금속 표면하 구조의 2차원 형상 가시화를 위한 광열 편향법 기반의 이미징 기법에 대한 연구

Abstract

사물 내부의 보이지 않는 형상이나 구조에 대한 투영데이터의 획득을 통해 문제의 진단을 수행하는 비파괴검사법에는 여러 가지 방법이 존재한다. 이러한 방법들은 의료 분야뿐만 아니라 기업의 제품 생산, 제품 및 건물의 설계 수명예측 등에서 필수적으로 도입되어 활용되고 있다. 이중에서도 특히, 의료 분야에서의 필요에 의해 X-선 단층촬영기법(CT, computed tomography)이나 자기공명영상(MRI, magnetic resonance imaging) 그리고 초음파 검사(ultrasonography)등은 빠른 발전을 해왔다. 이러한 비파괴검사법들은 ‘이미징 기법의 특징에 따른 용도의 선택’이라는 공통적인 특징을 가지고 있다. 그러므로 다른 산업 분야로의 적용 확대를 위해서는 대상의 특성에 따른 적절한 비파괴검사법의 선택이 필요하다. 예를 들어, X선 단층촬영기법을 통해 획득되는 이미지는 측정 대상 물질의 밀도 차이에 기인한다. 우리가 X선을 이용하여 팔 혹은 다리를 측정하는 경우 밀도가 작은 근육, 지방 등은 검게 밀도가 큰 뼈는 하얗게 나타나는 것과 같다. 만약, 이런 특징을 가지고 있는 X선 단층촬영기법을 금속을 대상으로 적용한다면 적절하지 않을 것이다. 그러므로, 본 연구에서는 산업에 적용할 수 있는, 즉 금속을 대상으로 적용 가능한 새로운 이미징 기법인 광열 이미징 기법을 연구하고자 한다. 이 이미징 기법은 광열효과(photothermal effect)라고 불리는 현상을 이용한다. 광열효과는 빛(광원, 본 연구에서는 레이저)이 물체에 조사되어 열을 발생시키는 현상인데, 변조(modulation)된 광원(레이저)을 물질에 조사하였을 때 물질의 열물성에 따라 광열효과에 따른 열 구배가 다르게 나타난다는 점에 착안하여 광열효과를 이용하여 물질의 열 물성(thermal properties)을 조사하는 광열 분석법(photothermal spectroscopy)으로 발전하였다. 본 연구의 광열 이미징 기법(photothermal imaging method)은 이러한 광열 분석법에 기반한다. 레이저가 물질에 조사되어 열 구배가 형성되면 레이저의 변조 주파수와 대상 물질의 열물성에 따라 열 구배 및 열파가 영향을 미치는 범위(열확산 길이, thermal diffusion length)가 한정된다. 즉, 광열 분석법을 통해 관찰되는 광열효과(그 결과로서의 열물성)는 열파가 영향을 미치는 범위 내의 열물성에 종속적이라 할 수 있다. 만약, 측정 대상 내부에 열파가 영향을 미치는 범위 내에 결함(defects) 이나 다른 물질이 존재한다면 광열 분석법에 따른 결과는 순수물질과 달라지게 될 것이다. 광열 이미징 기법은 이와 같은 원리를 이용하여 금속 내부의 미지의 형상을 탐지할 수 있는 것이다. 광열 이미징 기법은 1980년대에 J. C. Murphy 및 L. C. Aamodt에 의해 그 개념이 처음 제시된 이후 F. A, McDonald, G. C. Wetsel 그리고 K. Friedrich 등에 의해 10여년간 연구되었다. 그러나 이미지 재구축 기법을 통한 내부 형상 획득, 명확한 이미지 품질 제시 등의 세부 분야와 같이 이미지 기법으로서 확립에 필요한 연구들에 대한 체계적인 연구결과가 보고되지 못했다. 본 연구에서는 광열 이미징 기법의 특성에 대한 연구를 수치해석, 신호 잡음 분석, 이미지 재구축 기법 그리고 이미지 품질 분석 등의 세부 항목으로 나누어 진행하였다. 본 연구를 통해 구축된 수치해석 모델은 연구 전반에 걸친 실험을 통해 타당성이 확보되었으며, 제 2장 5절의 이미지 품질 분석을 통해 해상도를 기준으로 실험과 약 7.5%의 차이를 보였으며 대조도를 기준으로 약 2.5%의 오차를 보이는 것으로 확인되었다. 그리고 광열 이미징 기법의 신호 잡음 분석을 통해 가열빔의 변조 주파수, 가열빔의 반경 그리고 평균 표면 조도가 신호의 잡음에 미치는 영향에 대한 관계식을 제시하였다. 뿐만 이미지 재구축 기법에 대한 연구에서는, 기존 연구의 부실했던 FWHM을 이용한 재구축 기법과 비교하여 90% 향상된 저대역 통과 FFT 필터 미분 탐색자(low-pass FFT filter derivative detector)를 제시하였다. 또한 이미지 품질 분석을 통해 명확하지 않았던 광열 이미징 기법의 해상도와 대조도를 다른 이미징 기법들의 분석 방법에 맞추어 정의하였으며 이에 따라 열확산 길이와 해상도, 대조도가 관계가 있음을 증명하였다. 이를 통해 현재 실험 구성의 최소 측정 구조물의 크기는 750 µm임을 확인하였다. 이러한 연구를 바탕으로 최종적으로 표면하 구조가 존재하는 네 가지 시편에 대하여 광열 이미징 기법을 적용하였으며 그 결과로 재구축된 명확한 내부 형상에 대한 이미지를 획득하였다.