굴절각이란?

비파괴 검사와 초음파 검사에서 반드시 알아야 할 개념

초음파 검사나 PAUT(Phased Array Ultrasonic Testing)를 공부하다 보면 "굴절각"이라는 단어를 자주 듣게 됩니다.
특히 초음파가 재료 내부를 어떻게 이동하는지를 이해하려면, 굴절각에 대한 이해는 필수입니다.

오늘은 굴절각이 무엇이고,
왜 비파괴 검사에서 중요한지,
그리고 현장에서 어떻게 활용하는지까지,
차근차근 알아보겠습니다!

굴절각이란 무엇인가?

**굴절각(Refraction Angle)**이란,

초음파가 두 매질의 경계면을 통과할 때, 진행 방향이 꺾이며 만들어지는 각도입니다.

초음파를 하나의 "빛"처럼 생각하면 이해가 쉬운데요.
빛이 물에서 공기로 나올 때 휘어지듯이, 초음파도 한 재료에서 다른 재료로 넘어갈 때 꺾입니다.
이 꺾인 각도를 바로 굴절각이라고 부릅니다.

정의적으로는,

이것은 기본적으로 매질마다 초음파 속도가 다르기 때문입니다.

초음파는 재료의 밀도(ρ)와 탄성(탄성계수)에 따라 속도가 결정됩니다.
서로 다른 재료를 만났을 때 초음파는 속도를 바꾸는데, 이때 경계면에서 방향까지 달라지면서 굴절이 발생합니다.

비유하자면,
마치 자동차가 도로에서 진흙탕에 진입할 때, 바퀴가 한쪽만 진흙에 닿으면 차량이 휘어지는 것과 비슷합니다.

굴절각을 수치로 정확하게 계산할 때는 **스넬의 법칙(Snell’s Law)**을 사용합니다.

공식은 다음과 같습니다.

sin⁡θ1v1=sin⁡θ2v2\frac{\sin \theta_1}{v_1} = \frac{\sin \theta_2}{v_2}

여기서,

즉,

입사각의 사인값과 초음파 속도의 비율은 굴절각의 사인값과 굴절 매질 속도의 비율과 같다.

요약

비파괴 초음파 검사에서는 굴절각을 반드시 고려해야 합니다. 왜냐하면:

결함을 정확히 탐지하기 위해
- 초음파를 원하는 깊이와 방향으로 보내야 합니다.
- 만약 굴절각을 잘못 이해하면 결함을 제대로 지나치지 못할 수 있습니다.
특정 결함에 최적화된 입사각을 설정하기 위해
- 예를 들어, 용접부 검사에서는 45도, 60도, 70도 등 다양한 굴절각을 사용해 결함 위치에 따라 최적화합니다.
모드 변환(Mode Conversion) 이해
- 초음파는 경계면에서 '종파(P-wave)'가 '횡파(S-wave)'로 변할 수도 있습니다.
- 이때 굴절각이 달라지므로, 종파-횡파 간 전환까지 고려하는 경우도 많습니다.

초음파가 경계면에 입사할 때는 단순히 방향만 바뀌는 게 아닙니다.
파형 자체가 변할 수 있습니다.

예를 들어,

그리고 각각 다른 굴절각을 가집니다.

즉,

에너지 손실 증가
- 굴절각이 커질수록 반사되는 에너지가 많아지고, 실제로 검사하고자 하는 부위까지 도달하는 에너지가 줄어듭니다.
전반사(Total Internal Reflection)
- 특정 조건에서 굴절이 일어나지 않고 100% 반사되어버리는 경우도 있습니다.
- 이 현상이 발생하면, 원하는 방향으로 초음파를 보내지 못하고 검사 실패로 이어질 수 있습니다.
탐상 범위 제한
- 지나치게 큰 굴절각을 사용할 경우, 검사 깊이가 얕아지고 깊은 결함 탐지가 어려워질 수 있습니다.

PAUT에서 Beam Steering
- 위상 배열 초음파 장비에서는 굴절각을 실시간으로 조절하여 다양한 각도로 빔을 조향합니다.
- 예를 들어, 하나의 설정으로 40° ~ 70° 범위의 굴절각을 스캔할 수 있어 검사 효율이 극대화됩니다.
용접부 검사
- 각도별 초음파 빔을 사용하여, 용접부 내부의 다양한 결함(기공, 크랙 등)을 탐지합니다.
- 수평 크랙은 45° 빔으로, 수직 크랙은 70° 빔으로 잡는 식입니다.
복합재료 검사
- 탄소섬유복합재(CFRP)나 유리섬유복합재(GFRP)는 내부 층간에서 굴절이 반복 발생합니다.
- 이때 굴절각 변화에 맞춰 초음파 세팅을 최적화해야 합니다.

굴절각은 초음파 검사에서 단순한 이론이 아닙니다.
검사 품질을 좌우하는 핵심 변수입니다.

초음파의 입사각, 굴절각, 모드 변환을 정확히 이해하고 세팅할 수 있어야

굴절각에 대한 이해 없이 초음파 검사를 한다는 것은,
마치 나침반 없이 항해를 떠나는 것과 같습니다.

LIST