'초음파 검사'하면 보통 무엇이 떠오르시나요? 저는 병원에 가면 하는 초음파만 떠오릅니다.
그런데 초음파가 생각보다 많은 부분에서 활용되고 있습니다. 우선 초음파가 무엇인지 간단히 정리해 보겠습니다.
초음파란?
초음파는 사람의 귀로 들을 수 없는 주파수로 20kHz 이상의 주파수 대역입니다.
우리가 가장 많이 접하는 의료용 초음파 검사기, 초음파 가습기 외에도 유량 측정, 초음파 거리측정, 비접촉 초음파 감지 장치, 초음파 세척기, 초음파 지방 두께 측정기, 초음파 위치 탐지 시스템 등 꽤나 많은 부분에서 사용되고 있습니다.
그중에서도 초음파 탐상(비파괴) 검사를 알아보고자 합니다.
초음파 탐상(비파괴) 검사
비파괴 검사에서 흔히 사용되는 초음파의 주파수 범위는 대체로 0.5MHz에서 15 MHz입니다. 이는 내부 결함을 효과적으로 탐지할 수 있는 적절한 주파수 대역으로, 초음파 탐상이나 두께 측정과 같은 응용에 널리 활용됩니다. 반면, 보다 정밀한 분석이 필요한 초음파 현미경 등에서는 100 MHz에서 1 GHz에 이르는 고주파 초음파가 사용되며, 이로 인해 훨씬 높은 분해능을 확보할 수 있습니다. 초음파의 주파수가 낮을수록 전파 거리는 길어지지만 해상도는 낮아지고, 반대로 주파수가 높을수록 세밀한 구조를 탐지할 수 있으나 감쇄가 심해 멀리까지 도달하지는 못합니다.
비파괴 초음파 검사 기법은 초음파를 물체 내부로 투과시킨 후, 내부의 불연속면(기공, 균열 등)에서 반사되는 파형의 강도와 도달 시간 등을 분석하여 결함의 위치나 크기를 판단합니다. 예를 들어, 사람이 500m 떨어진 반사판을 향해 소리를 질렀을 때, 반사음이 3초 후에 들린다면 실제 반사판까지의 거리는 약 300m임을 추정할 수 있습니다. 이와 같은 원리를 초음파 검사에 적용하는 것입니다.
초음파는 매질이 존재해야 잘 전달되므로 공기 중보다는 금속 같은 고체 내부에서 더욱 효과적으로 전파됩니다. 그러나 내부에 불연속면이 존재할 경우, 초음파의 일부는 반사되어 되돌아오며, 이를 감지함으로써 결함의 위치와 상태를 파악할 수 있습니다.
이러한 초음파 검사 기술은 결함의 크기나 균일도, 부식 상태 등을 정밀하게 평가할 수 있을 뿐만 아니라, 초음파 화상 시스템을 통해 재료 내부의 결함을 시각화할 수도 있습니다. 또한, 두께 측정 시스템을 이용해 재료의 두께를 실시간 모니터링하거나, 초음파를 이용한 경도 측정은 표면을 손상시키지 않고도 재료의 경도를 평가할 수 있습니다.
이외에도 초음파는 콘크리트, 석재, 목재 등 다양한 재료에 적용 가능하며, 열처리 깊이 측정, 초음파 음압 측정 등 디지털화된 다양한 기술로 확장되어 넓은 산업 분야에서 활용되고 있습니다.
최근의 초음파 탐상 시스템
최근, 다양한 고도화된 초음파 검사 기법이 활발히 도입되고 있습니다. 그중 하나는 하모닉 신호를 활용한 비선형 초음파 분석 시스템으로, 기존 방식보다 민감하게 결함을 탐지할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한, 초음파의 공명 현상을 이용하여 재료 내부의 결함을 진단하는 초음파 공명 검사 기법도 널리 활용되고 있습니다.
이외에도 고온 환경이나 장거리 검사에 적합한 기술로는 유도 초음파를 기반으로 한 휴대용 EMAT(Electro-Magnetic Acoustic Transducer) 검사 시스템이 있으며, 이는 센서를 직접 접촉시키기 어려운 조건에서도 안정적인 검사가 가능합니다.
레이저를 이용해 초음파 신호를 유도하고 이를 기반으로 비접촉식 검사를 수행하는 레이저 초음파 검사 시스템 역시 사용이 증가하고 있으며 유도 초음파 검사 기술 또한 복잡한 구조물이나 넓은 면적을 효율적으로 검사입니다.
초음파 탐상 검사의 장단점
초음파 검사는 결함의 위치를 정밀하게 측정할 수 있는 편이며 장비에 부착된 모니터를 통해 결과를 직관적으로 확인이 가능합니다. 또한 인체에 무해하고, 두께가 있는 재료에서도 비교적 수월하게 검사가 가능하기 때문에 활용도가 높습니다. 가장 큰 장점으로는 검사체를 훼손하지 않으면서도 내부 결함을 측정할 수 있음에 더해, 장비의 구입 및 유지 비용이 상대적으로 낮다는 점입니다.
반면, 검사 결과는 전문적인 판독과 보고서에 의존해야 하는 경우가 많고, 결함의 종류를 명확하게 구분하는 면에서 한계가 있습니다. 또 금속의 조직 상태에 따라 초음파 신호가 영향을 받을 수 있으며, 검사 대상 표면이 고르지 않을 경우 정확한 반사 신호를 얻는 데 어려움이 따릅니다. 특히 박판의 경우에는 일반적인 탐촉자만으로는 한계가 있기 때문에 전용 장치나 특수 탐촉자를 사용해야 합니다.
초음파의 발생 원리
초음파를 발생시키는 방식은 여러 가지가 있지만, 그 중에서도 가장 일반적으로 사용되는 방법은 PZT(압전 세라믹) 진동자와 PVDF(고분자 필름) 진동자를 이용하는 방식입니다.
예를 들어, 지르코늄을 기반으로 한 진동 소자 양면에 은을 증착하고, 그 양 전극 사이에 전압을 인가하면 전기적 신호가 기계적 진동으로 변환됩니다. 이때 전압의 크기와 전하의 양에 따라 진동자가 팽창하거나 수축하면서 진동이 발생하고, 이로 인해 초음파가 생성됩니다.
초음파는 검사체 내부를 '왔다 갔다 한다'는 표현보다는, 에너지가 '전달된다'는 표현이 더 적절합니다. 이는 마치 고요한 웅덩이에 돌을 던졌을 때 물결이 점차 바깥으로 퍼지는 현상과 유사한데, 이때 실제로 물이 이동하는 것이 아니라 돌이 가진 에너지가 주변으로 전달되는 원리와 같습니다. 초음파 역시 동일한 개념으로, 진동자가 검사물의 표면에 진동을 주면 매질을 따라 에너지가 연속적으로 전달되었다가 다시 탐촉자로 돌아오는 것입니다.
초음파 탐촉자를 구동하기 위해서는 초음파 펄스를 발생시키고 수신할 수 있는 전용 장비가 필요합니다. 이 장치는 진동자에 전압을 주기적 발생하고 차단함으로써 진동자의 움직임을 일으키며, 이 진동이을 검사체로 전달되어 초음파 신호를 생성하게 됩니다.
초음파 탐상기에는 초음파 펄스 발생 및 수신 회로가 내장되어 있어 고성능 탐상기를 사용한다면 별도의 복잡한 설정이 없어도 안정적인 검사가 가능하지만 초음파를 사용한 연구 및 정밀 두께 측정, 화상 시스템 구성 등에서는 안정적인 신호를 얻기 위해 고품질의 신호/ 발생 수신 장비를 갖추는 것이 중요합니다.
장비를 선택할 때는 사용할 파형의 종류—연속파(Constant Wave), 정사각형 파형(Square Wave), 스파이크 파형(Spike Wave), 유도 초음파(Guided Wave) 등—에 대한 고려가 필요합니다. 온라인 검사와 같이 다채널 측정이 필요한 경우에는 멀티플렉서(Multiplexer)의 내장 여부나 외부 연결의 용이성, 그리고 초음파 신호를 외부 장치로 출력하기 위한 출력 단자의 구성 등도 중요한 기준이 될 것입니다.
이에 더해 장비의 출력 전압, 지원 주파수 범위, 감도 조절 가능 여부 등도 주요 고려 사항으로 이지만, 장비를 어떤 목적과 환경에서 사용할 것인지가 가장 중요합니다. 예를 들어, 단순한 결함 검출을 위한 현장 검사인지, 고정밀 두께 측정이나 연구 목적의 데이터 수집인지에 따라 요구되는 장비의 성능과 기능은 크게 달라질 수 있으며 적합한 장비를 사용해야 일의 효율을 증가시킬 수 있습니다.
최대한 쉽게 풀어보려고 했는데 어떠셨을지 모르겠습니다. 다음 포스팅에서는 초음파 탐촉자 선택에 관해 알아보겠습니다!