전투장비와 같은 대형 구조물의 경우 제품 생산 시 용접을 통한 접합이 필수적이다[1-3]. 용접결함의 원인은 용접재료 및 시공법의 부적당 또는 용접사의 기량 부족 등 복합적인 영향에 의해 발생한다. 용접결함의 종류는 치수상결함(변형, 치수불량, 형상불량), 구조상결함(용입부족, 융합부족, 기공, 오버랩 등), 그리고 성질상결함(기계적성질불량, 화학적성질불량)으로 분류된다[4]. 용접부를 검사하는 방법으로는 파괴 검사와 비파괴 검사가 있다. 파괴 검사의 경우 검사 대상물의 시료 채취 후 검사에 파손이 이루어진다. 때문에, 전수검사에 제한이 있어 품질향상을 통한 신뢰성 있는 제품을 제조한데는 한계가 있다.
지상궤도 전투장비 구조물의 건전성 평가는 비파괴검사를 진행하고 있다. 비파괴 검사는 크게 표면검사와 내부검사 방법으로 나눌 수 있다[5]. 표면검사 방법에는 액체침투탐상검사(PT, liquid penetrant testing), 자분탐상검사(MT, magnetic particle testing), 와전류탐상검사(ECT, eddy current testing)등이 있다[6-7]. 내부검사 방법에는 방사선투과검사, 초음파탐상검사(UT, ultrasonic testing) 등이 있다[8-9]. 지상 궤도전투장비 구조물의 경우 다양한 재질이 사용되며, 재질의 종류에 따라 검사 방법을 선정한다. 알루미늄 합금의 구조물은 표면검사에는 침투탐상검사를, 내부검사의 경우 방사선 투과검사를 병행하여 검사를 진행한다.
Fig. 1은 방사선 발생장치를 나타낸 것으로, 방사선원을 조사 후 Fig. 2와 같은 필름 현상 장비를 이용하여 현상처리 과정을 통해 방사선투과검사를 진행하였다.
이와 같은 필름 방식의 방사선투과검사는 필름 및 현상액과 같은 소모품의 비용 증가, 현상작업으로 인한 오랜 검사시간, 낮은 생산성, 환경오염등의 문제가 존재하였다.
본 연구에서는 지상궤도 전투장비 구조물의 디지털 영상처리 장비 적용으로 얻을 수 있는 이점에 대하여 평가하였다. 검사의 신뢰도 측면에서 기존 필름 방식 방사선투과검사와 디지털 영상처리 장비의 상질을 비교하여 품질검사의 향상과 신뢰성을 검증하였다.
기존 필름 방식의 방사선투과검사는 방사선 조사 후 Fig. 3와 같이 현상처리 과정을 거친 후 필름을 판독한다.
디지털 영상처리 장비의 검사 원리 및 진행 순서는 Fig. 4와 같으며 방사선원, 시험체는 기존 필름 방식의 방사선투과검사와 동일하나 필름부에 차이가 있다.
디지털 영상처리 장비는 기존의 필름 대신 Fig. 5(a)와 같은 이미지 플레이트(Image plate, IP)를 사용하며, 광 자극성인광물질(photostimulable phosphor)에 방사선이 축적되고 발산되는 원리를 이용한다. 광 자극성인광물질에 축척된 에너지를 Fig. 4(b), Fig. 5(b)와 같은 스캐너의 적색 레이저에 노출시키게 되면 방사선이 축척된 양에 비례하여 이미지 플레이트에서 녹색의 형광 빛을 발산한다. 이 빛은 디지털 영상처리 장비 스캐너에 의해 아날로그에서 디지털로 변환되며, Fig. 5(c)와 같은 판독장비에서 볼 수 있는 이미지로 만들어진다.
기존 필름 방식의 방사선투과검사는 필름을 사용한 후 재사용에 한계가 있었다. 디지털 영상처리 장비 도입을 통해서는 기존 필름을 대신해 이미지 플레이트를 사용하였다. 이미지 플레이트는 반복 사용이 가능한 형태로 기존 필름 비용 절감이 가능하였다. 이미지 플레이트는 초기 도입 비용이 한 장 당 약 300,000원으로, 약 1,500원인 필름에 비하여 비용이 크게 발생하였지만, 동일 횟수로 2,000회 촬영 시에는 이미지 플레이트가 비용이 더 저렴하였다. 2,000회 촬영 시 필름 방식의 방사선투과검사는 약 3,000,000원이 소요되었지만, 디지털 영상처리 장비는 이미지 플레이트는 초기 도입 비용 이외에 별도의 비용이 발생하지 않아 약 2,700,000원을 절감할 수 있었다.
디지털 영상처리 장비 도입을 통해서는 별도의 현상처리를 진행하지 않았다. Fig. 2와 같은 필름 현상 장비, 현상액의 관리 비용, 그리고 장비 보관 장소 절감이 디지털 영상처리 장비 도입을 통해 가능하였다.
디지털 영상처리 장비의 경우 촬영된 이미지 플레이트를 스캐너를 통해 읽으면 컴퓨터에 촬영 사진이 파일로 저장되어 보관 및 관리가 용이하다. 필름의 별도 보관이 필요하지 않으므로, 온/습도 조절, 암실 그리고 공간 유지비용 절감이 가능하였다.
기존 필름 방식의 방사선투과검사는 Fig. 6(a)와 같이 크게 방사선원을 조사 → 필름 현상 → 필름 정지 → 필름 정착 → 필름 세척 → 필름 건조 → 필름 판독을 통해 방사선투과검사를 진행하였다. 현상 처리 공정으로 인해 필름의 판독까지 오랜 시간이 소요되었다. 방사선투과검사의 오랜 작업시간으로 인해 후속공정에도 영향을 미쳐 생산에 차질이 발생하였다. 디지털 영상처리 장비를 통해서는 필름 현상처리의 생략으로 Fig. 6(b)와 같이 획기적으로 검사 공정을 줄일 수 있었다.
기존 필름 방식의 방사선투과검사는 용접된 지상궤도 전투장비 구조물의 필름을 현상하는데 30매 기준으로 약 2시간이 소요되었다. 디지털 영상처리 장비는 이미지 플레이트를 스캐너에 삽입 후 컴퓨터를 통해 즉시 촬영 사진 확인이 가능하였으며, 필름 현상 공정을 단축하고 시간절약이 가능하였다. 또한, 이미지 플레이트는 필름에 비하여 더 큰 허용 오차가 존재하므로 재촬영 및 업무량을 줄일 수 있었다. 디지털 영상처리 장비는 촬영 사진을 컴퓨터로 파일로 저장하고 검사가 이루어 진 이후 몇 분만에 빠른 결함판정이 가능하여 생산성 향상에 기여하였다.
비파괴검사는 신뢰성이 중요하다. 촬영 사진의 조작으로 불합격 제품이 합격 처리가 되면 제품의 건전성에 문제가 되기 때문이다. 디지털 영상 처리 장비의 경우 촬영한 사진에 원본 표기 기능이 있다. Fig. 7(a)와 같이 원본 표기 기능을 사용하면 이미지 상에 “원본” 표기가 되며 위변조가 되면 Fig. 7(b)와 같이 “원본” 스템프가 나타나지 않는다. 또한, Fig. 8과 같이 D/B(메타데이터)상에 모든 작업 기록이 자동 저장되며, 위변조가 되었다면 추적 기록이 비정상으로 표기가 된다. 위변조 추적 기능을 통해 방사선투과검사가 이루어진 사진은 위변조를 방지할 수 있다.
디지털 영상처리 장비는 현상액, 정지액, 정착액 등의 화학 물질을 발생시키지 않는다. 기존 필름 방식의 방사선투과검사는 현상처리가 과정에서 인체 유해성, 작업성의 저해, 그리고 환경문제를 가지고 있었다. 현상처리 과정 중 현상액과 정착액이 눈에 들어가는 경우, 피부에 접촉하는 경우, 그리고 흡입하는 경우를 대비하여 작업자의 특별한 주의가 요구되었다. 또한, 잠재적으로 정전기 등의 열원에 의해 화재 및 폭발의 위험을 가지고 있으며, 화재가 일어날 경우 화학물질의 특성상 화재 진압이 어려운 문제가 존재하였다. 현상과정 중 발생한 폐액은 별도 보관 및 회수 과정이 필요하였다. 디지털 영상처리 장비의 도입을 통해서는 필름 및 현상처리 과정을 생략할 수 있어 소모품 및 현상 과정 중 발생하는 화학물질에 대한 환경적 요소를 개선하였다.
지상궤도 전투장비 구조물을 기존 필름 방식의 방사선투과검사와 디지털 영상처리 장비의 방사선투과 사진을 촬영 후 분해능을 비교 평가하였다. Fig. 9(a)는 조대 기공과 융합불량 결함이 존재하는 지상궤도 전투차량 구조물간의 용접한 시험체를 나타낸 것이다. Fig. 9(b)는 기존 필름 방식의 방사선투과검사 촬영 사진이며, Fig. 9(c)는 디지털 영상처리 장비를 통해 촬영한 사진이다.
용접시험편은 알루미늄 재질의 두께가 30 mm인 궤도차량 전투장비 구조물 중의 일부이며, 투과도계는 미국재료시험협회(ASTM, American society of testing materials) E 747에서 규정한 알루미늄 재질의 선형 투과도계 SET B를 이용하였다[10].
방사선투과 사진을 확인 한 결과 기존 필름 방식의 방사선투과검사 사진은 Fig. 9(b)와 같이 투과도계의 두꺼운 선으로부터 3번째 선(0.51 mm)까지만 식별되었다. 디지털 영상처리 장비 사진은 Fig. 9(c)와 같이 6개의 선 중 가장 가는 선 (0.25 mm)까지 식별되었다.
Fig. 10(a)는 차체구조물과 어퍼터넌스(appurtenance)를 용접한 사진으로 두께가 25 mm이며, 두께 및 용접부위를 제외하고 Fig. 10의 촬영 조건과 동일하다.
Fig. 10(b)는 기존 필름의 방식 방사선투과검사 사진이다. 투과도계의 왼쪽와 오른쪽 모두 3번째 선(0.51 mm)까지 식별할 수 있음을 확인할 수 있다. Fig. 10(c) 디지털 영상처리 장비 사진은 왼쪽 오른쪽 투과도계 모두 두꺼운 선으로부터 5번째 선(0.33 mm)을 확인할 수 있다.
이를 통해 디지털 영상처리 장비를 통한 영상 취득이 기존 필름 방식의 방사선투과검사 보다 높은 분해능을 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한 영상의 선명도 역시 디지털 영상처리 장비가 우수함을 확인하였다.
본 연구는 지상궤도 전투장비에 기존 필름 방식의 방사선투과검사와 디지털 영상처리 장비를 적용하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 디지털 영상처리 장비의 도입으로 이미지 플레이트의 반복사용을 통해 촬영비용 절감, 현상처리 유지 비용, 그리고 필름 보관 비용을 절감이 가능하였으며, 현상처리 공정 생략으로 빠른 의사 판단을 통해 생산성을 향상시킬 수 있었다.
2) 디지털 영상처리 장비의 촬영 사진의 위변조방지 기능을 통해 고객에게 신뢰성 있는 제품을 제공할 수 있었으며, 현상처리 과정에서 사용되는 화학물질을 사용하지 않아 환경 문제 및 잠재적 화재 발생 요인을 개선할 수 있었다.
3) 기존 필름 방식의 방사선투과검사와 디지털 영상처리 장비의 촬영 사진을 비교 평가하여 디지털 영상처리 장비의 분해능이 우수함을 입증하였다.