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공기결합 초음파 재료특성 평가와 검사 동향

전문가 제언: ○ 공기결합 초음파(air-coupled ultrasound)는 공기를 결합매질로 사용하여 변환기가 검사대상물과 비접촉인 초음파를 말하며, 공중초음파(airborne ultrasound) 또는 비접촉초음파(non-contact ultrasound)라고도 부른다.

○ 이 해설논문은 산업재료의 공기결합 초음파를 이용한 특성평가와 비파괴검사 기술에 관한 동향이다. 여기서는 공기결합 초음파 변환기, 초음파 결합매질로 공기를 사용함에 있어 내재적 한계를 극복한 방법, 공기결합 초음파 빔을 사용한 물질의 탄성이나 점탄성 측정, 재료 판 특성평가에서 발생하는 Lamb파의 역할, 공기결합 초음파 어레이 개발, 공기결합 초음파 응용 등에 관해 기술하였다.

○ 공기결합 초음파를 발신하거나 수신하는 변환기로는 재래식 접촉형 압전형 변환기를 사용할 수 없다. 그것은 압전 물질과 초음파 결합매질인 공기의 음향 임피던스 비가 70,000 대 1 정도로 커서 공기 중으로 음향에너지 전달이 미약하기 때문이다.

○ 공기결합 초음파 변환기로는 임피던스 정합 문제를 피할 수 있는 몇 가지 용량형(capacitive) 초음파 변환기가 개발되었다. 이것은 둥근 실리콘 기판 위에 빈 공간이 있게 폴리머 얇은 막을 덮은 콘덴서 막 구조로 만들어, 콘데서 양면에 일정한 고전압 바이어스를 걸고 고주파 초음파 신호를 걸면, 폴리머 막이 진폭이 크게 진동하여 수십kHz~2MHz의 초음파를 발생, 전기적 충격이 고강도 초음파로 공기 중에 전달된다.

○ DB Engineering Village에서 2000~2014년의 ‘air-coupled ultrasonics'를 검색하면 논문 건수가 미국이 121건으로 1위이고, 다음 스페인(58건), 영국(57건), 독일(46건), 일본(40건), 이탈리아(33건) 순이고, 한국(31건)은 7위이다. 국내에서는 조선대, 한양대, 부산대, 전북대와 기계연구원, ADD, 표준과학연구원 등에서 공기결합 초음파 변환기를 이용하여 탄소복합재료의 특성평가, 결함검사, 관의 비파괴검사, 진공에서의 압력측정 등을 수행하고 있으나 연구수준이 미약한 것으로 볼 수 있다. 앞으로 보유한 잠재력을 바탕으로 관련 분야의 체계적인 발전을 기대한다.

저자: D.E. Chimenti
자료유형: 니즈학술정보