[논문]적외선 열화상 이미지 컨트라스트 파라미터를 이용한 결함 크기의 비파괴 평가

최정영; 최수용; 김재연; 유기태; 박재원; 현창용; 변재원

doi:10.33162/jar.2018.03.18.1.87

적외선 열화상 이미지 컨트라스트 파라미터를 이용한 결함 크기의 비파괴 평가
Nondestructive Evaluation of Defect Size by Using a Contrast Parameter of Infrared Image 원문보기

신뢰성응용연구 = Journal of the applied reliability, v.18 no.1, 2018년, pp.87 - 94

최정영 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 최수용 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 김재연 (서울과학기술대학교 의공학-바이오소재융합협동과정 신소재공학프로그램) , 유기태 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 박재원 (아세아항공 전문학교 비파괴검사학과) , 현창용 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 변재원 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: In this study, the defect quantification of thin metal plate was evaluated by using lock-in infrared thermography. Methods: A STS304 standard specimens, which had the artificial-defects of different size, were used. The focal distance between the infrared camera and the specimen was set to 500mm, and the distance between the lump and the specimen was set to 200mm. One halogen lamp with a maximum capacity of 1kW was used, and phase-lock infrared thermal images with a frequency of 1Hz were captured and analyzed. Result: Objectively quantified data values were obtained by analyzing the contrast ratio and signal-to-noise ratio. Conclusion: The possibility of defect diagnosis for thin metal plate was confirmed by using the lock-in infrared thermography technique.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 적외선 열화상 기법을 적용하여, 두께가 얇은 금속 박판에서 결함 크기 및 깊이의 정량평가가 가능한지 확인하고자 하였다. 또한 검출된 결함 이미지에서 각 픽셀(pixel)들의 정보를 객관적인 값으로 보여줄 필요가 있으므로, 시편의 건전부와 결함부의 대비차를 정량적으로 구하는 방법(Contrast ratio; C)과 검출한 열화상 이미지의 품질을 정량적으로 나타내는 방법(Signal-to-noise ratio; SNR)에 따라 분석하여 다양한 크기를 가진 결함의 검출 가능성을 연구하였다[5]. 이를 위해 몇 가지 결함 크기와 깊이의 인공결함 표준시편을 가공하였다.
본 연구에서는 Lock-in 적외선 열화상 기법을 이용하여 STS 304 박판의 결함 정량화 평가를 위한 실험을 수행하였다. 인공결함이 가공된 표준시편을 Lock-in 기법으로 촬영하여 열화상과 결함부의 온도분포를 얻을 수 있었다.
현재까지 국내에서 적외선 열화상 기법을 이용한 많은 기초연구가 진행되어 왔지만 주로 Bulk 소재에 국한되어 왔다. 본 연구에서는 적외선 열화상 기법을 적용하여, 두께가 얇은 금속 박판에서 결함 크기 및 깊이의 정량평가가 가능한지 확인하고자 하였다. 또한 검출된 결함 이미지에서 각 픽셀(pixel)들의 정보를 객관적인 값으로 보여줄 필요가 있으므로, 시편의 건전부와 결함부의 대비차를 정량적으로 구하는 방법(Contrast ratio; C)과 검출한 열화상 이미지의 품질을 정량적으로 나타내는 방법(Signal-to-noise ratio; SNR)에 따라 분석하여 다양한 크기를 가진 결함의 검출 가능성을 연구하였다[5].

제안 방법

[Table 1]과 같이 304 스테인레스 강 판재의 내부 결함을 모사하는 몇 가지 크기의 인공홀을 드릴 가공하여 표준시편을 제작하였다. 제작한 표준시편을 [Fig.
1]에 나타내었으며, 시편 두께(t) 및 결함깊이(d) 차이에 따라 시편 명을 표기 하였다. 빛의 반사를 막음으로써 적외선 검출 감도를 높이기 위해 시편 표면에 흑체를 도포했다.
가열 광원은 최대 용량이 1kW인 할로겐램프 1개를 사용 하였으며, 표준시편과의 거리를 200mm 간격으로 고정하였다. 열화상 사진의 최적화를 위해 [Fig. 3]과 같이 가장 얇은 T1과 가장 두터운 T7 표준시편을 0.1Hz~1.5Hz까지 각각 촬영하였다. 이러한 사진 중에서 주파수 1Hz에서 촬영된 사진이 결함 컨트라스트 비가 가장 명확하였다.
이를 위해 몇 가지 결함 크기와 깊이의 인공결함 표준시편을 가공하였다.

대상 데이터

2]는 적외선 열화상 장치가 배치된 것을 보여 준다. 적외선 카메라의 초점거리는 시편의 정보를 모두 반영할 수 있는 최소 거리 500mm를 설정하였다. 가열 광원은 최대 용량이 1kW인 할로겐램프 1개를 사용 하였으며, 표준시편과의 거리를 200mm 간격으로 고정하였다.

이론/모형

이를 위해 몇 가지 결함 크기와 깊이의 인공결함 표준시편을 가공하였다. 실험 방법으로는 대상체에 램프의 점멸등에 따라 변동하는 열류를 형성시키고, 침투된 열원의 위상지연을 측정하여 재료 내부 결함의 유무를 판별하는 위상 잠금 적외선 열화상 기법(Lock-in infrared thermography method)으로 연구를 수행하였다. 본 방법은 낮은 샘플링에서 표면의 미시적인 변화 감지가 가능하기 때문에 미세한 위상변화에서 결함 검출이 가능하다.
본 연구에서는 Lock-in 적외선 열화상 기법을 이용하여 STS 304 박판의 결함 정량화 평가를 위한 실험을 수행하였다. 인공결함이 가공된 표준시편을 Lock-in 기법으로 촬영하여 열화상과 결함부의 온도분포를 얻을 수 있었다. 얻어진 온도분포를 통해 컨트라스트 비와 SNR 값이 계산되었다.

성능/효과

결함 크기의 증가는 컨트라스트 비를 증가시켰으며, 결함깊이의 증가는 컨트라스트 비를 감소시켰다. 결함 직경에 관계없이 컨트라스트 비는 시편의 두께가 증가함에 따라 증가하였으며, 5mm 두께를 가지는 시편부터 일정해지는 경향을 나타냈다. 동일한 두께의 표준시편에서 컨트라스트 비는 결함깊이가 증가함에 따라 감소하였다.
10]은 표준시편 T3와 T3′의 SNR을 나타내었다. 결함부 직경이 증가할수록 SNR이 증가 하였으며, 결함 깊이가 작을수록 SNR이 증가하였다. 이는 컨트라스트 비의 경향과 유사하였다.
동일한 두께의 표준시편에서 컨트라스트 비는 결함깊이가 증가함에 따라 감소하였다. 금속 박판에서의 위상 잠금 적외선 열화상 기법을 이용하여 이러한 결함 정량화 평가 결과를 통해 결함진단 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
결함깊이가 작은 T3시편의 결함부에서 보다 큰 컨트라스트 비 값을 보였다. 두 시편에서 모두 결함깊이가 증가하면 건전부와 결함간대비차 컨트라스트 비가 감소하였고, 결함부 직경이 증가 할수록 컨트라스트 비가 증가 하였다. [Table 1]과 같이 T3′ 표준시편은 T3 표준시편과 비교하여 결함깊이가 3배 깊다.
또한 결함직경(∅)이 증가 할수록 컨트라스트 비가 증가하였으며, 결함깊이(d)가 작을수록 컨트라스트 비가 증가하는 경향을 나타내었다.
6]은 결함 직경이 2, 3, 4mm일 때, 각 두께에 따른 콘트라스트 비의 관계를 그래프를 통하여 보여주고 있다. 모든 직경의 결함부에서, 컨트라스트 비는 시편의 두께가 증가함에 따라 증가한 뒤 T5 시편에서부터 일정해지는 경향을 보였다.
4]는 Lock-in 사진과 Lock-in 사진을 통해 얻은 결함부의 온도 분포를 보여 준다. 모든 측정 조건에서 두께(t)의 변화와 상관없이 결함이 검출됨을 확인하였다. 시편 두께에 따른 결함검출 감도는 T7 > T5 > T3 > T1 순으로 높았다.
5 ]는 컨트라스트 비를 계산한 결과를 종합하여 나타낸 것이다. 온도 라인 프로파일 결과와 유사하게 시편 두께가 가장 얇은 T1 표준시편까지 결함 부위에서 뚜렷한 변화를 확인할 수 있었다. 표준시편 두께가 증가 할수록 건전부와 결함 간 대비 차 컨트라스트 비가 증가하는 것을 확인하였다.
근소한 오차가 있었지만, T3′ 표준시편의 컨트라스트 비는 T3 표준시편에 비해 1/3 정도로 감소했다. 이러한 결과들에서, 정량화된 컨트라스트 비는 실제 결함의 위치 및 크기와 상관관계가 있을 것으로 판단된다.
표준시편 두께가 감소함에 따라 검출감도가 높은 것을 확인하였다. T3′시편에서 결함크기가 증가함에 따라 온도 프로파일 값이 증가하였다.
온도 라인 프로파일 결과와 유사하게 시편 두께가 가장 얇은 T1 표준시편까지 결함 부위에서 뚜렷한 변화를 확인할 수 있었다. 표준시편 두께가 증가 할수록 건전부와 결함 간 대비 차 컨트라스트 비가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 결함직경(∅)이 증가 할수록 컨트라스트 비가 증가하였으며, 결함깊이(d)가 작을수록 컨트라스트 비가 증가하는 경향을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비파괴검사란?	따라서 이에 대한 안전도를 확인할 수 있는 비파괴 품질 검사 기법이 필요하다. 비파괴검사(Non-Destructive Inspection; NDI)란 재료의 부하 및 환경 조건을 파악하여 파괴 역학적으로 재료의 수명을 예측해 종합적인 건전성을 검사하는 기법을 말한다. 하지만 기존 비파괴검사 방법으로는 시편 및 결함의 형상, 실험환경, 작업자에게 미치는 유해요소 등 여러 제약 조건이 따르면서 새로운 검사 방법이 요구되어 왔으며, 이에 우주분야 및 군용에 이용되는 특수한 기술 분야로 적외 선 열화상 기술이 개발되었다.
	기존 비파괴검사 방법가 갖고 있는 문제, 제약조건은 무엇이 있었는가?	비파괴검사(Non-Destructive Inspection; NDI)란 재료의 부하 및 환경 조건을 파악하여 파괴 역학적으로 재료의 수명을 예측해 종합적인 건전성을 검사하는 기법을 말한다. 하지만 기존 비파괴검사 방법으로는 시편 및 결함의 형상, 실험환경, 작업자에게 미치는 유해요소 등 여러 제약 조건이 따르면서 새로운 검사 방법이 요구되어 왔으며, 이에 우주분야 및 군용에 이용되는 특수한 기술 분야로 적외 선 열화상 기술이 개발되었다. 현재는 군사 분야에서의 활용이 감소하고, 반도체 제조와 동일한 기술을 이용한 고성능의 센서가 개발되어 가격이 저렴해짐에 따라 활용의 무게중심이 산업현장으로 이동하였다 [1-5].
	위상 잠금 적외선 열화상 기법의 장점은?	실 험 방법으로는 대상체에 램프의 점멸등에 따라 변동 하는 열류를 형성시키고, 침투된 열원의 위상지연을 측정하여 재료 내부 결함의 유무를 판별하는 위상 잠금 적외선 열화상 기법(Lock-in infrared thermography method)으로 연구를 수행하였다. 본 방법은 낮은 샘플링에서 표면의 미시적인 변화 감지가 가능하기 때문에 미세한 위상변화에서 결함 검출이 가능하다. 또한 상(phase) 처리 결과는 검사체 표면 방사율의 불균 일성에 의한 오차가 작은 장점을 가지고 있다[6-7].

참고문헌 (10)

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Hudson, R. D. (1996). "Infrared System Engineering". John Wiley & Sons, pp. 3-109.
Choi, M. Y. and Kim, W. T. (2012). "Infrared Thermo- graphy Testing". Node Media.
Maldague, X. P. V. (1994). "Infrared Methodology and Technology". Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam.
Gu, J. U. and Choi, N. S. (2013). "NDE of Internal Hole Defect of Dental Composite Restoration Using Infrared Lock-In Thermography". Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 33, No. 1, pp. 40-45.

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Busse, G., Wu, D., and Karpen, W. (1992). "Thermal Wave Imaging with Phase Sensitive Modulated Thermography". J. Appl. Phys., Vol. 71, No. 8, pp. 3962- 3965.

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Rantala, J., Wu, D., and Busse, G. (1996). "Amplitude Modulated Lock-in Vibrothermography for NDE of Polymers and Composites". Research in Nondestructive Evaluation, Vol. 7, No. 4, pp. 215-228.

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Breitenstein, O. and Langenkamp, M. (2003). "Lock-in Thermography". Springer, Germany.
Maldague, X. (2001). "Infrared Thermal Testing". ASNT, NDT Handbook, Vol. 3, 3rd.
Busse, G., Wu, D. and Karpen, W. (1992). "Thermal Wave Imaging with Phase Sensitive Modulated Thermography". J. Appl. Phys., Vol. 71, No. 8, pp. 3962-3965.

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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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