건축, 조선, 석유화학, 자동차 등 산업 전반에서 구조물로 응용되는 두께 6 mm 이상의 철강 후판은 연속주조 및 열간압연으로 제조된다. 제조 공정 중에 후판 표면의 가장자리에서 길이방향을 따라 매우 빈번하게 발생하고 있는 미세결함은 깊이 수십 마이크로미터(μm) 이상으로 모서리 부위 일정한 거리에서 맞닿아 있다. 이러한 후판의 표면 미세결함은 고부가가치 합금 소재일수록 결함 발생 확률이 크고, 최종 제품에 심각한 불량을 야기하기 때문에 표면, 표시 및 형상 품질에 대한 개선 요구가 지속적으로 증대되고 있다. 따라서, 철강 후판 품질 관리를 위해서, 제조 공정중 후판의 표면에 발생하는 미세결함을 탐지할 수 있는 검사 기술 개발이 시급히 요구된다.
현재, 철강업계에서는 육안검사 및 영상처리 기술 등으로 후판 표면의 미세결함을 검출하는 방법을 적용하고 있다. 하지만 전수검사가 어렵고 많은 시간과 비용이 소모된다는 점에서 제조 공정 중에 실시간 검사가 어렵고, 검출해야 할 결함 종류, 표면 온도 등이 달라서 기존의 방법들로는 효과적인 성능을 기대하기 어렵다. 따라서 이러한 공정상의 한계를 극복할 수 있는 인라인 검사 (in-line inspection) 기술이 필요한 실정이다. 그 대안 중의 하나가 초음파검사이다.
본 연구에서는 후판 표면의 미세결함 탐상을 위해 표면파 발생용 집속 EMAT을 적용하였다. 일반적으로 EMAT은 비접촉식으로 초음파 변환이 가능한 것으로 널리 알려져 있으며, 표면파 가진 및 수신에 매우 유리하다. 접촉매질이 요구되는 기존의 압전 방식과는 다르게 EMAT은 고온 환경에도 적용이 가능하며, 접촉 조건에 따른 초음파 특성에 영향을 받지 않는다. 따라서 인라인 검사가 요구되는 현장조건에서 측정 대상의 넓은 영역을 고속으로 스캔하는 것이 가능하다. 특히, 본 논문에서 다루고자하는 집속 EMAT은 기존의 미앤더 라인(meander-line)을 사용하는 EMAT과는 다르게 초음파를 국부적인 영역에 집속시켜 집속 지점에서 에너지 변환효율을 증대시키고, 결함에 대한 민감도 및 분해능을 향상시킬 수 있다.
집속 전자기 음향 트랜스듀서를 이용하는 연구는 영국 워익대학의 R. S. Edwards[1-3]와 일본 오사카대학의 Hirao 등에 의해 주로 진행되어왔다[4-6]. R. S. Edwards는 집속 전자기 음향 트랜스듀서를 이용하여 알루미늄 빌릿의 깊이 50 mm 이하의 실표면균열을 탐상 및 위치를 판별하는 연구를 하였고, Hirao는 재료 표면 및 내부의 응력부식결함을 파악하고자 하였다. 하지만, 결함의 크기가 수십 μm 이상인 미세결함을 탐상한 사례는 없으며, 이와 관련한 연구도 아직까지 보고된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 후판 표면에 발생하는 미세결함을 탐상할 수 있는 표면파 발생용 집속 EMAT 설계 및 제작하고, 후판 탐상 시험을 통하여 그 성능을 검증하고자 하였다. 시험편은 제조사에서 실제로 제조 공정 중에 표면에 생성된 미세결함을 포함하는 후판을 사용하였다. Fig. 1는 실험에 사용한 후판 표면의 미세결함을 나타내었다.
후판 표면 검사용 집속 EMAT을 설계하기 위해서, 상용 압전 트랜스듀서를 이용한 표면파 전파시험을 통해 미세결함에 민감한 주파수/파장을 결정하였고, 수치해석 모델을 이용하여 빔의 집속 효과(집속 초점; focal point, 초점 거리; focal length)를 예측하였다. 또한 후판 표면의 가장자리에서 발생하는 미세결함은 결함 반사파와 끝단 반사파가 중첩되어 신호 해석이 어렵기 때문에, 빔의 입사각과 반사각이 대칭 구조인 피치캐치(pitch-catch) 방식의 코일 배열을 적용하여 전파 거리를 확보함으로써 끝 단면 반사 신호의 영향을 최소화하였다.
결론적으로, 후판에서 표면파 전파 시험을 통해 표면파의 집속 성능 및 집속 유효거리를 확인하였고, 결함 탐상 시험을 통해 후판 표면 가장자리에 존재하는 길이 방향의 미세결함을 효율적으로 측정함으로써 그 성능을 검증하였다.
후판 표면에 발생하는 미세결함은 그 크기가 수십 μm 이상이고, 판재의 가장자리에 길이방향으로 나타난다. 판재에서 전파하는 초음파의 방향 및 주파수에 따라 결함반사 신호의 민감도가 다르며, 결함 판별을 위한 신호 해석이 어렵다. 따라서, 후판에 발생하는 미세결함을 탐상하기 위한 주파수 의존성을 확인하기 위해서 수침 표면파 탐상 시험을 수행하였다. 시험은 수침형 압전 트랜스듀서를 이용하여 철강 후판에 표면파를 발생시키고, 표면 미세결함의 유무에 따른 신호 변화를 관찰하였다. 후판 표면의 미세결함에 반응하는 주파수를 선정하기 위해서 중심주파수가 각각 1 MHz, 2.25 MHz, 5 MHz, 7.5 MHz (파장이 각각 3.75 mm, 1.25 mm, 0.56 mm, 0.37 mm)인 수침형 압전 트랜스듀서를 사용하였고, 결함면에 수직방향으로 표면파를 입사시켰다. 이 때 표면파 발생을 위한 입사각은 스넬의 법칙(Snell’ law)에 의해서 28°로 고정하였다. Fig. 2는 표면파 탐상 시험의 개략도를 나타낸 것이다.
Fig. 3는 표면파 시험으로부터 획득한 B-scan 결과를 나타내었다. 미세결함에서 반사된 신호는 측정 거리가 멀어짐에 따라 표면파의 도달 시간이 늦어지므로 시간 영역에서 사선의 형태로 나타난다. 측정 결과에 따르면, 파장이 3.75 mm 일 때 결함 반사 신호는 획득하기 어려웠으며, 1.25 mm 이하에서 신호 측정이 가능하였다. 하지만 0.56 mm 이하의 파장을 갖는 트랜스듀서로는 결함 반사 신호 및 표면의 특성에 따른 각종 잡음이 혼재하여 결함의 구분이 어려웠다. 따라서 본 연구에서는 후판 표면의 미세결함 탐상을 위한 파장/주파수를 1.11 mm/2.5 MHz로 선정하였다.
일반적으로 전자기 음향 트랜스듀서는 비접촉식 검사방법으로써, 후판과 같은 고온 환경의 공정 라인에서 초음파검사가 가능하고, 다양한 초음파 모드를 발생시키는 것이 용이하다. 하지만 센서의 형태에 따라 발생하고자하는 초음파의 모드와 방향성 및 변환성능이 결정되기 때문에, 측정하고자하는 결함의 종류와 형태에 따라 전자기 음향 트랜스듀서를 구성하는 요소(코일, 자석 등)들의 최적 설계가 필요하다. 특히, 후판 가장자리의 표면에 발생하는 미세결함과 같이 크기가 수십 μm 이하로 매우 작은 경우에는, 검출 주파수가 상대적으로 고주파이고 결함 반사 신호의 에너지가 클수록 유리하다. 하지만 일반적으로 미앤더 라인(meander-line, straight-line) 코일을 이용하는 전자기음향 트랜스듀서는 기존의 압전 트랜스듀서보다 에너지 변환효율이 낮기 때문에 미세결함을 검출하기에는 한계가 있다. 또한 고주파를 발생시키기 위한 코일의 제작상 한계가 있을 뿐만 아니라, 에너지 변환 효율에도 크게 영향을 미친다. 따라서, 본 연구에서는 미세결함 검출을 위한 표면파 발생용 집속 EMAT을 설계하였다.
표면파의 집속 여부에 따라 특정한 영역에서 에너지를 집중시킬 수 있고, 결함에 대한 민감도 및 분해능을 향상시키는 것이 가능하다. Fig. 4와 같이, 동심원으로 코일을 배열하면, 음향 렌즈(acoustic lens) 효과와 같이 특정 영역에 빔을 집속시킬 수 있다. 이 때 코일의 곡률에 따라 집속 초점의 위치와 빔의 방사 패턴이 결정된다. 본 연구에서는 코일 형상에 따른 표면파 집속 여부를 확인하기 위해서 레일리 인테그랄(Rayleigh integral) 해석 기법을 사용했다[7-9]. Fig. 4는 수치 해석 기법 기반의 집속 코일의 빔 방사패턴을 나타낸 것이다. 집속 위치는 코일 반경 38 mm 지점이다.
설계된 집속 코일의 성능을 검증하기 위해서, 수치 해석 모델과 동일한 코일을 제작하고 기존의 미앤더 라인 코일의 성능과 비교하였다. 코일은 1.167 mm 선폭을 가지는 FPCB(flexible print circuit board) 코일로 제작하였다. Fig. 5는 제작된 코일(straight-line coil, focusing coil)들의 빔 방사패턴을 실험적으로 비교한 것이다. 제작된 코일에 0.5 MHz 정현파를 가진하고, 레이저(scanning laser vibrometer; POLYTECH Inc.)로 후판 외면에서 수직 변위(out-of-plane displacement)를 측정하였다. 미앤더 라인 코일을 이용한 EMAT은 빔폭이 코일의 길이 방향에 걸쳐 넓게 분포하고 있는 반면, 집속 코일은 집속 지점(코일 반경 38 mm 지점)에 에너지가 집중되는 것을 확인할 수 있다. 수치해석 모델과 같이 매우 작은 영역에 집속되는 효과를 보이지는 않았지만, 집속 지점의 위치와 집속 효과를 비교해 볼 때 코일 형상 설계 방법론에 대한 유효성을 실험적으로 검증할 수 있었다.
집속 표면파를 발생시키기 위한 EMAT은 자석과 코일로 구성된다. 로렌츠 힘(Lorentz force)을 이용한 EMAT은 자석을 재료의 표면에 수직한 방향으로 배치하고, 코일을 초음파의 전파 방향에 수직하게 배열하여 표면파를 발생시킨다. 이 때 코일의 형상은 2.2절에서와 같이 곡률을 가지는 부채꼴 형태로 제작하였으며, 송신자와 수신자를 일정한 각도로 배치하였다. 표면파 발생을 위한 EMAT의 운용 주파수는 2.5 MHz이고, 주파수-파장의 관계에 따라 코일의 선 간격은 0.3 mm로 제작하였다.
후판 표면에 발생하는 미세결함은 판재의 가장자리 근처에 발생되기 때문에, 초음파를 절단면에 수직하게 입사시키게 되면 미세결함과 끝 단면에서 반사되는 신호가 중첩되어 신호 해석이 어렵다. 따라서 끝 단면에 수직하게 입사하는 초음파는 해당 결함을 검출하기 어렵고 펄스에코(pulse-echo) 방식으로는 구성이 어렵다. 따라서 빔의 입사각과 반사각이 대칭 구조인 피치캐치(pitch-catch) 방식의 코일 배열을 적용하여 전파 거리를 확보함으로써 끝 단면 반사 신호의 영향을 최소화하였다.
Fig. 6은 최종적으로 설계된 pitch-catch 방식의 집속 EMAT 코일과 EMAT을 나타낸다. 집속 표면파를 이용한 후판 가장자리의 표면 미세결함 측정용 전자기음향 트랜스듀서는 집속 코일과 영구자석, 하우징, 스캔을 위한 롤러로 구성된다.
제작된 EMAT의 집속 성능을 검증하기 위하여 Fig. 7과 같이 표면파 측정 시험을 수행하였다. 미세결함을 중심으로 집속 지점을 ±15 mm 구간을 스캔하면서 결함 반사 신호를 측정하였다. 스캔 방향은 판재 끝 단면에 수직한 방향으로 이동하였다. Fig. 8과 같이, 집속 지점이 결함의 위치와 일치할 때 반사 신호의 진폭이 가장 크게 측정되었으며, 초점거리 ±2 mm 이내에서 집속 효과에 의한 EMAT의 결함 검출 성능을 확인할 수 있었다. 이 결과로 제작된 EMAT의 집속 효과와 유효 초점거리를 실험적으로 확인하였다.
미세결함 탐상 시험은 후판 가장자리 표면에 존재하는 결함의 연속구간과 비연속 구간을 판재의 길이방향으로 스캔하면서 신호 변화를 관찰하였다. 제작된 집속 표면파 발생용 EMAT을 후판의 미세결함 근처에 위치시키고 스캔구간에서 획득한 신호 변화를 B-Scan 이미지로 나타내었다. Fig. 9는 후판 표면 미세결함의 연속 구간과 비연속 구간을 탐상하는 시험 구성을 나타낸다.
측정 주기는 연속구간과 비연속 구간을 포함하는 길이 50 mm 이내에서 1 mm 간격으로 측정하였다. 초음파 송/수신을 위한 펄서/리시버(pulser/receiver)는 RPR-4000 (RITEC Inc.)를 이용하였고, 신호 수집을 위해 오실로스코프 (Lecroy, waverunner 604Zi)를 이용하였다. 트랜스듀서는 송/수신 코일과 영구자석을 하우징에 집적하여 하나의 모듈로 제작하였고, 전기 임피던스 정합(impedance matching)을 위해서 임피던스 정합 회로를 별도로 구성하였다. 일반적으로 대부분의 구조용 철강 재료에서 표면파의 속도가 전단파 속도의 약 90%로써, 측정된 파의 속도를 계산하면 약 2814 m/sec (=76 mm/27/μsec)로서 이는 일반적인 표면파 속도와 거의 같다. 시험 결과 후판 표면 미세결함에서 반사된 신호를 26~28 μsec 시간영역에서 확인할 수 있다. Fig. 10은 측정 신호의 B-scan 결과를 나타내었다. 측정 지점 25 mm 근처에서 미세결함의 불연속 구간이 나타났으며, 이 구간을 전후로 결함 반사 신호가 측정되었다. 판재의 끝 단면에서 반사된 신호 또한 측정되는 것을 볼 수 있는데, 집속거리를 벗어남에 따라 측정 신호의 진폭이 작고, 결함 반사 신호와 끝단 반사파 사이에서 골짜기(valley)가 형성됨을 관찰할 수 있다. 이와 같이 측정 신호의 도달 시간으로부터 결함 반사 신호를 분리함으로써 미세결함의 유무를 판별할 수 있다. 이는 제안한 표면파 집속 EMAT이 후판의 표면에 미세 결함을 탐상할 수 있는 성능을 지니고 있음을 보여준다.
본 연구에서는 기존의 미앤더 라인 코일의 변환 효율의 한계 및 검출능을 개선하기 위해 집속 표면파 전자기음향 트랜스듀서를 설계하였다. 제안한 트랜스듀서는 표면에 존재하는 크기가 수십 μm 이상의 미세결함을 탐상하는데 효율적인 수단을 제공한다. 이 트랜스듀서는 집속형 코일과 영구자석, 임피던스 매칭 회로 등으로 구성되고, 모듈형으로 제작하였다. 제작된 모듈형 트랜스듀서는 표면파를 발생시키고 특정 영역에 집속하여 에너지 변환 효율을 증대킴으로써 기존의 미앤더 라인을 이용하는 전자기음향 트랜스듀서의 검출 성능의 한계를 극복할 수 있다. 실제 후판에서 표면파 전파 시험을 통해 표면파의 집속 성능 및 집속 유효거리를 확인하였고, 결함 탐상 시험을 통해 후판 표면 가장자리에 존재하는 길이 방향의 미세결함을 효율적으로 측정함으로써 그 성능을 검증하였다. 향후, 이를 기반으로 하여 철강 후판 표면 종방향 미세결함 정량화를 위한 연구가 더 필요할 것으로 사료된다. 또한 제안한 집속 전자기음향 트랜스듀서가 고온 환경에서 철강 재료 미세결함 검출에 매우 편리한 수단을 제공함으로써 집속 EMAT을 이용한 비파괴검사에 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.