보이지 않는 "바카라 룰"을 위한 시각화 기술

첨단 통합 센싱 팀 Chao-Nan XU(리더), Adaptronics 기술 팀 Naohiro Ueno(리더) 및 팀원인 산업 기술 종합 연구소(AIST) 측정 솔루션 연구 센터(이사: Kazuo Igarashi)(사장: Hiroyuki Yoshikawa)는 시각화 기술을 개발했습니다 탄성발광재료의 광도 분포를 이용하여 외부에서 직접 볼 수 없는 결함/손상 및 그 바카라 룰도를 구조화한다

X선과 초음파를 이용한 비파괴 검사 기술은 구조물의 결함을 탐지하는 데 사용됩니다 그러나 이러한 기술로는 결함의 바카라 룰 수준을 평가하는 것이 매우 어렵습니다 결함의 바카라 룰도를 파악하기 위해서는 결함의 응력장 이상을 동시에 검출할 필요가 있지만, 지금까지는 결함과 그 응력장을 동시에 검출하는 것이 어려웠습니다

우리가 개발한 시각화 기술은 기계적 자극(탄성 발광)의 결과로 빛을 방출하는 미세한 입자가 포함된 페인트로 구조물의 표면을 코팅하는 것입니다 따라서, 구조물에 힘이나 진동이 가해지면 응력에 의해 발생하는 표면의 휘도 세기 분포로 인해 구조물 표면에 나타나지 않는 균열 등의 결함의 발생 및 위치를 실시간으로 볼 수 있게 함과 동시에 응력장과 결함의 바카라 룰도를 명확하게 볼 수 있게 된다 탄성발광물질이 포함된 도료를 금속판에 코팅하여 보이지 않는 피로균열과 균열선단의 감지할 수 없는 응력집중을 가시화하는 기술로 균열의 위치와 바카라 룰도를 동시에 검출하는 기술입니다

이러한 결과는 2008년 11월 18일 도쿄에서 개최되는 일본 과학 바카라 룰청의 진화 과학 바카라 룰 핵심 연구(CREST)의 연구 분야 중 하나인 "첨단 통합 감지 바카라 룰"의 FY 2008 공개 심포지엄에서 발표될 예정입니다

'보이지 않는' 피로 균열 및 균열 팁의 응력 집중 보기 탄성발광 코팅이 된 금속판에

인프라 및 산업 구조물의 노후화 및 유지 관리 부족으로 인해 많은 사고가 발생했으며, 이러한 사고를 예방하고 이러한 구조물의 장수명을 촉진하는 바카라 룰에 대한 필요성이 최근 몇 년 동안 급격히 증가했습니다 일본에서는 혁신적인 안전 관리 바카라 룰, 특히 비파괴 검사 바카라 룰, 센서를 활용한 첨단 건강 모니터링 및 진단 바카라 룰, 구조물 평가 및 관리 바카라 룰의 개발이 "제3기 과학 바카라 룰 기본 계획"에 따라 전략적 중요 과학 바카라 룰 사업으로 제공됩니다

구조물에 대한 비파괴 검사 기술로 X-Ray와 초음파를 이용하는 기술이 있지만, 결함이 검출되더라도 결함의 바카라 룰도를 확인하는데 필요한 응력장의 이상을 동시에 검출하는 것은 어렵습니다 응력을 검출하기 위해 스트레인 게이지와 광섬유를 사용하는 방법이 있지만, 응력의 분포인 응력장을 측정하려면 많은 수의 센서가 필요합니다 더욱이, 기존의 센서는 실제로 균열이 발생했을 때 단선을 통해 응력을 감지하는 것이 불가능하며, 응력장의 이상과 균열 발생을 동시에 감지할 수 없습니다

위와 같이 기존 기술로는 처리할 수 없는 많은 문제가 남아 있으며 공장, 터널 및 기타 시설의 파이프라인 안전 검사는 크게 충격 검사와 같은 수동 검사에 의존하고 있으며 많은 검사 영역이 검사 엔지니어의 경험과 직관에 의존합니다 많은 부분을 인간에게 의존하는 안전과 보안의 제공은 숙련된 엔지니어가 많이 은퇴하고 있고, 후임자의 수와 기술 계승이 수요를 충족시키기에 부족하기 때문에 이제 중요한 지점에 도달했습니다 간단하고 쉽고 안정적으로 결함과 그 바카라 룰도를 검출하여 잠재적인 바카라 룰을 검출하는 안전관리 기술의 개발이 시급히 요구됩니다

AIST 측정솔루션연구센터는 탄성발광 메커니즘 규명에서부터 재료개발, 소자생산, 시스템화 및 응용개발에 이르기까지 일련의 연구개발 프로젝트를 수행하고 있습니다 더욱 강한 탄성발광을 나타내는 소재를 개발하고, 나노미터 크기의 탄성발광물질 입자를 생산하고, 구조물 표면에 도포할 수 있는 도료를 만드는 데 성공했으며, 구조물의 다양한 기계적 현상을 관찰할 수 있게 되었습니다 응용개발의 일환으로 탄성발광재료를 사용한 구조물에 대한 응력해석을 수행함으로써, 기존 바카라 룰의 응력분포 및 측정값의 수치계산 결과가 탄성발광 강도분포와 높은 상관관계를 나타냄을 명확히 하였습니다

이 연구는 일본 과학바카라 룰청이 후원하는 CREST의 "첨단 통합 센싱 바카라 룰" 연구 분야의 "탄성 발광 재료를 이용한 안전 관리 네트워크 시스템 구축"이라는 프로젝트의 일환으로 수행되었습니다

탄성 발광 물질은 분말 형태의 미세한 세라믹 입자(직경 조절 가능)이고 각 미세 입자는 기계적 신호를 직접 광 신호로 변환하는 센서이기 때문에 마이크로 스케일에서 매크로 스케일까지의 현상을 감지할 수 있습니다 이러한 미세입자가 표면에 퍼지면 개별 미세입자의 발광으로 인해 전체적인 응력집중 상태를 이미지 정보로 얻을 수 있습니다 따라서 해당 지역에서 발생하는 국부적인 결함과 그에 따른 비정상적인 스트레스 및 바카라 룰 수준을 전체 지역을 관찰하면서 고해상도로 모니터링할 수 있습니다 이것이 이 기술의 주요 특징입니다

그림 1은 결함과 응력 분포를 동시에 측정하는 예를 보여줍니다 탄성발광재료를 함유한 페인트를 금속판에 도포한 결과(Fig 1A), 탄성발광으로 인해 눈에 보이지 않는 피로균열이 가시화되었으며(Fig 1B), 동시에 검출할 수 없었던 균열선단의 응력집중도 가시화되었다 한마디로 크랙의 위치와 바카라 룰도를 동시에 검출하는 것이다(Fig 1C)

(A) 탄성발광 필름으로 코팅된 금속판의 사진 이미지	(B) 작은 하중(20N)을 적용한 탄성 발광 이미지	(C) 큰 하중(12kN)을 가했을 때의 발광 이미지
그림 1 탄성 발광 코팅이 된 금속판의 "보이지 않는" 피로 균열과 균열 끝의 응력 집중 보기

그림 2는 스테인레스 강판의 피로 균열 진행을 감지하는 예를 보여줍니다 폭 25mm, 두께 3mm의 스테인리스 강판의 10mm × 10mm 면적에 탄성 발광 재료를 깔고 왼쪽에 그림 2A와 같이 폭 05mm, 길이 25mm의 노치를 만들었습니다 스트레인 게이지를 플레이트 뒷면 중앙에 위치시키고 스트레인을 측정했습니다 균열은 시간이 지남에 따라 판의 왼쪽 절개 끝부분부터 퍼지기 시작하였고, 피로시험기를 이용하여 지속적으로 인장력을 가하면서 점차 오른쪽으로 진행하였다 그림 2의 B~F는 탄성 발광을 사용하여 균열의 전파를 기록한 일련의 이미지를 보여줍니다 응력은 균열 끝 부분에 집중되므로 해당 부분의 탄성 발광 강도가 주변 영역보다 강합니다 또한, 주변의 응력 분포를 광도 분포로 관찰할 수 있습니다 발광강도가 가장 강한 위치는 시간이 지남에 따라 오른쪽으로 이동하며 진행되는 균열의 끝부분이다 또한, 발광강도를 통해 이상응력값을 측정하여 크랙의 바카라 룰도를 확인할 수 있다 스트레인 게이지로는 시간 경과에 따른 변화를 측정할 수 없습니다 즉, 이 경우 스트레인 게이지 센서는 균열이나 손상의 모양을 감지할 수 없습니다 Elastico-luminescent를 이용하면 스테인레스 판 뒷면에만 발생하던 미세한 피로균열(C)을 검출할 수 있었고, 기존 기술로는 불가능했던 그 진행과정과 응력집중 정도를 동시에 파악할 수 있었습니다

그림 2 스테인레스 강판의 피로 균열 진행을 시각화합니다

그림 3은 서로 다른 수준에서 동시에 결함을 감지하는 예를 보여줍니다 뒷면에 서로 다른 깊이(결함)의 1mm 구멍(그림 3, 중앙)을 뚫은 금속판 표면에 탄성 발광 재료를 펴고 금속판을 시험기(그림 3, 왼쪽)에 장력을 가하여 그림 3 오른쪽 이미지에 표시된 탄성 발광 분포를 결함 위치에 해당하는 표면에서 관찰했습니다 이 이미지는 유사 3D 컬러 이미지의 탄성 발광 강도를 보여 주며, 휘도 강도가 증가함에 따라 파란색 → 녹색 → 노란색 → 빨간색의 순서로 색상을 표시합니다 탄성발광의 강도가 강한 부분은 판 뒷면에 뚫린 구멍의 위치에 해당하고, 강도가 강한 부분은 구멍의 깊이에 해당합니다 깊이가 깊을수록 강해집니다 결함이 없으면 탄성발광이 판 표면 전체에 고르게 분포되기 때문에 탄성발광 분포의 이상을 관찰하여 검출할 수 있다 즉, 탄성 발광 이미지를 사용하여 결함의 위치와 바카라 룰 수준을 가시화할 수 있습니다

그림 3 비파괴 평가 예: 표면에 탄성 발광 코팅이 있고 내부에 작은 구멍이 있는 금속판

이 바카라 룰은 파이프라인, 탱크, 항공기 및 기타 구조물의 안전 관리에 응용될 것으로 예상됩니다

향후에는 당사가 개발한 이상 및 바카라 룰 감지 기술을 바탕으로 탄성발광 코팅의 색상 변화에 따른 응력 이력을 기록하는 장치 개발, 센서 네트워크 노드 개발, 통합 체계화가 진행될 예정입니다 기업 및 기타 기관과 협력하여 실증시험을 통해 구조물의 안전과 보안을 포괄적으로 모니터링하는 안전 관리 네트워크 시스템을 개발하는 것을 목표로 합니다 또한, 비파괴 검사 기술을 위한 전계 응력 시각화 응용과 힘의 발생 및 전파에 대한 기초 연구를 진행하고 싶습니다