연구에서 제작된 PZT 세라믹은 기존의 초음파 탐촉자용 압전체에 비하여 매우 우수한 주파수 특성을 가지는 것으로 판단된다.

후속연구

뿐만 아니라 새로운 압전변환기가 적용된 초음파 결함탐상기는 기존에 비하여 6 dB 가량 향상된 결함 검출이득을 가지는 것으로 나타났다. 따라서 새로운 탐촉자를 이용하는 경우 초음파를 이용한 비파괴검사의 검사 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비파괴검사의 특징은?	비파괴검사(non-destructive test, NDT)는 대형 구조물뿐만 아니라 고압 용기, 배관용 파이프, 베어링 등과 같은 중소형 구조물이나 기계 부품과 소재 등의 구조적 결함을 파악하기 위하여 일반적으로 실시되고 있다[1]. 비파괴검사에는 적용분야와 검사체의 특성에 따라 방사선 투과탐상(radiographic testing)[2], 초음파 탐상(ultrasonic detection)[3], 자기 탐상(magnet particle flaw detection), 침투 탐상(penetrate inspection) 등 여러 가지 방식이 사용되고 있다.
	비파괴검사는 적용분야와 검사체의 특성에 따라 어떠한 방식들이 있는가?	비파괴검사(non-destructive test, NDT)는 대형 구조물뿐만 아니라 고압 용기, 배관용 파이프, 베어링 등과 같은 중소형 구조물이나 기계 부품과 소재 등의 구조적 결함을 파악하기 위하여 일반적으로 실시되고 있다[1]. 비파괴검사에는 적용분야와 검사체의 특성에 따라 방사선 투과탐상(radiographic testing)[2], 초음파 탐상(ultrasonic detection)[3], 자기 탐상(magnet particle flaw detection), 침투 탐상(penetrate inspection) 등 여러 가지 방식이 사용되고 있다. 이들 가운데 방사선 투과 방식과 초음파 탐상방식이 가장 널리 사용되고 있다.
	방사선 투과방식의 문제점은?	방사선 투과방식은 거의 모든 재질의 검사체에 적용이 가능하고 대부분의 내부 결함에 대한 검출능력이 우수하여 가장 빈번하게 사용되어 왔다. 하지만 검사장비의 휴대성이 크게 떨어질 뿐만 아니라 작업자가 방사능 물질에 피폭될 위험성이 상존하는 치명적인 문제점이 있다. 이에 비하여 초음파 탐상방식은 우수한 투과력으로 인하여 검사체 내부의 깊은 결함과 미세 결함에 대하여 방사선 탐상법에 비견될 만큼 높은 검사 신뢰성을 제공하며 다양한 재질에 대한 적용성과 장비의 휴대성 측면에서 방사선 투과 방식보다 유리한 특징이 있다.

참고문헌 (6)

J. H. Jung, H. I. Jun, H.-S. Kim, and S. G. Kang, "Implementation of PLC-based multi-modem for process automation of non-destructive inspection," J. Korea Institute Inform. and Commun. Eng., vol. 17, no. 4, pp. 822-828, Apr. 2013.

원문보기 상세보기
K. T. Joo, Theory and Applications of Non-Destructive Test: Radiographic Testing, Seoul: Korea: Nodemedia, 2012.
C. H. Han and I. G. Park, Ultrasonic Testing, Seoul: Korea: Nodemedia, 2012.
C. Y. Park, Piezoelectric Ceramics for Electrical and Electronics Engineering, Seoul: Korea, Bando, 1997.
S. G Cho, "Theory of piezoelectric ceramics," in Proc. Workshop for M&A of Piezoelectric Materials and Devices, Jinju: Korea, Nov. 2012.
S. Moaveni, Finite Element Analysis: Theory & Application with ANSYS, 3rd ed., Upper Saddle River: NJ, Prentice Hall, 2008.

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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