[논문]비파괴검사를 위한 연속형 테라헤르츠 파 기반의 영상화 기술

오경환; 김학성

doi:10.5369/jsst.2018.27.5.328

비파괴검사를 위한 연속형 테라헤르츠 파 기반의 영상화 기술
Imaging Technique Based on Continuous Terahertz Waves for Nondestructive Inspection 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.27 no.5, 2018년, pp.328 - 334

Abstract ▼ AI-Helper

The paper reviews an improved continuous-wave (CW) terahertz (THz) imaging system developed for nondestructive inspection, such as CW-THz quasi-time-domain spectroscopy (QTDS) and interferometry. First, a comparison between CW and pulsed THz imaging systems is reported. The CW-THz imaging system is a simple, fast, compact, and relatively low-cost system. However, it only provides intensity data, without depth and frequency- or time-domain information. The pulsed THz imaging system yields a broader range of information, but it is expensive because of the femtosecond laser. Recently, to overcome the drawbacks of CW-THz imaging systems, many studies have been conducted, including a study on the QTDS system. In this system, an optical delay line is added to the optical arm leading to the detector. Another system studied is a CW-THz interferometric imaging system, which combines the CW-THz imaging system and far-infrared interferometer system. These systems commonly obtain depth information despite the CW-THz system. Reportedly, these systems can be successfully applied to fields where pulsed THz is used. Lastly, the applicability of these systems for nondestructive inspection was confirmed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

일정 범위에서의 주파수 변조 (Frequency sweep)를 통해 얻은 주파수 영역 정보를 Fourier transform을통해시간영역정보를얻는 Quasi timedomain spectroscopy (QTDS) 영상화 기법과 간섭계를 이용한 영상화 기법 등이 있다. 본 논문에서는 기존의 연속형 테라헤르츠 영상화 기법과 펄스형 테라헤르츠 영상화 기법의 차이점을 비교하고, 최근 개발된 깊이 정보를 얻을 수 있는 영상화 기법에 관해 알아보고자 한다.
본 논문에서는 연속형 테라헤르츠 영상화 시스템과 펄스형 테라헤르츠 영상화 시스템의 장단점을 비교해보았고, 이러한 특성들을 잘 고려하여 각각의 어플리케이션에 적합한 시스템을 적용해야 한다는 것을 확인하였다. Femtosecond laser의 사용으로 인해 가격이 비싸며 상대적으로 복잡성을 가지고 있는 펄스형 테라헤르츠 시스템은 연속형 테라헤르츠 시스템보다 보다 많은 정보를 제공한다는 장점이 있다.
대표적으로 광신호 지연 라인 (Optical Delay Line, ODL)을 적용하여 주파수 변조(frequency sweep)을 이용한 Quasi time-domain spectroscopy(QTDS) 기법과 간섭계를 이용한 기법이 있다. 이러한 연속형 테라헤르츠 시스템을 응용한 기법들에 대해 알아보고자 한다.

제안 방법

하지만 파장 값이 커지면서 noise 또한 증가하게 되며, 긴 coherence length로 인하여 내부 반사파로 인한 측정신호와의 간섭이 발생하는 문제가 있다. 따라서 noise 문제를 해결하기 위하여 noise suppression 알고리즘을 도입하여 단일 파장에서의 noise와 비슷한 정도의 수준으로 noise를 낮추었다. 또한, 내부 반사파의 영향을 없애기 위해 twice-scanning 방식을 이용하여 내부 반사파의 영향이 거의 없어지도록 해결하였으나, 이는 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다.
Quasi time-domain spectroscopy (QTDS)란, 펄스형 테라헤르츠 파형과 동일한 펄스 형태의 파를 얻기 위해 연속형 테라헤르츠 시스템을 주파수 변조를 적용하여 주파수 영역의 정보를 얻어 frequency-domain spectrum을 구한 후에, Reverse Fast Fourier Transform (RFFT)를 통해 얻은 time-domain spectrum을 통해 다양한 정보를 얻는 것을 의미한다 [10]. 이러한 영상화 시스템을 위해서, 펄스형 테라헤르츠 영상화 시스템에 사용되는 ODL을 기존의 연속형 테라헤르츠 시스템의 detector(Rx) 부분에 추가를 하였다 (Fig. 4) [11]. 여기서, ODL의 역할은 펄스형 테라헤르츠 시스템과 유사하게 각 주파수에 대한 위상 정보를 읽어드린다.

성능/효과

반면에, 펄스형 테라헤르츠 이미지의 경우 다섯 개의 결함(박리 2개, 공공 3개)을 검출할 수 있었다. 그리고 영상의 해상도도 연속형 테라헤르츠 이미지가 더 좋은 것을 확인하였다. 그러나 이것은 사용된 시스템의 beam spot 크기로 인한 것으로, 펄스형 테라헤르츠의 경우 약 25 mm, 연속형 테라헤르츠의 경우 약 4 mm의 spot 크기를 갖는 시스템이 사용되었다.
이 THz-QTDS 시스템을 이용하여 세가지 어플리케이션에 적용해본 결과, 기존의 펄스형 THz-TDS 시스템 결과와 비슷한 수준의 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 주파수 변조로 인해 데이터 처리 시간이 증가하는 단점이 있는데, 이를 갈바노 스캐닝 시스템의 적용을 통해 보완한 THz-QTDS 영상화 시스템을 가지고 유리섬유 복합재료 내부의 박리를 검출하는데도 성공함으로써 영상화 기법으로의 발전 가능성 또한 확인할 수 있었다.
또한, 개발된 시스템을 이용하여 기존의 펄스형 테라헤르츠 시스템의 영역이었던 굴절율 측정, 두께 측정, 깊이 정보 측정 등에 적용이 가능하다는 것을 다양한 연구를 통해 확인되었다. 따라서, 연속형 테라헤르츠 영상화 시스템이 다양한 산업분야의 비파괴검사 기술로써 적용될 가능성을 가지고 있다는 것을 이러한 연구들을 통해서 확인할 수 있었다.
그러나 펄스형 테라헤르츠 시스템과 비교했을 때, 여전히 가격이 저렴하고 보다 소형화 및 단순성을 가진 시스템이다. 또한, 개발된 시스템을 이용하여 기존의 펄스형 테라헤르츠 시스템의 영역이었던 굴절율 측정, 두께 측정, 깊이 정보 측정 등에 적용이 가능하다는 것을 다양한 연구를 통해 확인되었다. 따라서, 연속형 테라헤르츠 영상화 시스템이 다양한 산업분야의 비파괴검사 기술로써 적용될 가능성을 가지고 있다는 것을 이러한 연구들을 통해서 확인할 수 있었다.
11) [13]. 또한, 음각 문자가 새겨진 시편에 대해서 영상화를 해보았을 때, 명확하게 검출되는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 12) [15].
이러한 새로운 방식의 연속형 테라헤르츠 파를 이용한 THz spectroscopy 시스템은 펄스형 테라헤르츠 시스템에 비해 가격이 저렴한 레이져 다이오드를 사용하다는 장점을 가지고 있다. 이 THz-QTDS 시스템을 이용하여 세가지 어플리케이션에 적용해본 결과, 기존의 펄스형 THz-TDS 시스템 결과와 비슷한 수준의 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 주파수 변조로 인해 데이터 처리 시간이 증가하는 단점이 있는데, 이를 갈바노 스캐닝 시스템의 적용을 통해 보완한 THz-QTDS 영상화 시스템을 가지고 유리섬유 복합재료 내부의 박리를 검출하는데도 성공함으로써 영상화 기법으로의 발전 가능성 또한 확인할 수 있었다.
이를 해결하기 위해서 갈바노 스캐닝 시스템을 적용하여 영상화 하는데 걸리는 시간을 단축하기 위한 연구가 수행되었다 [12]. 이 연구를 통해서 유리섬유 복합재료 내부에 존재하는 박리 결함을 영상을 통해 검출하는데 성공하였고, 3D 이미지를 통해 깊이 정보까지 얻는데 성공하였다 (Fig. 8).
또한, 내부 반사파의 영향을 없애기 위해 twice-scanning 방식을 이용하여 내부 반사파의 영향이 거의 없어지도록 해결하였으나, 이는 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다. 이러한 단점에도 불구하고, Multi-wavelength phase unwrapping방식의 간섭계 영상화 시스템을 이용하여 두께가 다른 두 개의 high-density polyethylene(HDPE) 두께를 정밀하게 측정해낼 수 있었다 (Fig. 11) [13].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	테라헤르츠 파란 무엇인가?	이러한 단점들을 극복하기 위한 기술로써 최근 테라헤르츠 파 (Terahertz wave, THz)를 이용한 비파괴 검사에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 테라헤르츠 파란, 전자기 스펙트럼에서 마이크로파와 적외선 중간에 위치하고 있는 100 GHz에서 10 THz 사이의 주파수를 갖는 전자기파를 의미한다. 따라서 마이크로파의 장점인 투과성과 적외선이나 가시광선의 직진성을 모두 가지고 있다.
	기존의 비파괴 검사 기법의 한계는 무엇인가?	그러나 이러한 검사법을 위와 같은 산업에 적용하기에는 한계점이 존재한다. 초음파 검사법은 물과 같은 중간 매질을 필요로 하며, X-선 검사법의 경우 안전 문제로 인해 추가적인 안전 설비들을 필요로 하는 단점을 가지고 있다. 극초단파 검사법의 경우, 긴 파장으로 인해 공간 분해능이 낮다는 단점이 있다 [1-3]. 이러한 단점들을 극복하기 위한 기술로써 최근 테라헤르츠 파 (Terahertz wave, THz)를 이용한 비파괴 검사에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
	연속형 테라헤르츠 파의 장점은 무엇인가?	이러한 단점을 개선하고자, 연속형 테라헤르츠를 이용한 비파괴 영상화 기법에 관한 연구가 많이 진행되고 있다. 왜냐하면, 연속형 테라헤르츠 파는 펄스형 테라헤르츠 파에 비해 낮은 시스템 가격을 가지고 있으며 시스템 구성이 단순하며 소형화가 가능하기 때문이다 [7]. 이러한 장점으로 인해 연속형 테라헤르츠 시스템을 응용한 영상화 기법들이 많이 개발되고 있다.

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X. Wang, L. Hou, and Y. Zhang, "Continuous-wave terahertz interferometry with multiwavelength phase unwrapping", Appl. opt., Vol. 49, No. 27, pp. 5095-5102, 2010.

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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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