초음파 검사의 역사
물체의 두께를 측정할 때 일반적으로 많이 사용하는 도구 중 하나는 버니어 캘리퍼스입니다. 버니어 캘리퍼스는 바깥지름, 안지름, 깊이 등을 정밀하게 측정할 수 있는 기계식 측정 도구로 주눈금과 버니어 눈금을 조합하여 아주 작은 단위까지 정확하게 측정할 수 있습니다.
하지만 축정 물체의 한 방향에서만 접근이 가능한 경우에는 초음파 방식의 측정 기기가 효과적입니다. 예를 들어, 파이프 내부나 대형 탱크 등과 같이 직접적인 접촉이 어렵거나 내부 부식 상태를 확인해야하는 경우에 초음파 측정기를 활용하면 물체에 손상없이 확인할 수 있습니다.
2차 세계대전 이후 초음파 비파괴 검사(NDT: Non-Destructive Testing) 기술이 급속도로 발전하였습니다. 특히, 1974년 General Motors사가 공명 방식의 초음파 두께 측정기인 'Sonigage'를 개발하면서 상업적 초음파 측정 기술의 문을 열었습니다. 이후 Norman Branson이 'Audigage'와 'Vidigage'라는 기기를 선보이며, 초음파 두께 측정 분야에 새로운 전기를 마련했습니다.
1955년을 기점으로 초음파 측정 장비의 기술 발전은 더욱 가속화되었으며, 그 결과 초음파의 원리를 응용한 다양한 검사 방식들이 등장하게 됩니다. 기술 진보에 따라 초음파 두께 측정기는 점차 소형화되고 정밀도도 높아져, 산업 현장에서 더욱 널리 활용되기 시작했습니다.
현대에는 재료 내부의 결함을 확인하거나 부식 및 마모 상태를 측정하는 데 있어 빠르고 정확한 비파괴 검사 수단으로서 없어서는 안 될 기술로 자리 잡게 되었습니다.
초음파 두께 측정에서 가장 중요한 것은 물체에 적합한 기계와 탐촉자를 잘 선택하는 것입니다.
탐촉자(Probe)는 초음파 신호를 송수신하는 핵심 부분이기 때문에, 신호를 제대로 수신하지 못하거나 왜곡된 신호만 수신할 경우, 아무리 측정기의 성능이 우수하더라도 정확한 측정은 불가능합니다.
이를 방지하고 정확하고 안정적인 초음파 신호를 얻기 위해서는, 먼저 초음파가 물질 내에서 어떻게 전달되는지를 이해하는 이론적 기초가 필요합니다. 측정 대상이 되는 재질의 음속(sound velocity) 값을 정확히 알고 있어야 하며, 이는 곧 두께 측정값에 직접적인 영향을 미치는 중요한 요소입니다.
또한, 두 가지 이상의 서로 다른 재질이 접합된 구조물에서는 초음파의 전달 특성 및 반사, 굴절 등 물리적 현상을 이해해야 하며, 초음파가 정확히 도달할 수 있는 깊이나 거리(전달 범위)도 고려해야 합니다. 이와 더불어 초음파가 검사물에 제대로 전달되도록 돕는 카플런트(couplant)의 선택과 사용법도 신호 품질에 큰 영향을 미치며, 사용하려는 초음파 측정 장비의 작동 원리와 사양과 기기의 조작법까지 철저히 익혀야 합니다.
이 모든 요소들이 유기적으로 맞물려야만, 탐촉자를 통해 신뢰도 높은 측정 결과를 얻을 수 있으며, 정밀한 비파괴 두께 검사가 가능해집니다.
카풀런트의 역할과 측정원리
고주파 음파는 파장이 매우 짧고 공기중에서는 효율적으로 전달되지 않는 특성을 가지고 있습니다. 하여 탐촉자와 검사물 사이에 반드시 카플런트(couplant)라는 매질을 사용합니다. 카플런트는 초음파가 공기층을 통과하는 것을 방지하고, 음파가 탐촉자에서 검사물로 전달될 수 있도록 도와주는 물질입니다. 일반적으로 글리세린, 물, 기름 등이 카플런트로 사용되는데 병원에서 초음파 검사를 할 때 겔을 사용하는 것과 같은 원리입니다.
탐촉자는 전기 신호를 받아 초음파를 발생시키며, 이 음파는 카플런트를 통해 검사물 내부로 전달됩니다, 내부를 통과한 음파는 '검사물의 반대면'에 반사되어 다시 탐촉자로 돌아오게 됩니댜. 탐촉자는 반사된 신호를 다시 전기적 신호로 변환하여 측정기로 전달합니다.
초음파 두께 측정기의 핵심은 이 왕복시간, 즉 초음파가 탐촉자에서 출발하여 검사물 내부를 지나 반사되어 돌아오기까지의 시간차를 정확하게 측정하는 것입니다.
하지만 재료에 따라 초음파의 전달 속도가 다릅니다. 예를 들어 알루미늄의 경우 일반적으로 초음파 속도는 약 6,320로 설정되지만 실제는 각 제품 특성에 따라 약간의 오차가 있을 수 있습니다. 따라서 측정 대상이 바뀔 때마다 반드시 해달 재질의 정확한 음속값을 입력해야 합니다.
재질의 정확한 음속값을 알아내는 방법
- 공식 자료나 제조사 데이터 시트 확인
일반 적인 재질(탄소강, 알루미늄, 스테인리스 강 등)은 재료공학 서적, ASTM,ISO,ASME 등의 공인자료나 소재 제조사의 데이터시트에 명시되어 있습니다.
- 측정기 내장 음속 라이브러리 사용
상용 초음파의 두께 측정기에는 흔히 사용되는 재질의 표준 음속값이 프리셋 되어 있어 선택만으로도 세팅이 가능합니다.
- 사전 두께를 알고 있는 시편을 이용한 교정
이 방법은 가장 정확한 방법으로써 두께가 확실히 알려진 샘플을 사용하여 장비를 교정하면, 측정기 자체가 실제 음속을 역산하여 세팅하게 됩니다. 예를 들어 10mm 탄소강 시편을 측정기에 대고 교정하면 장비가 음속을 자동으로 계산합합니다.
- 직접 계산
실제 두께와 초음파 왕복 시간을 정밀하게 측정하면 다음 공식으로 음속을 계산할 수 있는데 이 방법은 고정밀 측정기와 기준 시편이 있을 때 사용합니다.