KR100954777B1 - 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브에 관한 것으로서, 특히 더욱 상세하게는 피검체를 검사시 비파괴 박막센서가 하나인 단일프로브 대신에 다수 개의 단일프로브를 결합한 멀티프로브 내에 멀티프로브 모듈을 내장하여 검사시간의 단축과 검사효율을 높이고, 멀티프로브 내에 멀티 어레이 센서로 구성된 멀티프로브 모듈을 내장하여 피검체의 검사범위를 넓게 할 수 있으며, CoNiFe 삼원계 박막을 비파괴 박막센서로 사용함으로써, 고 자속밀도의 구현을 통해 여기코일에서 0.2mm 떨어진 금속의 극 미세 크랙의 검출이 가능하므로 분해능이 높아 피검체의 불량을 영상화시킬 수 있는 효과가 있다.

멀티프로브, 멀티프로브 모듈, 비파괴 박막 센서, 삼원계 합금, 금속결함 검출, 연자성체, 검사시간 단축, 검사효율 향상, 검사범위 확대.

Description

비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브{Multi-probe of a defect detection includes nondestructive thin film sensor}

본 발명은 피검체를 검사시 비파괴 박막센서가 하나인 단일프로브 대신에 다수 개의 단일프로브를 결합한 멀티프로브 내에 멀티프로브 모듈을 내장하여 검사시간의 단축과 검사효율을 높이고, 멀티프로브 내에 멀티 어레이 센서로 구성된 멀티프로브 모듈을 내장하여 피검체의 검사범위를 넓게 할 수 있으며, CoNiFe 삼원계 박막을 비파괴 박막센서로 사용함으로써, 고 자속밀도의 구현을 통해 여기코일에서 0.2mm 떨어진 금속의 극 미세 크랙의 검출이 가능하므로 분해능이 높아 피검체의 불량을 영상화시킬 수 있는 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브에 관한 기술이다.

일반적으로 자성재료는 연자성 재료와 경자성 재료로 구분하는데, 이 중에서 연자성 재료는 외부 자기장에 의해 쉽게 자화되는 물질로서, 투자율과 포화자속밀도가 높은 특성을 갖는다. 또한 연자성 재료는 전자산업분야의 기초 소재로서 전자 공업의 발전에 따라 급격한 성장을 이루어 왔으며, 특히 최근 들어 고화질의 영상기술과 고음질의 음성기술, 위성방송 및 고밀도 정보기록 등과 같이 전자통신기기의 고기능화, 경박단소화에 부응하여 고성능의 자성재료 개발이 이루어지고 있고 그 수요도 점차 확대되고 있는 실정이다.

이러한 전자기술의 발전에 있어서 현재 큰 장애요인으로 등장하고 있는 분야 중의 하나가 전자변환기능을 담당하고 있는 연자성 재료 분야이다. 컴퓨터 통신 기기 및 각종 정보기록기기에는 자기헤드, 변압기, 인덕터 등의 소자들이 반드시 필요한데, 이들 부품에서 핵심적인 역할을 하는 연자성 재료는 아직까지도 큰 부피를 갖는 벌크 형태의 코어로 사용되고 있다.

또한 통상적으로 금속류의 많은 피검체를 검사할 때 비파괴 센서가 하나인 단일프로브를 사용하여 검사시간이 오래 걸리므로 검사의 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

그러므로 피검체를 검사시 비파괴 박막센서가 하나인 단일프로브 대신에 다수 개의 단일프로브를 결합한 멀티프로브 내에 멀티프로브 모듈을 내장하여 검사시간의 단축과 검사효율을 높이고, 멀티프로브 내에 멀티 어레이 센서로 구성된 멀티프로브 모듈을 내장하여 피검체의 검사범위를 넓게 할 수 있으며, CoNiFe 삼원계 박막을 비파괴 박막센서로 사용함으로써, 고 자속밀도의 구현을 통해 여기코일에서 0.2mm 떨어진 금속의 극 미세 크랙의 검출이 가능하므로 분해능이 높아 피검체의 불량을 영상화시킬 수 있는 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

이에 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 피검체를 검사시 비파괴 박막센서가 하나인 단일프로브 대신에 다수 개의 단일프로브를 결합한 멀티프로브 내에 멀티프로브 모듈을 내장하여 검사시간의 단축과 검사효율을 높일 수 있는 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 멀티프로브 내에 멀티 어레이 센서로 구성된 멀티프로브 모듈을 내장하여 피검체의 검사범위를 확대할 수 있는 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 CoNiFe 삼원계 박막을 비파괴 박막센서로 사용함으로써, 고 자속밀도의 구현을 통해 여기코일에서 0.2mm 떨어진 금속의 극 미세 크랙의 검출이 가능하므로 분해능이 높아 피검체의 불량을 영상화시킬 수 있는 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 비파괴 박막센서가 부착된 결함 검출용 멀티프로브는 피검체의 결함을 검출하기 위해 멀티어레이 센서가 프로브 모듈의 바닥에 부착된 몸체와; 상기 몸체의 연결되어 피검체의 결함을 검출하기 위해 움직이기 쉽게 하는 프로브 손잡이와; 상기 프로브 손잡이의 하부면에 형성되어 측정 장비와 프로브를 선으로 연결할 수 있게 하는 단자 접속부; 를 포함함을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 멀티어레이 센서는 전기도금방법으로 중앙부에 수직방향으로 길게 형성된 CoNiFe 삼원계 박막과; 상기 CoNiFe 삼원계 박막 주위 둘러싸게 형성된 박막형 코일과; 상기 박막형 코일 하단부에 형성된 복수 개의 신호선 단자: 를 포함함을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 멀티어레이 센서는 24개의 센서로 구성되는 것을 포함함을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 프로브 모듈의 바닥에 장착된 여기코일과 멀티어레이 센서가 0.1 내지 0.3mm 떨어져서 설치되는 것을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 본 발명은 피검체를 검사시 비파괴 박막센서가 하나인 단일프로브 대신에 다수 개의 단일프로브를 결합한 멀티프로브 내에 멀티프로브 모듈을 내장하여 검사시간의 단축과 검사효율을 높일 수 있다.

둘째, 본 발명은 멀티프로브 내에 멀티 어레이 센서로 구성된 멀티프로브 모듈을 내장하여 피검체의 검사범위를 확대할 수 있다.

셋째, 본 발명은 CoNiFe 삼원계 박막을 비파괴 박막센서로 사용함으로써, 고 자속밀도의 구현을 통해 여기코일에서 0.2mm 떨어진 금속의 극 미세 크랙의 검출이 가능하므로 분해능이 높아 피검체의 불량을 영상화시킬 수 있다.

이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시 예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티에레이 센서의 형상(A)과 어레이 센서 일부가 확대된 형상을 나타낸 사진이고, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티프로브 모듈의 분해된 도면이며, 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 조립된 멀티프로브 모듈의 형상을 나타낸 사시 도면이다.

도 14 내지 도 16에 도시한 바와 같이, 비파괴 박막센서가 부착된 결함 검출용 멀티프로브(400)는 피검체의 결함을 검출하기 위해 멀티어레이 센서(10)가 프로브 모듈(20)의 바닥에 부착된 몸체(100)와; 상기 몸체의 연결되어 피검체의 결함을 검출하기 위해 움직이기 쉽게 하는 프로브 손잡이(200)와; 상기 프로브 손잡이의 하부면에 형성되어 측정 장비와 프로브를 선으로 연결할 수 있게 하는 단자 접속부(300); 로 구성된다.

상기 비파괴 박막센서가 부착된 결함 검출용 멀티프로브를 구성하는 기술적 수단의 기능에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 몸체(100)는 피검체의 결함을 검출하기 위해 멀티어레이 센서(10)가 프로브 모듈(20)의 바닥에 부착된다. 여기서 멀티어레이 센서(10)는 전기도금방법으로 중앙부에 수직방향으로 길게 형성된 CoNiFe 삼원계 박막(11)과; 상기 CoNiFe 삼원계 박막 주위 둘러싸게 형성된 박막형 코일(12)과; 상기 박막형 코일(12) 하단부에 형성된 복수 개의 신호선 단자(13)으로 구성되며, 상기 멀티어레이 센서(10)는 24개의 센서로 구성된다. 또한 프로브 모듈(20)의 바닥에 장착된 여기코일(30)과 멀티어레이 센서(10)가 0.1 내지 0.3mm 떨어져서 설치될 수 있지만, 0.2mm가 가장 적합한 거리이다. 여기서 Co, Ni, Fe의 조성은 62:10:28, 65:11:24, 67:11:22 wt%이었고, 또한 상기 alloy 층 아래에 Ni₈₀Fe₂₀ 층도 형성해도 된다.

상기 프로브 손잡이(200)는 상기 몸체의 연결되어 피검체의 결함을 검출하기 위해 움직이기 쉽게 한다.

상기 단자 접속부(300)는 상기 프로브 손잡이의 하부면에 형성되어 측정 장비와 프로브를 선으로 연결할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비파괴 박막센서의 동작 원리에 관한 모식도이다.

와전류 탐상에 사용되는 비파괴 박막센서는 전도체에 불연속이 존재하면, 전류의 크기와 분포가 변화하게 되는 것을 이용하여 불연속부를 검출하는 것으로서, 구동코일에 교류를 흘러주면 구동 코일 주위에 발생된 자계가 도체에 작용하게 되고, 자계는 교류에 의해 발생된 것이므로 도체를 관통하는 자속의 방향은 시간적으로 변화하며, 이때 도체에는 도체를 관통하는 자속의 변화를 방해하려는 기전력이 생기므로 이런 전자기 유도 기전력에 의해 도체에 형성된 전류의 변화를 저주파 교류자기장, 펄스 및 고주파 교류자기장을 선택적으로 사용하여 신호의 변화를 검출하게 된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 비파괴 박막센서의 동작 원리를 살펴보면, 선택된 주파수를 갖는 교류전류를 구동 코일에 인가시킨다(a). 이후 구동 코일을 전도체에 가깝게 하면, 시편에 와전류가 유도된다(b). 이후 시편 위에 결함이 있다면 결점이 와전류의 순환을 방해하게 되고 자기장의 변화를 일으키며, 이 자기장의 변화는 프로브(probe)의 유도 코일에 의해 전위차로 검출되는 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비파괴 박막센서의 개별소자를 나타낸 사진 도면으로서, 비파괴 박막센서의 하나를 확대한 사진이며, 상기 사진에서 멀티어레이 센서(10), CoNiFe 삼원계 박막(11), 박막형 코일(12), 신호선 단자(13)를 볼 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단일 비파괴 박막센서의 완성된 형상을 나타낸 사진 도면으로서, 단일 비파괴 박막센서가 전선(14)으로 본딩된 모양을 나타낸 것이다. 여기에 여기코일을 결합하면 결함 검출용 프로브가 된다. 상기 프로 브는 측정 대상물의 형상과 구조에 따라 여러 가지 다양한 모양의 프로브의 제작이 가능하며, 비파괴 박막센서를 하나를 사용하는 단일 프로브와, 여러 개의 비파괴 박막센서를 결합하여 만드는 멀티프로브를 만들 수 있다. 또한 프로브의 형태에 따라 좁은 공간에서의 측정을 위한 슬림형 프로브도 가능하다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 측정지그를 나타낸 사진 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 측정지그 홀더를 나타낸 사진 도면이다.

도 4와 도 5에 도시한 바와 같이, 측정 지그는 센서와 코일의 간격을 0.2mm인 것과, 1mm인 것을 제작하여 측정하였는데, 상기 조립된 지그는 수직방향으로 부상하여 높이 조절이 가능한 X-Y scanner 홀더에 부착한 다음 X-Y 스캐너의 홀더의 높이를 조절하면서 센서에서 검출되는 유도전압을 측정한다. 또한 프로브를 제작하는데 중요한 변수인 코일의 위치와 센서의 위치를 결정하기 위하여 피검체와 센서간의 간격 변화와 극 미세 크랙을 측정하였다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 피검체와의 측정거리가 1mm, 1.5 mm의 측정 파형을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 피검체와의 측정거리가 0.5mm, 1mm의 측정 파형을 나타낸 도면이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 피검체와의 측정거리가 1.5mm, 2.0 mm의 측정 파형을 나타낸 도면이다.

도 6 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 센서의 코일 turn 수를 120으로 하여 피검체를 검사하여 측정한 결과이다. 측정조건은 여기코일의 전압은 770mV이고, 주파수는 620kHz이며, 피검체의 슬롯은 1mm이고, 깊이에 따른 폭은 0.5mm이며, 재질 은 탄소강을 사용하였다. 결과를 보면, 센서와 피검체와의 측정거리가 0.5mm와 1mm 에서의 측정된 유도전압의 크기가 현저하게 차이가 나며, 센서와 피검체와의 측정거리가 2mm 에서도 미약하게 신호가 발생함을 볼 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 피검체와의 거리가 0.5 내지 2mm 에서의 유도전압의 크기를 나타낸 그래프이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 측정감도는 0.5mm에서 가장 우수함을 알 수 있고, 0.5mm 이상으로 갈수록 급격히 감소함을 보여준다. 또한 2mm에서 비록 신호가 미약하지만 측정된 것은 거칠기가 거친 측정물에 대한 측정이 가능함을 알 수 있는 것이다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 여기코일 사이의 거리가 0.2mm 에서의 측정 파형을 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 여기코일 사이의 거리가 1mm에서의 측정 파형을 나타낸 도면이다.

도 10과 도 11에 도시한 바와 같이, 여기코일과 센서 사이의 거리 변화에 대한 결과로서, 측정조건은 여기코일 전압이 770mV이고, 주파수는 620kHz이며, 센서와 여기코일과의 거리는 0.5mm이다. 상기 측정 결과로부터 센서와 코일간의 거리가 0.2mm일 때 신호의 크기가 1mm 보다 약 2.5배 정도가 차이가 남을 알 수 있다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 피검체의 미세크랙이 나타나 있는 사진도면이다.

도 12에 도시한 바와 같이, 측정하기 위해 만든 미세크랙의 크기는 3-5㎛ 정도이다. 육안으로는 보이지 않아 500배로 확대하여 프로브 제작시 센서와 코일간의 거리와, 코일에서 시료까지의 거리를 결정할 수 있다. 시료 위에 미세크랙을 제작하는 데 한계가 있어 정사각형의 두 철편을 붙여 제작하였으며, 붙이는데 각 붙을 면을 연마 가공하여 아주 매끄러운 상태로 하고, 이를 클램프로 압착을 한 후에 맞은 면의 양끝을 용접하였다. 그리고 맞대고 용접할 때 측정 면에 생길 수 있는 미세 단차를 없애기 위해 표면을 연마 처리하였다. 또한 연마 후의 실제 크랙은 육안으로 확인이 불가능하다.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 미세크랙에 대한 측정 결과를 나타낸 파형 도면이다.

도 13에 도시한 바와 같이, 미세크랙을 측정하기 위해 프로브 조건은 상술되어 있는 결과를 이용하여 조정하였는데, coil과 센서간의 간격은 가까울수록 감도가 좋기 때문에 0.2mm로 정하고, 시료에서 떨어진 거리는 0.5mm로 하여 감도가 좋은 조건을 사용하였다. 여기코일의 측정조건은 주파수는 620kHz이고, 전압은 980mV로 측정하였다. 측정결과에서도 알 수 있는 바와 같이, 날카로운 peak를 볼 수 있으며, 육안으로 보이지 않는 미세크랙까지 측정이 가능함을 확인하였다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비파괴 박막센서의 동작 원리에 관한 모식도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비파괴 박막센서의 개별소자를 나타낸 사진 도면.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단일 비파괴 박막센서의 완성된 형상을 나타낸 사진 도면.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 측정지그를 나타낸 사진 도면.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 측정지그 홀더를 나타낸 사진 도면.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 피검체와의 측정거리가 1mm, 1.5 mm의 측정 파형을 나타낸 도면.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 피검체와의 측정거리가 0.5mm, 1mm의 측정 파형을 나타낸 도면.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 피검체와의 측정거리가 1.5mm, 2.0 mm의 측정 파형을 나타낸 도면.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 피검체와의 거리가 0.5 내지 2mm 에서의 유도전압의 크기를 나타낸 그래프.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 여기코일 사이의 거리가 0.2mm 에서의 측정 파형을 나타낸 도면.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 센서와 여기코일 사이의 거리가 1mm에서 의 측정 파형을 나타낸 도면.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 피검체의 미세크랙이 나타나 있는 사진도면.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 미세크랙에 대한 측정 결과를 나타낸 파형 도면.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티에레이 센서의 형상(a)과 어레이 센서 일부가 확대된 형상(b)을 나타낸 사진.

도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티프로브 모듈의 분해된 도면.

도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 조립된 멀티프로브 모듈의 형상을 나타낸 사시도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

100 : 몸체 200 : 프로브 손잡이

300 : 단자 접속부 400 : 멀티프로브

10 : 멀티어레이 센서 11 : CoNiFe 삼원계 박막

12 : 박막형 코일 13 : 신호선 단자

14 : 전선 20 : 프로브 모듈

30 : 여기코일

Claims (4)

1. 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브에 있어서,

   피검체의 결함을 검출하기 위해 멀티어레이 센서가 프로브 모듈의 바닥에 부착된 몸체와;

   상기 몸체의 연결되어 피검체의 결함을 검출하기 위해 움직이기 쉽게 하는 프로브 손잡이와;

   상기 프로브 손잡이의 하부면에 형성되어 측정 장비와 프로브를 선으로 연결할 수 있게 하는 단자 접속부; 를 포함함을 특징으로 하는 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 멀티어레이 센서는 전기도금방법으로 중앙부에 수직방향으로 길게 형성된 CoNiFe 삼원계 박막과; 상기 CoNiFe 삼원계 박막 주위 둘러싸게 형성된 박막형 코일과; 상기 박막형 코일 하단부에 형성된 복수 개의 신호선 단자; 를 포함함을 특징으로 하는 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 멀티어레이 센서는 24개의 센서로 구성되는 것을 포함함을 특징으로 하는 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 프로브 모듈의 바닥에 장착된 여기코일과 멀티어레이 센서가 0.1 내지 0.3mm 떨어져서 설치되는 것을 포함함을 특징으로 하는 비파괴 박막센서가 내장된 결함 검출용 멀티프로브.

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