Shearography 기술 원리와 응용: 비파괴검사의 핵심 광학 기법

 

목차

 

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Shearography(셔로그래피)는 비파괴검사(NDT, Non-Destructive Testing)와 변형 측정을 위해 널리 사용되는 전장(全場) 간섭계 기법으로, 거칠고 불규칙한 표면에서 발생하는 레이저 스페클 패턴을 이용해 표면 변위의 기울기(변위 미분)를 정밀하게 측정합니다.

이 기술은 스페클 전단 간섭계(speckle shearing interferometry) 원리를 기반으로 하며, 다른 간섭계 방식(예: ESPI)보다 환경 진동이나 외란에 강하다는 장점이 있습니다.

 

 

측정 원리

1. 레이저 조사와 스페클 생성
   시험체 표면을 레이저로 조사하면 난반사에 의해 무작위 무늬(스페클)가 형성됩니다.
2. 전단(shearing)
   광학 전단 장치(주로 Michelson 간섭계)를 이용해 동일한 스페클 영상을 약간 위치를 달리해 겹쳐서 기록합니다.
   → 이렇게 하면 인접한 두 점의 반사광 간 위상 차이를 측정할 수 있습니다.
3. 하중 전·후 비교
   변형 전과 후의 스페클 간섭 무늬를 비교하면, 변위 기울기에 해당하는 간섭 무늬(프린지 패턴)가 나타납니다.
4. 위상 분석
   위상 복원(phase reconstruction)과 언래핑(unwrapping) 과정을 거쳐 정량적인 변위 미분 또는 표면 변형 분포를 계산합니다.

NDT Shearography 측정 방식

 

주요 특징

• 민감도: 표면 변위가 아닌 변위의 기울기에 직접 민감해, 표면 하부의 결함으로 인한 국부적 변형을 잘 드러냄.
• 진동·외란에 강함: 전단 방식이 동일 경로의 빛을 비교하기 때문에 환경 변화를 상쇄하는 효과가 있음.
• 전장 측정: 접촉 없이 넓은 영역을 동시에 측정 가능.
• 정성·정량 검사 가능: 초기에는 결함 위치를 시각화하는 정성 검사 위주였으나, 다중 조명·다중 전단 기법 도입으로 정량적 변형률 측정까지 가능.

 

 

 

하중 부여 방식 (Loading Methods)

 

NDT Shearography 하중 장비

 

Shearography는 결함 유발 변형을 만들기 위해 다양한 외부 하중을 부여합니다.

• 열 하중: 할로겐램프, 레이저, 플래시, 열풍 등.
• 압력 하중: 진공 챔버, 압력 챔버, 내부 압력 부여.
• 기계적 하중: 굽힘, 인장, 국부 압박.
• 진동 하중: 피에조 셰이커, 스피커 등을 통한 동적 가진.

 

 

응용 분야

• 복합재 구조물 검사: 항공기 동체, 날개, 위성 부품, 스포츠 장비의 박리·기공·충격 손상 탐지.
• 우주항공: 연료탱크, 열차폐재(예: NASA X-38 열 보호 타일) 결함 검사.
• 자동차·압력용기: CFRP 탱크, 알루미늄 허니컴 패널 검사.
• 국방: 지뢰·IED 비접촉 탐지 연구.
• 기타 산업: 금속·세라믹 부품의 국부 변형 모니터링.

 

 

장점과 한계

비파괴검사 Shearography 셋업

 

장점

• 진동에 강하고 현장 적용 용이
• 넓은 면적을 빠르게 검사 가능
• 결함 위치를 직관적으로 확인 가능
• 접촉식 센서 없이 비접촉 계측

한계

• 표면 형상 변화와 열파 등 환경 요인에 민감
• 곡면·복잡 형상의 경우 정밀 보정 필요
• 내부 깊은 결함보다는 표면 근처 결함에 더 민감

 

 

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