PAUT (Phased Array Ultrasonic Testing)의 기본 원리
PAUT (Phased Array Ultrasonic Testing)의 기본 원리
PAUT(위상 배열 초음파 검사)는 고체 재료 내부의 결함을 고해상도로 탐지할 수 있는 고급 비파괴 검사 기법 중 하나입니다. 기존의 단일 초음파 탐상법(Conventional UT)과 달리, PAUT는 다수의 소형 탐촉자를 배열 형태로 구성하고, 이들을 전자적으로 제어함으로써 다양한 각도와 초점을 실시간으로 조절할 수 있습니다. 이로 인해 더욱 정밀하고 빠른 결함 검출이 가능해졌으며, 복잡한 형상의 부재나 용접부 검사에서 특히 큰 강점을 발휘합니다.
1. PAUT의 구성
PAUT 시스템은 일반적으로 다음과 같은 요소들로 구성됩니다.
- Phased Array 탐촉자(Probe): 수십 개에서 수백 개의 소형 진동자(element)가 선형 또는 배열 형태로 구성되어 있으며, 각각 개별적으로 전기 신호를 받아 작동합니다.
- Pulser/Receiver: 각 요소에 초음파 신호를 보내고, 반사되어 돌아온 신호를 수신하는 장치입니다.
- 스캐너 및 커플링 시스템: 검체 표면을 따라 정확하게 탐촉자를 이동시키는 장치와, 초음파 전파를 돕는 커플링 젤 혹은 수조 등이 포함됩니다.
- 데이터 수집 및 분석 소프트웨어: 수집된 초음파 데이터를 실시간으로 시각화하고, 분석하여 결함 여부를 판별합니다.
2. 위상 배열의 핵심: 시간 지연(Delay Law)
PAUT의 가장 핵심적인 기술은 **시간 지연법(Delay Law)**입니다. 각 탐촉자 요소에서 초음파를 동시에 방사하는 것이 아니라, 정해진 시간 차를 두고 순차적으로 발사함으로써 빔의 진행 방향과 초점 위치를 제어할 수 있습니다.
이러한 제어를 통해 한 위치에서 여러 각도로 초음파를 조사할 수 있으며, 이를 **Sectorial Scan(S-scan)**이라고 합니다. 이 기능은 특히 용접부 내부에 존재할 수 있는 다양한 각도의 결함을 한 번에 스캔하는 데 유리합니다.
또한, 빔을 한 지점에 집중시켜 해상도를 높이는 Focusing 기능도 구현 가능합니다. 이는 탐촉자의 배열을 통해 이상적인 곡선 형태의 파형을 만들어 특정 심도에서 최적의 감도를 구현하게 합니다.
3. 검사 방식의 다양성
PAUT는 다양한 검사 방식으로 운용될 수 있습니다. 대표적으로는 다음과 같은 세 가지가 있습니다:
- Sectorial Scan(S-scan): 고정된 탐촉자 위치에서 여러 각도로 스캔하여, 부채꼴 형태의 이미지를 생성합니다.
- Linear Scan(L-scan): 탐촉자 배열을 순차적으로 활성화하여 직선 방향으로 검사합니다. 넓은 면적을 빠르게 검사할 수 있습니다.
- Compound Scan(C-scan): S-scan과 L-scan을 결합하여 3차원 이미지로 분석하는 방식입니다.
이러한 다양한 검사 방식 덕분에 PAUT는 복잡한 형상의 구조물이나 다양한 용접부에 적용이 가능하며, 자동화 시스템과 연계하여 신속하고 일관된 검사 품질을 유지할 수 있습니다.
4. 기존 UT 대비 장점
- 정확한 결함 위치 식별: PAUT는 검사 영역의 정확한 깊이, 위치, 크기를 고해상도로 보여줄 수 있어 판단력이 향상됩니다.
- 고속 검사 가능: 다양한 각도에서의 검사와 넓은 면적 커버가 가능하므로 검사 시간이 단축됩니다.
- 자동화 및 기록화 용이: 소프트웨어를 통한 결과 저장과 분석이 가능해 품질 관리와 이력 추적이 용이합니다.
- 복잡한 형상에 대한 적응성: 곡면이나 비정형 형상에도 유연하게 대응할 수 있습니다.
5. 한계점 및 고려 사항
하지만 PAUT에도 몇 가지 고려해야 할 사항이 있습니다. 탐촉자와 시스템의 가격이 기존 UT보다 높으며, 장비 운용과 신호 해석을 위한 교육이 필수적입니다. 또한, 곡면이나 표면 상태가 좋지 않은 부재에서는 커플링과 접촉 조건이 품질에 영향을 줄 수 있습니다.