쉬어로그래피 원리, 장점 및 적용 분야(Shearography, 비파괴검사, NDT, 레이저)

 

목차

 

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쉬어로그래피(Shearography)는 레이저를 이용한 비파괴 검사(NDT, Non-Destructive Testing) 기술의 한 종류입니다. 이 기술은 주로 재료나 구조물의 내부 결함을 찾아내기 위해 사용되며, 특히 복합재료 검사에 효과적입니다.

팜테크 - 비파괴 검사 장비, Shearography

 

쉬어로그래피란 무엇인가?

쉬어로그래피는 '레이저 스페클 간섭계(Laser Speckle Interferometry)'의 한 분야로, 대상 물체의 표면 변형을 측정하는 광학적, 비접촉식 검사 방법입니다.

 

팜테크 - Shearography 동작 방식

 

핵심 원리는 다음과 같습니다.

1. 레이저 조사: 검사할 대상 물체의 표면에 레이저(Coherent light)를 조사합니다.
2. 이미지 중첩: 특수한 광학계(Shearing optics)를 통해 물체 표면의 두 점(P1, P2)에서 반사된 레이저광을 카메라의 한 픽셀에 중첩시킵니다. 이 두 점 사이의 거리를 '전단 거리(Shearing distance)'라고 합니다.
3. 부하 인가 및 위상차 측정: 물체에 열, 진동, 압력 등 외부적인 부하(loading)를 가하여 미세한 변형을 유발합니다. 이때 두 점(P1, P2)의 변형량 차이에 의해 발생하는 빛의 위상차 변화( Δ)를 측정합니다.
4. 결함 시각화: 표면 아래에 결함(예: 박리, 균열)이 있는 부분은 없는 부분과 다르게 변형됩니다. 이 비정상적인 변형은 국소적인 위상차 변화로 나타나며, 이미지 상에서 결함의 위치와 크기를 시각적으로 명확하게 보여줍니다.

 

쉬어로그래피는 물체의 절대적인 변형량(W(x,y))이 아닌, 변형량의 기울기(deformation gradient, 예: ∂W(x,y)/∂x)를 직접 측정하는 방식입니다. 이는 결함으로 인한 국소적인 변형을 더욱 민감하게 감지할 수 있게 해줍니다.

 

 

다른 비파괴 검사(NDT) 장비 대비 장점

 

쉬어로그래피는 다른 비파괴 검사 기술에 비해 다음과 같은 뚜렷한 장점을 가집니다.

• 높은 민감도와 내진동성: 두 개의 인접한 지점에서 반사된 빛을 비교하는 원리 덕분에, 물체 전체에 영향을 미치는 외부 진동이나 교란(ambient disturbances)이 두 경로에 동일하게 작용하여 상쇄됩니다. 이로 인해 진동 방지 장비가 없어도 매우 높은 민감도를 유지할 수 있어, 공장이나 현장 환경에서 사용하기에 매우 적합합니다.
• 빠르고 넓은 영역 검사: 비접촉 방식으로 넓은 영역(Full Field)을 한 번에 검사할 수 있어 생산 라인 적용 및 대형 구조물 검사에 효율적입니다.
• 명확한 결함 지시: 변형량의 기울기를 직접 측정하므로, ESPI(Holography)와 같은 변형 자체를 측정하는 방식보다 결함 부위가 더 명확하게 나타납니다.
• 다양한 부하 방식 적용: 검사 대상과 결함 종류에 따라 최적의 부하 방식을 선택할 수 있어 적용 범위가 넓습니다.
  • 열 부하 (Thermal loading): 할로겐 램프, 레이저, 열풍 등을 이용해 표면을 가열하여 결함을 검출합니다.
  • 동적 부하 (Vibration/Dynamic loading): 압전소자 쉐이커(Piezoshaker), 스피커 등을 이용해 물체에 진동을 가하여 결함의 고유 공진(Local Defect Resonance)을 찾아냅니다.
  • 기계적 부하 (Mechanical loading): 진공 챔버나 진공 후드를 이용한 감압, 또는 탱크 내부 압력 변화를 통해 결함을 검출합니다.

팜테크 - 쉬어로 그래피 부하장치

 

 

적용 분야

 

쉬어로그래피는 다양한 산업 분야의 복합재 및 기타 소재 검사에 널리 활용됩니다.

• 항공우주 (Aerospace)
  • 항공기 동체 패널(A320-Panel)의 충격 손상, 박리, 기공 검사
  • 인공위성 연료 탱크 및 우주선용 물탱크의 접착 불량(debond) 검사
  • 우주왕복선(X38)의 노즈캡(Nose-cap)과 같은 내열재 부품 검사
  • 터빈 블레이드 링의 자동화 검사
• 자동차 (Automotive)
  • 타이어의 구조적 결함 검사
  • 레이싱카의 탄소섬유 모노코크(CKF-Monocoque)의 박리, 기공, 충격 손상 검사
• 해양 (Marine)
  • 경주용 요트의 방향타(rudder blade)와 같은 복합재 구조물의 현장 검사
• 기타 산업
  • 섬유 강화 파이프(Fibre wounded tube)의 내부 압력 테스트
  • 알루미늄 허니콤 샌드위치 패널의 내부 접착 불량 검사
  • 지뢰 및 급조폭발물(IED) 비접촉 탐지 시스템

팜테크 - 쉬어로 그래피 검사 예제

 

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https://famtech.co.kr/sub04/01_01.php

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