KR101299517B1 - 굴곡면을 가지는 재료의 초음파 비파괴검사가 가능한 고분자재료 기반 유연한 위상배열 초음파 탐촉자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 단일 압전소자를 사용하는 직접 접촉식 초음파 탐촉자의 단점을 개선하여 여러 개의 압전소자를 배열하여 탐촉자의 구성요소인 전면정합층과 후면정합층을 고분자 재료로 제작함으로써 굴곡면을 가지는 소재나 설비 등에 쉽게 접촉하여 효율적인 비파괴 초음파 검사를 가능하게 하는 고분자재료 기반 유연 위상배열 초음파 탐촉자에 관한 것이다.

Description

굴곡면을 가지는 재료의 초음파 비파괴검사가 가능한 고분자재료 기반 유연한 위상배열 초음파 탐촉자{AN POLYMER MATERIAL BASED FLEXIBLE PHASED ARRAY ULTRASONIC TRANSDUCER FOR ULTRASONIC NONDESTRUCTIVE TESTING OF MATERIAL WITH UNEVEN SURFACE}

본 발명은 배관류, 용접부, 곡관부 및 곡면이 일정하지 않은 설비류와 부품 등의 비파괴 검사에 적합한 초음파 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기존의 배관이나 이종금속 용접부의 비파괴 검사용 초음파 세서의 단점을 보완할 수 있도록 다수의 개별 압전소자가 일렬로 배치되어 초음파 센서의 주요 구성요소인 전면정합층과 후면정합층이 개별적으로 피검사체의 곡면에 적합하게 휘어지면서 접촉함으로써 비파괴 검사가 가능한 위상배열 초음파 센서에 관한 것이다.

본원발명의 배경기술로 종래 국내에서는 각종 발전소 또는 산업설비 등에 많은 종류의 배관이 적용되고 있으며 다양한 종류의 부품이나 재료들이 개발되어 사용되고 있다. 이들 재료들이 가지는 각종 결함들은 설비의 장기 사용 안전성이나 부품의 신뢰성에 많은 영향을 주기 때문에 조기에 이들 결함을 검출하고 평가함으로써 재료 파손이나 손상에 따른 피해를 감소시켜야 한다. 현재 이들 설비나 재료, 부품들의 내부 결함을 검출하기 위한 비파괴 방법으로 초음파, 와전류, 자분탐상, X-선 투과 등과 같은 비파괴 검사기술이 적용되고 있으며, 이들 중 초음파 검사 법이 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 배관 곡관부나 굴곡면이 많은 용접부분 등에 대한 비파괴 검사는 종래의 단일 초음파 탐촉자를 사용함에 따라 초음파의 감쇠가 심할 뿐만 아니라 굴곡면에 접촉함으로서 발생하는 초음파 신호의 왜곡 등으로 인하여 정확도가 높은 초음파 검사가 어려운 경우가 많다. 또한 기존의 단일 초음파 탐촉자를 이용한 접촉식 초음파 탐상기법은 검사자의 숙련도에 따라 비파괴 검사 결과가 달라진다는 단점이 있어 보다 신뢰성이 높고 효율적인 탐상기법의 개발이 요구되고 있다. 위상배열 초음파 탐상법은 그동안 고가의 의료용 영상진단 장비에 적용되어 왔으나 최근 관련 기술의 발달로 산업용 비파괴 검사기술로 응용하기 위한 연구가 수행되고 있다.

국내의 위상배열 탐상시스템 제작 및 기술수준은 선진국과 그렇게 큰 차이를 나타내지 않으나, 정확한 검사를 위해서는 탐상장비의 핵심이라고 할 수 있는 산업설비 검사를 위한 전용 위상배열 초음파 탐촉자가 개발되어야 한다. 현재 단일소자 압전형 초음파 탐촉자의 설계 및 제조 기술은 거의 선진국 수준에 도달하였으나, 진동자 재료 개발, 음향재료 개발, 위상배열 탐촉자의 설계 및 제조 기술 등에 대해서는 아직도 선진국 기술과 큰 수준차이를 나타내고 있다.

본 발명에서는 곡면이 일정하지 않은 각종 배관류, 설비류, 부품 및 소재 등의 탐상면 표면에 굴곡이 있더라도 손쉽게 적용할 수 있는 고분자 재료 기반 표면적응형 위상배열 초음파 탐촉자를 제작할 수 있는 방법을 창안하였다.

국내 등록특허공보 제10-0722370호(2007.05.29.) 국내 공개특허공보 제1999-0025434호(1999.04.06)

본 발명은 곡면이 일정하지 않은 표면에 손쉽게 적용할 수 있도록 고분자 재료를 이용한 위상배열 초음파 탐촉자에 관한 것이다.

현재 국내에서 발전설비, 산업설비, 각종 부품, 소재 등에 적용되는 위상배열 초음파 비파괴 검사기술은 위상배열 초음파 탐촉자의 접촉부 면이 딱딱하고 편평하기 때문에 접촉부 면이 굴곡이 있거나 휘어지는 경우에는 적용할 수 없다. 이와 같이 굴곡이 있거나 휘어지는 경우에는 비파괴 검사의 신뢰성을 떨어뜨리고 정확한 검사를 수행하기가 곤란한 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명에서는 위상배열 초음파 탐촉자가 비파괴 검사 대상체의 임의의 형상에 적용할 수 있도록 구성하였다. 즉, 위상배열 초음파 탐촉자를 구성하는 개별 소자들이 탐상면에 따라 구부러지고 휘어질 수 있는 표면적응형 위상배열 초음파 탐촉자를 창안하였다. 이를 위하여 초음파 탐촉자의 주요 구성요소인 전면정합층과 후면정합층이 쉽게 구부러지면서도 초음파 특성이 양호하도록 고분자 재료를 중합하여 초음파 탐촉자의 개별 압전소자에 결합함으로서 대상 시험체의 접촉면 형상이 변하더라도 쉽게 표면에 접촉하여 비파괴 초음파 검사가 가능하도록 하였다.

본원 발명은 각종 굴곡면을 가지는 설비, 부품, 소재 등의 비파괴 검사에 적합한 초음파 센서에 관한 것이다. 종래의 위상배열 초음파 탐촉자는 대상 시험체의 굴곡면에 유연하게 접촉할 수 없기 때문에 비파괴 검사시험이 어려울 뿐만 아니라 검사의 신뢰성에 많은 문제가 있었다. 본원 발명은 고분자 재료를 이용하여 위상배열 초음파 탐촉자를 유연하게 구성하고, 따라서 탐촉자가 대상 시험체의 표면 굴곡에 따라 쉽게 접촉이 가능하기 때문에 비파괴 초음파 검사 기술의 신뢰성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 고분자 재료 기반 유연한 위상배열 초음파 탐촉자의 구성도
도 2는 고분자 재료 기반 유연한 위상배열 초음파 탐촉자의 전면정합층 모형
도 3은 전면정합층에 접합된 압전소자들을 성형시키기 위한 후면정합층 모형
도 4는 본 발명의 전면정합층이 제작 된 후의 사시도
도 5는 도 4의 상부 모습의 사시도
도 6은 전극 결선용 유연한 PCB 기판 사진
도 7은 후면정합층에 유연 PCB 기판이 부착된 모습의 사시도
도 8은 위상배열 초음파 탐촉자 모형 사진

본원 발명은 발전소 및 산업설비 등에 많이 사용되는 배관이나 곡면부, 부품, 소재 등의 내부 결함에 대하여 초음파를 이용하여 정확하게 검사할 수 있는 위상배열 초음파 탐촉자에 관한 것이다. 눈에 보이지 않는 배관 등의 내부 결함은 설비나 부품의 사용 안전성에 큰 영향을 미치며 조기에 이러한 결함을 검출하지 못하고 장시간 사용할 경우 소재나 부품의 열화 등에 따라 설비의 고장, 붕괴와 같은 사고를 유발시킬 수 있다.

이러한 내부 결함 등을 검출하기 위한 기존의 접촉식 초음파 비파괴 검사방법에 사용되는 초음파 탐촉자는 단일 압전소자를 사용하여 결함에서 반사되어 수신되는 초음파 신호 파형을 오실로스코프나 디스플레이 등으로 출력하여 결함의 유무를 진단하는 방법이다.

이 방법은 비파괴 검사자의 숙련도에 따라 결함 검출의 정확도가 많이 좌우되며 특히 재료내부에서 초음파 감쇠가 심한 재료에서는 기존의 단일 압전소자를 이용하는 초음파 탐촉자에서는 결함에서 반사되는 초음파 신호를 효과적으로 검출할 수 없다는 단점이 있다.

따라서 이러한 단점을 극복하기 위하여 여러 개의 압전소자를 일렬로 배열하여 각각의 압전소자를 일정 시간차이로 구동시켜 하여 위상차이를 분석하는 검사방법이다. 다시 말해 개별 소자들의 위상을 제어하여 발생되는 초음파 신호를 피검체의 결함 있는 부분으로 보냄과 동시에 결함에서 반사되어 수신되는 초음파 신호를 개별 압전소자들이 시간차를 두고 수신하여, 즉 위상차이를 두고 수신하여 모두 합한 다음 영상으로 표시하게 되면 결함에서 반사되어 수신되는 초음파 신호를 효과적으로 분석할 수 있으며, 이러한 기법은 현재 의료용 초음파 진단기에서 많이 사용하는 방법이다.

이러한 위상배열 초음파 탐상 기법에 필요한 초음파 센서가 위상배열 초음파 탐촉자이다. 그러나 이러한 기법은 피검체의 표면이 불균일한 배관이나 용접부 등에 적용할 경우 초음파 탐촉자의 접촉면이 완벽하게 접촉하지 않아서 초음파 탐촉자에서 발생된 신호가 대상 시험체 내로 효과적으로 전달되지 않을 뿐만 아니라 대상 시험체 내 결함에서 반사되는 신호도 초음파 탐촉자로 전달되지 못하는 단점이 있다. 따라서 대상 시험체 표면의 형상에 적합하게 초음파 탐촉자의 접촉면이 잘 접촉될 수 있도록 초음파 탐촉자의 접촉면이 유연하게 움직일 수 있는 구조로 고안된 것이 본 발명의 고분자재료 기반 유연한 위상배열 초음파 탐촉자이며 본 발명은 이에 대한 제작 방법에 대한 내용이다.

이하 본 발명에 따른 고분자재료를 기반으로 한 위상배열 초음파 탐촉자의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명에서 제안되는 굴곡면을 가지는 재료의 비파괴 초음파 검사에 적합한 고분자재료 기반 유연한 위상배열 초음파 탐촉자는 도 1과 같이 구성된다.

본 발명은 종래 위상배열 초음파 탐촉자의 전면정합층을 유연하게 움직일 수 있도록 하여 시험 대상체의 굴곡면에 최대한 접촉이 가능하게 하는 구조의 위상배열 초음파 탐촉자이다.

본 발명의 고분자재료 기반 유연한 위상배열 초음파 탐촉자는 도 1에서와 같이 압전소자(11) 전면에 초음파의 투과율을 최대로 할 수 있는 고분자재료의 전면정합층(21)을 접합시키고, 압전소자(11)에서 발생되어 압전소자(11)의 후면으로 전달되는 초음파 신호를 감쇠시킴과 동시에 전면정합층(21)을 통과하여 압전소자(11)에 수신되는 초음파 신호의 감도를 조절하기 위한 기능을 수행하는 후면정합층(22)을 마찬가지로 고분자재료로 제작하여 접합된 형태로 구성한다.

초음파 신호발생기로 압전소자(11)를 구동하고 수신된 초음파 신호를 초음파 수신기로 전달할 수 있는 신호연결선용 유연 PCB 기판(31)을 개별 압전소자의 상부 및 하부 전극에 연결한다.

상기 위상배열 초음파 탐촉자의 압전소자 개수는 필요에 따라 여러 다수의 배열 형태로 구성되며 탐촉자의 주파수 범위는 100 kHz 이상의 주파수 범위가 해당된다. 바람직하게는 100kHz 이상 5mHz 까지의 주파수 범위로 한다.

도 2는 제작된 전면정합층 모형을 나타내며 8 채널의 압전소자가 일렬로 배열되어 있으며, 필요에 따라 배열하는 압전소자의 개수를 증감시킬 수 있다. 본 발명의 상기 배열 구조의 전면정합층 제작용 금형에 전극이 연결된 압전소자를 위치시킨 후 밀도가 약 1000 kg/㎥ 내외의 Poly butylmethacrylate (C(CH₂)CO₂CH₂CH₂CH₂CH₂)의 중합체 제조용 용액을 부어 넣어 약 100℃ 내외로 성형을 한다.

전면정합층 성형 후 금형을 제거한 다음 전면정합층에 접합된 압전소자들을 후면정합층 제작용 금형에 위치시킨 후 Methyl-Vynil Silicon Rubber 복합재료용 용액을 부어 성형을 하며, 도 3의 형태로 제작한다.

후면정합층을 성형할 때 상부 및 하부 전극을 압전소자의 상하부에 미리 결선을 해 둔 상태에서 성형한다.

전면정합층이 제작 된 후의 모습은 도 4와 같이 전면정합층(21), 전극이 연결된 위상 배열 압전소자 (11), 후면정합층 (22), 하부전극 (41), 상부전극(42)이 제작된 상태의 하부 모습을 나타내며, 도 5는 상기 도4의 상부 모습을 나타내는 도면으로서 후면정합층(22), 상부전극(42), 하부전극(41)을 나타낸다.

전극 결선용 유연한 PCB 기판을 도 6과 같이 제작하고, 도 7과 같이 배열 압전소자 상하부 전극에 각각 연결한 후 후면정합층(22)의 뒤쪽으로 유연한 PCB 기판(31)을 꺾어 접은 다음 접히는 부분의 바깥쪽 면에 부착할 수 있는 유연한 소재의 얇은 두께의 고분자 재료 후막(23)을 접합한 다음 유연한 PCB 기판(31)에 연결되지 않고 남아 있던 하부전극(41)들을 다시 꺾어 접어 유연한 PCB 기판(31)의 접지면에 모두 접합한 후 도 8에서 설명할 후면정합층 재료(도 8의 22)로 다시 감싸게 된다. 7은 하부 전극 보호용 후면정합층 재료(22)가 제작 되지 않은 상태이다.

유연한 PCB 기판을 보호하기 위하여 도 7과 같이 제작된 초음파 탐촉자를 다시 도 2와 같은 금형에 부착한 후 후면정합층과 동일한 재료를 이용하여 유연한 PCB 기판 상부와 하부 전극이 꺾이는 부분을 후면정합층 재료(도 8의 22)로 다시 감싸게 되면 도 8과 같은 고분자 재료 기반 유연한 위상배열 초음파 탐촉자가 완성된다.

11, 16, 18: 압전소자 15: 압전소자가 접합되어 성형된 전면정합층 모형
17: 전면정합층의 압전소자들을 배치하여 성형한 후면정합층 모형
21: 전면정합층 22: 후면정합층
23: 전극 보호용 고분자 후막 31: 유연 PCB 기판
41: 하부전극 42: 상부전극

Claims (6)

1. 고분자재료 기반 유연 위상배열 초음파 탐촉자에 있어서,
   압전소자를 고분자 중합재료로 접합시킨 전면정합층, 상기 전면정합층의 일측을 복합재료를 이용하여 성형시킨 후면정합층을 구성하고, 상기 후면정합층의 유연 PCB 기판들이 대상 시험편의 표면 형상에 따라 구부러지도록 구성하고,
   상기 탐촉자의 주파수 범위는 100kHz에서 5mHz의 주파수 범위인 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전면정합층 접합 재료는 초음파의 투과가 최대가 되는 고분자 중합 재료로서 Poly butylmethacrylate (C(CH₂)CO₂CH₂CH₂CH₂CH₂)의 계통의 중합체를 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
3. 제 1항에 있어서
   상기 후면정합층 재료는 초음파 탐촉자의 감도와 대역폭의 조절이 가능한 Methyl-Vynil Silicon Rubber 계통의 재료를 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
4. 삭제
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전면정합층은 음향방출 신호 전달을 최대화할 수 있는 음향임피던스가 2∼5 MRayL 범위의 음향 임피던스를 가지는 전면정합층인 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 후면정합층은 음향방출 신호 검출의 감도와 대역폭을 조절할 수 있는 임피던스가 1∼10 MRayL 범위의 음향임피던스를 가지는 후면정합층인 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
   
   

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