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초전도양자 간섭소자를 활용한 비파괴검사기술에서의 ‘이동형 SQUID’ 개발
2005-01-25



이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다.

초전도양자 간섭소자를 활용한 비파괴검사기술에서의 ‘이동형 SQUID’ 개발 

도호쿠전력(東北電力)_이사와 카즈유키(井澤 和幸) ,타카키 사카에(高木佐加枝)토사카 시게(登坂 滋)

사회기반을 형성하고 있는 수송, 에너지 및 건축·건설 등의 분야에서는 공중 안전확보는 물론 신뢰성이나 정도의 향상이 요구됨에 따라 최근 비파괴검사기술의 중요성이 높아지고 있다. 특히 최근에는 검사대상물의 데미지 유무에 관한 정성적인 정보를 취급하는 비파괴검사의 전형적인 역할에 머무르지 않고 라이프사이클 매니지먼트나 잔여수명진단 등의 수요가 높아지고 있다.

이러한 고도의 수요에 대응하기 위해서는 단편적인 검사만이 아니라 다방면으로 어프로치가 필요해진다. 또 어디까지 일반론이지만 실용화되어 있는 비파괴검사기술도 아직까지는 장단점이 있어 만능이라고 할 수는 없다. 따라서 더욱 검사정보가 높고 취급이 간편한 새로운 비파괴검사방법을 확립하는 것도 요구되고 있다.

이러한 관점에서 도호쿠전력에서는 약 3년 전부터 SQUID를 이용한 비파괴검사기술에 착안한 연구개발을 실시해 왔다. 최근, SQUID 비파괴검사를 전력설비 등 대형설비의 검사에 적용할 경우에 핵심이 되는 기술을 개발하였기에 그 개요와 개발한 기술에 따라 실시한 SQUID 비파괴검사의 구체 예를 소개하기로 한다.

SQUID 비파괴검사의 현상과 과제

SQUID는 자기센서 중에서 가장 고감도인 센서로 매우 약한 자계나 전류를 계측할 수 있는 능력이 있다. 이 때문에 생체자기계측의 분야에서는 뇌자계나 심자계가 개발·상품화되어 의료기기로서 인허가를 받는 등, SQUID의 위력을 충분히 발휘하고 있다.

한편 SQUID의 비파괴검사에 대한 응용은 약 20년 전에 개시되었다. SQUID 비파괴검사는 높은 감도나 정도를 비접촉으로 검사할 수 있다는 이점이 있기 때문에 일본 내외에서 활발한 연구개발이 이루어지고 있다. 그러나 SQUID는 고감도이기 때문에 역으로 환경자기 노이즈에 약하고 고성능 차분형 SQUID(SQUID 그라지오 미터)가 개발되기까지는 생체자기계측과 마찬가지로 자기실드실이라는 특수한 환경을 만들어주는 일이 어려웠다. 더군다나 환경자기 노이즈나 진동의 문제에서 SQUID 자기센서 자체를 이동시키면서 연속적인 검사를 시행하기는 어렵다고 여겨져 왔다.

SQUID를 고정시키면 환경자기 노이즈의 공간변화를 거의 일정하게 할 수가 있다. 이 때문에 SQUID를 고정시킨 1채널의 검사인 경우에는 mm에서 cm 정도의 소형인 것만 통상적으로 취급할 수있어 온사이트의 대형설비 검사를 비파괴적으로 시행하기는 사실상 불가능하다. 또 SN비를 올리기 때문에 계측시간이 길어진다는 문제도 있다. 설사 SQUID 센서 자체가 이동해 고감도 계측이 가능해진다 해도 검사대상물의 사이즈·치수에 제약이 없어져 각종 필드에서의 적용이 용이해지므로 SQUID 비파괴검사의 보급확대를 꾀할 수가 있다.

이동형 SQUID에 관한 연구는 이미 개시되고 있는데, 예를 들면 일본 내에서는 ‘액티브 자기실드방식’이나 ‘자기노이즈 신호를 피드백으로 순시에 캔슬하는 방식’ 등이 개발 중이고 SQUID 자체를 움직여도 SQUID가 구동상태(록이 풀리지 않는)를 유지할 수 있는 것이나 간단한 검사 사례가 보고되고 있고 이 분야는 급속한 진전을 보이고 있다.

이런 와중에 필자들은 SQUID 센서 자체가 검사대상물의 표면을 연속적으로 이동하면서 검사할 수 있는 ‘이동형 SQUID 비파괴 검사시스템’에 관한 코어기술을 확립하는 데에 성공했다. 또한 이 이동형 SQUID를 범용성이 높은 산업용 로봇에 탑재하고 어느 정도는 복잡한 형상까지도 검사할 수 있는 시스템으로 이 기술을 레벨 업 해나가고 있다.

개발된 이동식 SQUID의 개요

<그림 1>은 개발된 이동식 SQUID를 산업용 로봇에 탑재한 시험제작 시스템의 일례다. 그 간단한 시스템 구성은 <그림 2>와 같이 SQUID 센서와 그 구동용 전자기기, 소형 클라이어 스탯, 6축 다관절 로봇, 계측기기 및 퍼스널컴퓨터로 구성된다. SQUID의 주변기기는 일본 내 SQUID 제조사에서 구입한 시판품이다. 또한 검사대상물이 비교적 평이한 경우에는 직각형 XYZ 매니퓨레이터에 따른 2차원 스캔이 효과적이다.

이동식 SQUID의 개발 포인트로는 첫째가 지금까지는 없던 전혀 새로운 타입의 SQUID 그라지오 미터의 형상에 있다. 특징은 환경자기 노이즈의 억제에 큰 효과가 있는 SQUID 그라지오 미터라는 것으로 이 신형 SQUID 그라지오 미터를 통상 FLL회로로 동작시킨다.

그리고 SQUID 소자로는 현재 저온초전도 SQUID와 고온초전도 SQUID의 2종류가 제조판매되고 있다. 저온초전도 SQUID를 이용했기 때문에 액체헬륨이 냉각된다는 단점이 있다. 점차 세라믹 미세가공 문제가 해결되면 고온초전도 SQUID를 선택하는 편이 현명할 것이다.

두 번째 특징으로는 소형 클라이어 스탯을 채용해서 SQUID에 가해지는 진동을 억제하거나 핸들링의 용이함을 실현한 것이다. 용기의 치수는 높이 300mm, 외경 Ø100mm로 액체 헬륨을 320ml 충전함으로써 약 4시간의 연속사용이 가능하다.

또한 절연성의 클라이어 스탯 선단도 특징이다. 이 클라이어 스탯의 선단내부 진동단열층에 SQUID를 넣었다. 클라이어 스탯의 두께는 6mm이기 때문에 공간분해능은 6mm 정도다. 따라서 예를 들어 근접한 2개의 균열이나 손상 등을 높은 분해능으로 분리할 수 없다고 해도 검사방법을 고안하면 1mm 이하의 미세한 균열을 검출할 수 있다는 사실을 확인했다.

세 번째 포인트는 환경자기 노이즈를 캔슬하는 계측방법을 확립했다는 것이다. 검사에 악영향을 미치는 환경자기 노이즈는 직류성분인 지자기가 가장 강하고 다음으로 장소나 환경에 의존하지만 10Hz 정도의 저주파가 주성분이다. 이 점에 착안해서 계측하는 자기신호를 수10Hz 이상으로 하고 그 신호에 타이밍을 동기시켜 SQUID 센서 자체를 고속으로 이동하는 계측방법을 개발했다.

구체적으로는 계측한 계측간격(예를 들어 20msec 등)을 결정하고 그 계측간격에 맞는 속도로 SQUID 자체를 작동시키면서 미리 결정된 검사범위를 검사하는 것이다. 결국 SQUID의 전기적인 계측과 기계적인 이동과는 동일한 타이밍으로 연동해서 시행되는 것이다.

엄밀하게 말하면 자기의 크기를 계측하기 위해서 소요되는 약간의(수밀리 초) 시간 지연이 있기 때문에 계측된 값은 이동평균이라고도 할 수 있다. 그러나 검사대상물이 크면 자기신호의 계측속도는 기계적인 이동에 비해 매우 빨라 계측시 약간의 시간 늦어짐은 사실상 문제가 되지 않는다. 또 실제로 선택해야 하는 계측간격은 계측이 완료될 때까지의 계측시간과 샘플링 간격의 트레이드 오프다. 이 방법으로 종래와 같이 XY 스테이지 상에서 소형시험편 1포인트씩 슬라이드시키면서 검사하는 방법과 비교해 계측시간을 1/5에서 1/10으로 단축할 수가 있다.

SQUID를 작동시키기 위한 로봇 등 기계적인 성능은 검사범위의 상한, 검사 핀치의 하한 및 검사속도를 결정하기 때문에 검사대상물에 맞는 선정이 필요해진다. 점차적으로 각종 필드 사용이나 검사대상물(워크)에 대한 적용이 자유로워지도록 기기를 소형화할 것, SQUID의 다채널화에 따라 검사스피드와 정확도를 더욱 향상시킬 것, 전체를 무선으로 제어할 것 등이 시스템을 구축하기 위한 과제다.

이상과 같이 ① 새로운 SQUID 그라지오 미터, ② 소형 클라이어 스탯 ③ 자기 노이즈 제거방법이 이동식 SQUID에 관한 코어기술이 된다.

이동식 SQUID를 이용한 비파괴검사 예

1. 도체의 검사

<그림 3>은 특별고압 실험실 내에 제작된 통전용 시험설비다. 이 설비는 100V(50Hz)로 최대 120A까지 통전할 수 있고 변압기를 사용하여 일정 구간을 6kV로 승압할 수도 있다. 통전전류는 대형 히터나 역광기를 이용해서 부하를 조정해 컨트롤한다. <그림 4>는  Ø15mm의 동환봉에 인공상을 입은 도체를 이동형 SQUID로 검사한 결과다.

검사는 도체에 20A(100V)를 통전한 상태로 SQUID를 6m/분의 속도로 이동시켜 시행했다. 실선과 같이 인공상의 위치에 대응해 SQUID 신호에 명료한 변화가 나타난다는 사실을 알 수 있다. 또 삽입된 그림과 같이 6kV(<1A)에서도 고전계의 영향을 받지 않고 이동형 SQUID가 정상으로 동작하고 인공상의 위치에 대응해 SQUID 신호에 변화가 나타났다. 그러나 현상에서는 40A 이상 도체에 통전하면 SQUID가 포화되기 때문에 검사할 수가 없다. 100A 이상을 통전해서 검사하기 위해서는 SQUID와 도체와의 거리를 10mm 이상 떨어뜨릴 필요가 있다.

2. SUS 304 용접부의 인공결함

<그림 5>는 SUS 304 용접결함시험편의 형상과 인공결함을 삽입한 위치를 나타내고 있다.

시험편의 용접부분에는 10mm와 2mm, 2종류의 인공결함이 6개소에 삽입되어 있다. 일반적으로 용접부에 발생하는 결함은 그 발생부위에 따라 다음과 같이 4종류로 분류할 수 있다.

·타입 Ⅰ : 용접금속 속에 발생한 것

·타입 Ⅱ : 용접금속에서 열 영향부(Heat affected zone : HAZ)에 진전된 것

·타입 Ⅲ : HAZ부의 조립영역에 발생한 것

·타입 Ⅳ : HAZ부의 조립영역에 발생한 것

<그림 5>의 개략도와 같이 시험편에는 타입 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 3종류의 결함을 인공적으로 삽입하고 있다. 사용된 소재의 화학성분은 JIS 규격에 기초해 양산 라인에서 대량으로 제조된 것이다. 시험편의 중량은 16kg이다.

소재 제조사에 의뢰해 인공결함의 삽입은 결여 순서로 시행되었다. 용접금속으로 오스테나이트계 스테인리스강 SUS 308을 이용해서,

① 시험편의 개선가공② 자동 팅(Tungsten Inert Gas : TIG) 용접에 따른 적층용접③ 결함 삽입용 개선벽면 가공④ 방전가공에 따른 결함의 삽입⑤ 잔존부의 매뉴얼 TIG 용접의 순서로 인공결함을 제작했다.

우선 동일한 시험편을 이용해서 용접개소의 검사용으로 널리 사용되고 있는 UT-TOFD(Time of Flight diffraction) 법에 따른 검사를 시도했다. 이 측정은 접촉자 주파수 5MHz, 탐촉자 진동자경 Ø6mm의 조건 하에, 영국 AEA Sonomatic사 제품의 TOFD 탐상장치를 사용해서 UT 기술자(NDI-UT-3)에 따라 실시했다.

그러나 일반적인 UT-TOFD법으로는 인공결함을 검출하기가 불가능했다. 이러한 문제는 오래전부터 알려져 온 오스테나이트계 스테인리스강으로는 용접에 따라 용접부가 용융응고됨으로써 용접부의 결정입자가 조대화되고 결정의 입경에 의존해서 초음파의 감쇄가 크기 때문인 것으로 설명할 수 있다.

인공결함의 위치를 확인하기 위해 용접부를 RT(X선)로 검사했다. 그 결과를 이동형 SQUID의 검사결과와 비교해서 <그림 6>에 나타냈다.

또 RT는 용접면에 대해 20도 기울어진 상태로 X선을 입사했다. 한편 이동형 SQUID는 용접개소의 250mm×50mm의 범위를 2mm 간격으로 표면과 이면의 양면을 검사하고 있다.

이동형 SQUID로 타입 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ으로도 각각 10mm와 2mm의 2종류의 결함을 확인할 수가 있고 그림과 같이 검출한 인공결함의 위치와 RT로 관찰된 위치가 일치하고 있다는 사실을 알 수 있다. 결함의 크기와 신호강도와의 정량적 상관, 즉 사이징에 대해서는 앞으로도 시험을 거듭할 필요가 있다.

이상과 같이 UT는 검사가 어려운 오스테나이트계 스테인리스강 SUS 304 용접물의 인공결함을 이동형 SQUID로 검출할 수 있었다. 또한 RT는 결함이 확인되기는 하지만 내부의 깊이 방향 정보로는 필름 영상에 찍힌 농담에 한정된다. 또 주변장치가 장애물이 되는 등, 적용개소에 따라서는 RT를 취급하기 쉬운 간편한 기기여야 한다.

여기에서 소개한 2개의 사례는 특단, 특별한 자기 실드 등이 일절 시행되지 않는 통상의 환경자기 노이즈 하에서 시행된 결과다. 또 이동형 SQUID의 조작방법은 매우 간단하고 UT와 같이 측정자의 기량에 의존하는 등의 애매함을 배제할 수 있는 이점도 있는 것으로 판단된다.

종래와 같이 XY 스테이지 상에서 검사대상물을 작동시키는 지금까지의 기술로는 SQUID 비파괴검사를 대형설비에 적용하기가 어려웠다. 그 과제를 해결하기 위해서 개발된 코어기술과 이동형 SQUID를 이용한 구체적인 검사 예를 소개했다.

앞으로는 동일한 검사대상물에 대해서 기존의 비파괴검사기술과의 비교시험을 실시하고 SQUID 비파괴검사의 장점을 살린 적용개소를 확대해 나갈 필요가 있다. 또 소프트 면에서 재질에 맞는 데이터베이스의 축적 등 실적 기초의 데이터 수집이 반드시 필요하다.

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