선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 비파괴검사 분야 중 초음파검사에 사용되는 단일소자 탐촉자와 위상배열 탐촉자의 문제점을 개선할 수 있는 선형배열 탐촉자를 설계 및 제작하였다. 본 논문에서 설계 한 선형배열 탐촉자는 위상배열 탐촉자처럼 다수의 소자들로 구성되어 있어 시간지연을 통한 초음파의 집속거리 조절이 가능할 뿐만 아니라 수신신호의 동적집속이 가능하다.
- 이 경우 GRS의 주재료는 구리로 형성되기 때문에 상당히 높은 음향 임피던스를 가지며 비록 두께가 얇더라도 탐촉자 전방으로 진행하는 초음파에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 설계에서는 GRS를 통한 접지전극 생성을 대체하기 위해 전기전도성을 가지는 정합층을 이용하여 접지전극을 생성하였다. 이러한 설계를 통해 GRS로 인한 초음파 신호의 반사 및 감쇠를 예방하는 동시에 2-2복합체와 매질간의 음향 임피던스 정합을 구현할 수 있도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 기존의 초음파검사에서 이용되는 단일소자 탐촉자와 위상배열 탐촉자의 단점을 보완할 수 있는 2-2복합체 구조의 선형배열 탐촉자를 설계 및 제작하였다. 제작된 탐촉자는 총 128소자로 구성되며 5.
제안 방법
- 2-2복합체의 평균 두께는 220 μm가 되도록 제작하였으며 복합체의 전극 및 접지전극을 생성 하기 위해 크롬(chrome) 및 금(gold)을 각각 500/2000 Å 두께로 스퍼터 작업을 실시하여 최종 적으로 2-2복합체의 제작을 완료하였다.
- 각 시뮬레이션은 배열형 탐촉자를 구성하는 한 개의 소자만을 설계하여 해당 소자에서 펄스-에코시험을 통해 발생되는 중심주파수 및 -6 dB 대역폭을 측정하여 성능 평가를 실시하였다. Fig. 1은 FEM 해석 기반을 이용하여 설계한 선형배열 탐촉자의 적층구조로서 2차원 구조로 설계하였으며 KLM 해석 기반 설계도 마찬가지로 동일한 적층구조로 설계하였다.
- PMN-PT에 다이싱 커프 및 서브 다이싱 커프를 형성하기 위해서 정밀절삭기(DAS342, Disco, Japan)를 이용하여 25 μm의 폭으로 커프를 생성하였다.
- 각 소자에 신호를 인가하고 타겟으로부터 되돌아오는 초음파 신호를 수신하기 위해 Pulser/receiver (5073PR, Olympus, Japan)를 이용하였으며 수신된 신호를 분석하기 위해서 오실로스코프(DSO-X 3034, Agilent, CA, USA)를 이용하였다. Fig.
- 설계된 2-2복합체 구조를 바탕으로 KLM 해석 기반 및 FEM 해석 기반의 시뮬레이션을 이용하여 탐촉자 적층구조를 확립하였다. 각 시뮬레이션은 배열형 탐촉자를 구성하는 한 개의 소자만을 설계하여 해당 소자에서 펄스-에코시험을 통해 발생되는 중심주파수 및 -6 dB 대역폭을 측정하여 성능 평가를 실시하였다. Fig.
- 다이싱 커프 및 서브다이싱 커프의 폭은 추후 탐촉자 제작 시 사용 가능한 블레이드 폭을 고려하여 25 μm로 설계하였다.
- 대표적으로 2-2 및 1-3복합체 구조가 널리 이용되고 있으며 본 논문에서는 제조공정에서 발생할 수 있는 소자의 손실을 최소화하기 위해 2-2 복합체 구조로 설계를 진행하였다. 2-2복합체 구조 설계 시 사용된 압전소자는 PMN-PT를 이용하였으며 폴리머로는 EPO-TEK 301(Epoxy Technology, MA, USA)를 사용하였다.
- 이를 통해 2-2복 합체의 구조를 확립하고 확립된 구조의 복합체가 가지는 특성 및 물성치를 도출하였다. 도출된 물성치는 KLM 시뮬레이션에 적용하여 FEM 시뮬레이션과 함께 정합층, 후면층 등을 포함하는 적층구조를 설계 및 제작하여 성능을 평가하였다.
- 후자의 경우 복합체 및 정합층의 커프 형성 시 개별적으로 절삭을 실시하기 때문에 소자의 손상을 최소화할 수 있으며 FPCB 및 후면층의 손상 또한 예방할 수 있다. 따라서 본 제작에서는 후자의 방식을 택하여 2-2복합체 형성 후 FPCB 및 정합층 등의 소자를 접착하여 제작을 실시하였다. PMN-PT에 다이싱 커프 및 서브 다이싱 커프를 형성하기 위해서 정밀절삭기(DAS342, Disco, Japan)를 이용하여 25 μm의 폭으로 커프를 생성하였다.
- 설계한 선형 배열 탐촉자는 영상의 해상도를 향상시켜 검사체 내부의 결함 유무를 정확하게 진단할 수 있도록 광대역 특성을 갖도록 설계하였으며 이를 위해 압전물질과 폴리머(polymer)가 혼합되는 2-2복합체(composite) 구조로 설계하였다. 또한 5.5 MHz의 중심주파수를 갖도록 설계하여 검사체 내부의 미세한 결함 유무를 확인 가능하도록 하였으며 총 128개의 소자로 설계하여 넓은 면적의 검사체 진단 시 편의성을 향상시켰다. 설계한 적층구조를 바탕으로 선형배열 탐촉자를 제작하였으며 제작된 탐촉자의 성능 평가를 통해 시뮬레이션 결과와 비교를 실시하여 비파괴검사 분야에 적용 가능한지를 분석하였다.
- 먼저 다이싱 커프의 폭과 압전소자의 폭을 포함하는 피치(pitch)는 선형배열 탐촉자의 그레이팅 로브(grating lobe) 발생을 최소화하기 위해 한 파장(1λ)으로 설계하였다.
- 따라서 본 논문에서는 비파괴검사 분야 중 초음파검사에 사용되는 단일소자 탐촉자와 위상배열 탐촉자의 문제점을 개선할 수 있는 선형배열 탐촉자를 설계 및 제작하였다. 본 논문에서 설계 한 선형배열 탐촉자는 위상배열 탐촉자처럼 다수의 소자들로 구성되어 있어 시간지연을 통한 초음파의 집속거리 조절이 가능할 뿐만 아니라 수신신호의 동적집속이 가능하다. 그러나 위상배열 탐촉자와는 달리 각각의 주사선들을 획득하기 위해 전체 소자들 중 일부의 소자들이 한 그룹(sub-aperture)으로 활성화되며 각 그룹 내에 존재하는 소자들의 시간지연을 통하여 초음파 빔이 집속되는 거리를 조절한다.
- 본 논문에서는 5.5 MHz 2-2복합체 구조를 갖는 선형배열 탐촉자를 설계하기 위해서 KLM 및 FEM 시뮬레이션을 이용하였다. 이를 통해 2-2복 합체의 구조를 확립하고 확립된 구조의 복합체가 가지는 특성 및 물성치를 도출하였다.
- 생성된 커프 내에 EPO-TEK 301을 삽입하여 24시간 동안 경화시켰으며 경화 후 시뮬레이션을 이용하여 도출된 두께로 랩핑(lapping)을 실시하였다. 2-2복합체의 평균 두께는 220 μm가 되도록 제작하였으며 복합체의 전극 및 접지전극을 생성 하기 위해 크롬(chrome) 및 금(gold)을 각각 500/2000 Å 두께로 스퍼터 작업을 실시하여 최종 적으로 2-2복합체의 제작을 완료하였다.
- 설계된 2-2복합체 구조를 바탕으로 KLM 해석 기반 및 FEM 해석 기반의 시뮬레이션을 이용하여 탐촉자 적층구조를 확립하였다. 각 시뮬레이션은 배열형 탐촉자를 구성하는 한 개의 소자만을 설계하여 해당 소자에서 펄스-에코시험을 통해 발생되는 중심주파수 및 -6 dB 대역폭을 측정하여 성능 평가를 실시하였다.
- 5 MRayl의 높은 음향 임피던스를 가지는 후면층을 사용하여 단일 정합층으로 인하여 저하될 수 있는 대역폭을 증가시킬 수 있도록 설계하였다. 설계된 정합층의 음향 임피던스는 낮은 음향 임피던스 값을 가지는 금속 등을 고려하여 7 MRayl로 설계하였으며 본 논문에서는 일반적인 물을 매질로 성능 평가를 실시하였다. Table 2는 설계에 적용된 정합층 및 후면층에 대한 주요 물성치를 나타내며 Fig.
- 설계에 사용된 정합층은 제조공정의 간소화를 위해 단일 정합층으로 설계하였으며 9.5 MRayl의 높은 음향 임피던스를 가지는 후면층을 사용하여 단일 정합층으로 인하여 저하될 수 있는 대역폭을 증가시킬 수 있도록 설계하였다. 설계된 정합층의 음향 임피던스는 낮은 음향 임피던스 값을 가지는 금속 등을 고려하여 7 MRayl로 설계하였으며 본 논문에서는 일반적인 물을 매질로 성능 평가를 실시하였다.
- 이러한 비파괴검사용 선형배열 탐촉자를 설계하기 위해서 KLM(Krimholtz, Leedom and Matthaei) 해석 기반의 PiezoCAD(Sonic Concepts, WA, USA)와 FEM(finite element method) 해석 기반의 PZFlex(Weidlinger Associates, NY, USA)를 이용하였으며 이들 시뮬레이션 결과를 이용하여 배열소자의 적층구조를 도출하였다. 설계한 선형 배열 탐촉자는 영상의 해상도를 향상시켜 검사체 내부의 결함 유무를 정확하게 진단할 수 있도록 광대역 특성을 갖도록 설계하였으며 이를 위해 압전물질과 폴리머(polymer)가 혼합되는 2-2복합체(composite) 구조로 설계하였다. 또한 5.
- 5 MHz의 중심주파수를 갖도록 설계하여 검사체 내부의 미세한 결함 유무를 확인 가능하도록 하였으며 총 128개의 소자로 설계하여 넓은 면적의 검사체 진단 시 편의성을 향상시켰다. 설계한 적층구조를 바탕으로 선형배열 탐촉자를 제작하였으며 제작된 탐촉자의 성능 평가를 통해 시뮬레이션 결과와 비교를 실시하여 비파괴검사 분야에 적용 가능한지를 분석하였다.
- 따라서 본 설계에서는 GRS를 통한 접지전극 생성을 대체하기 위해 전기전도성을 가지는 정합층을 이용하여 접지전극을 생성하였다. 이러한 설계를 통해 GRS로 인한 초음파 신호의 반사 및 감쇠를 예방하는 동시에 2-2복합체와 매질간의 음향 임피던스 정합을 구현할 수 있도록 설계하였다.
- 5 MHz 2-2복합체 구조를 갖는 선형배열 탐촉자를 설계하기 위해서 KLM 및 FEM 시뮬레이션을 이용하였다. 이를 통해 2-2복 합체의 구조를 확립하고 확립된 구조의 복합체가 가지는 특성 및 물성치를 도출하였다. 도출된 물성치는 KLM 시뮬레이션에 적용하여 FEM 시뮬레이션과 함께 정합층, 후면층 등을 포함하는 적층구조를 설계 및 제작하여 성능을 평가하였다.
- 2-2복합체의 평균 두께는 220 μm가 되도록 제작하였으며 복합체의 전극 및 접지전극을 생성 하기 위해 크롬(chrome) 및 금(gold)을 각각 500/2000 Å 두께로 스퍼터 작업을 실시하여 최종 적으로 2-2복합체의 제작을 완료하였다. 제작된 2-2복합체는 각 소자별 신호 인가를 위해서 FPCB에 생성된 신호선과 일치하도록 접착하였으며 후면층 및 정합층을 접착하여 128 소자로 구성된 5.5 MHz 2-2복합체 구조의 선형배열 탐촉자의 제작을 완료하였다. Fig.
- 성능 평가 항목은 시뮬레이션과 동일한 중심주파수 및 -6 dB 대역폭의 측정값을 바탕으로 평가를 실시하였다. 펄스-에코시험을 위해 물을 매질로 사용하였으며 수조 내에 수정(quartz)을 타겟으로 놓고 탐촉자 표면에서부터 타겟까지의 거리를 3 cm로 설정하였다.
대상 데이터
- 대표적으로 2-2 및 1-3복합체 구조가 널리 이용되고 있으며 본 논문에서는 제조공정에서 발생할 수 있는 소자의 손실을 최소화하기 위해 2-2 복합체 구조로 설계를 진행하였다. 2-2복합체 구조 설계 시 사용된 압전소자는 PMN-PT를 이용하였으며 폴리머로는 EPO-TEK 301(Epoxy Technology, MA, USA)를 사용하였다. PMN-PT의 경우 일반적으로 초음파 탐촉자에 널리 사용되는 PZT계열 보다 높은 Kt와 d33(압전변형 상수값)을 가지기 때문에 보다 넓은 대역폭과 높은 감도를 가지는 탐촉자 제작에 용이하다.
- 2-2복합체 구조의 제작을 위해 50 × 20 × 1(mm)의 크기를 갖는 벌크 타입의 PMN-PT를 이용하였다.
- 두 시뮬레이션 결과 5.5 MHz의 중심주파수를 위한 2-2복합체의 두께는 추후 정합층 등의 소자로 인하여 발생되는 주파수 저하 현상 등을 고려하여 240 μm로 선정하였다.
- 설계한 시뮬레이션의 적층구조를 바탕으로 128 소자를 갖는 2-2복합체 구조의 5.5 MHz 선형배열 탐촉자를 제작하였다. 2-2복합체 구조의 제작을 위해 50 × 20 × 1(mm)의 크기를 갖는 벌크 타입의 PMN-PT를 이용하였다.
- 설계한 적층구조는 물, 2-2복합체, 단일 정합층, 후면층, FPCB(flexible PCB)를 포함한다. 압전 소자의 압전효과를 위해서는 소자의 양면에 전극 및 접지전극을 생성해야 하는데 일반적으로 배열형 탐촉자의 경우 소자의 한 면은 FPCB를 이용하여 소자별 전극을 인가하며 다른 한 면은 얇은층의 GRS(ground sheet)를 이용하여 접지전극을 생성한다.
- 펄스-에코시험 시 소자에 인가되는 신호는 임펄스 신호를 이용하였으며 Table 3은 KLM 및 FEM 시뮬레이션을 이용해 측정된 중심주파수 및 -6 dB 대역폭을 나타낸다. KLM 및 FEM으로 계산된 중심주파수는 각각 5.
데이터처리
- 제작된 선형배열 탐촉자는 초음파검사 방법과 동일한 펄스-에코시험을 통해 성능을 평가하였으며 탐촉자를 구성하는 각 소자들의 개별적인 펄스-에코시험을 통해 성능 평가를 실시하였다. 성능 평가 항목은 시뮬레이션과 동일한 중심주파수 및 -6 dB 대역폭의 측정값을 바탕으로 평가를 실시하였다. 펄스-에코시험을 위해 물을 매질로 사용하였으며 수조 내에 수정(quartz)을 타겟으로 놓고 탐촉자 표면에서부터 타겟까지의 거리를 3 cm로 설정하였다.
- 식(4)는 2-2복합체 구조에서 소자가 가지는 전기-기계 결합계수를 계산하기 위한 공식으로써 #와 #는 각각 2-2복합체 구조에서의 압전상수와 유전율을 의미한다. 식(1)-(4)를 이용하여 도출된 각 물성치는 5.5 MHz 중심주파수를 위한 2-2복합체의 두께를 선정하기 위해 KLM 시뮬레이션에 적용하였으며 FEM 시뮬레이션 결과와 비교를 실시하였다.
- 제작된 선형배열 탐촉자는 초음파검사 방법과 동일한 펄스-에코시험을 통해 성능을 평가하였으며 탐촉자를 구성하는 각 소자들의 개별적인 펄스-에코시험을 통해 성능 평가를 실시하였다. 성능 평가 항목은 시뮬레이션과 동일한 중심주파수 및 -6 dB 대역폭의 측정값을 바탕으로 평가를 실시하였다.
- 본 논문에서는 기존의 초음파검사에서 이용되는 단일소자 탐촉자와 위상배열 탐촉자의 단점을 보완할 수 있는 2-2복합체 구조의 선형배열 탐촉자를 설계 및 제작하였다. 제작된 탐촉자는 총 128소자로 구성되며 5.5 MHz의 중심주파수를 갖도록 제작하여 성능 평가를 실시하였다. 전반적으로 제작한 탐촉자는 KLM 및 FEM 시뮬레이션과 유사한 측정 결과를 얻었으며, 대역폭의 경우 FEM 시뮬레이션 결과와의 차이가 KLM에 비해 상대적으로 높게 나타났다.
이론/모형
- 2-2복합체 구조를 제작하는 방법으로 PMN-PT 표면에 정밀절삭기를 이용하여 생성된 커프에 폴리머를 삽입하는 dicing & filling 방법을 이용하였다.
- 이러한 비파괴검사용 선형배열 탐촉자를 설계하기 위해서 KLM(Krimholtz, Leedom and Matthaei) 해석 기반의 PiezoCAD(Sonic Concepts, WA, USA)와 FEM(finite element method) 해석 기반의 PZFlex(Weidlinger Associates, NY, USA)를 이용하였으며 이들 시뮬레이션 결과를 이용하여 배열소자의 적층구조를 도출하였다. 설계한 선형 배열 탐촉자는 영상의 해상도를 향상시켜 검사체 내부의 결함 유무를 정확하게 진단할 수 있도록 광대역 특성을 갖도록 설계하였으며 이를 위해 압전물질과 폴리머(polymer)가 혼합되는 2-2복합체(composite) 구조로 설계하였다.
성능/효과
- 펄스-에코시험 시 소자에 인가되는 신호는 임펄스 신호를 이용하였으며 Table 3은 KLM 및 FEM 시뮬레이션을 이용해 측정된 중심주파수 및 -6 dB 대역폭을 나타낸다. KLM 및 FEM으로 계산된 중심주파수는 각각 5.5 MHz, 5.4 MHz로서 상당히 유사한 수치를 나타내는 것을 확인할 수 있었으며 -6 dB 대역폭의 경우 KLM은 73.6%, FEM은 75.4%로 측정되어 FEM 시뮬레이션 결과가 다소 높게 나타났다.
- 중심주파수 및 -6 dB 대역폭에서 얻어진 결과 외에도 두 시뮬레이션에서 나타난 시간축 파형과 주파수 스펙트럼의 패턴이 서로 유사한 양상을 보이는 것을 확인하였다. 대역폭에 있어서 두 시뮬레이션간의 다소 차이가 발생하였지만 두 방법 모두 본 연구에서 설계한 적층구조에 따른 중심 주파수 및 대역폭이 목표로 했던 5.5 MHz와 광대역 특성을 갖는 약 70%를 나타냄으로써 초음 파탐상검사에 효과적인 선형배열 탐촉자에 적합한 적층구조임을 확인하였다.
- 또한 제작된 탐촉자는 단일 정합층 구조로 설계되었음에도 불구하고 –6 dB 에서 70%의 높은 대역폭을 가졌으며, 이는 상대적으로 높은 후면층의 음향 임피던스 영향인 것으로 판단된다.
- 5 MHz의 중심주파수를 갖도록 제작하여 성능 평가를 실시하였다. 전반적으로 제작한 탐촉자는 KLM 및 FEM 시뮬레이션과 유사한 측정 결과를 얻었으며, 대역폭의 경우 FEM 시뮬레이션 결과와의 차이가 KLM에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 이러한 결과는 1D 분석을 기반으로 한 KLM, 2D 분석을 기반으로 한 FEM 분석 알고리즘의 기본적인 차이와 더불어 FEM 설계 시 적층구조를 형성하는 물질들의 물성치 중 일부가 실제 제작한 소자와 차이가 있기 때문으로 판단된다.
- 중심주파수 및 -6 dB 대역폭에서 얻어진 결과 외에도 두 시뮬레이션에서 나타난 시간축 파형과 주파수 스펙트럼의 패턴이 서로 유사한 양상을 보이는 것을 확인하였다. 대역폭에 있어서 두 시뮬레이션간의 다소 차이가 발생하였지만 두 방법 모두 본 연구에서 설계한 적층구조에 따른 중심 주파수 및 대역폭이 목표로 했던 5.
- 4의 (a)는 펄스-에코시험을 위한 실험 환경을 나타내며 (b)는 시험을 위한 시스템의 블록선도를 나타 낸다. 펄스-에코 측정 결과 평균적으로 각 소자들은 5.5 MHz의 중심주파수 및 -6 dB 에서 70% 의 대역폭을 나타내었다. Fig.
후속연구
- 이러한 결과는 1D 분석을 기반으로 한 KLM, 2D 분석을 기반으로 한 FEM 분석 알고리즘의 기본적인 차이와 더불어 FEM 설계 시 적층구조를 형성하는 물질들의 물성치 중 일부가 실제 제작한 소자와 차이가 있기 때문으로 판단된다. 그러나 중심주파수와 신호의 파형 등은 시작품과 매우 유사하게 측정됨에 따라 추후 FEM을 이용하여 더욱 정확한 탐촉자 설계가 가능할 것으로 판단된다. 또한 제작된 탐촉자는 단일 정합층 구조로 설계되었음에도 불구하고 –6 dB 에서 70%의 높은 대역폭을 가졌으며, 이는 상대적으로 높은 후면층의 음향 임피던스 영향인 것으로 판단된다.
- 또한 제작된 탐촉자는 단일 정합층 구조로 설계되었음에도 불구하고 –6 dB 에서 70%의 높은 대역폭을 가졌으며, 이는 상대적으로 높은 후면층의 음향 임피던스 영향인 것으로 판단된다. 이처럼 제작된 탐촉자는 5.5 MHz의 중심주파수 및 광대역 특성을 가짐으로써 검사체 내부의 미세한 결함을 검출하는 것이 가능할 것으로 기대된다. 추후에는 제작된 선형배열 탐촉자를 이용한 영상 실험을 수행할 예정이다.
- 5 MHz의 중심주파수 및 광대역 특성을 가짐으로써 검사체 내부의 미세한 결함을 검출하는 것이 가능할 것으로 기대된다. 추후에는 제작된 선형배열 탐촉자를 이용한 영상 실험을 수행할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.