적외선을 이용한 신발의 비파괴 검사 시스템 개발







김재열*, 박창선**, 오기장***, 마상동****, 양동조****, 김봉재****

(* 조선대학교 기계공학부, ** 조선대학교 금속재료공학부, *** 포항 산업과학 책임연구원, **** 조선대학교 대학원)




Development of Non-Destructive Testing System of Shoes for Infrared-Rays




Jae-Yeol Kim*, Chang-Sun Park**, Ki-Jang Oh***, Sang-Dong Ma***, Dong-Jo Yang****, Bong-Jae Kim****

(* Mechanical Engineering Division Chosun University, ** Metallurgical and Materials Engineering Division Chosun University, *** Research Institute of Industrial Science & Technology, **** Graduate School Chosun University)







Abstract







Diagnosis

1. 서론




현장 산업체에서 결함 검사시스템은 매우 중요한 부분을 차지하고 있으며 그 검사 방법에 있어서 비파괴적인 부분은 상당한 발전을 거듭하고 있다. 비파괴적인 검사 방법의 하나

















































로서 적외선 열화상 카메라를 이용한 것이 있는데, 이 검사 방법은 사용이 빠르고 비교적 정확한 데이터를 사용자로 하여금 쉽게 검사를 할 수 있는 환경을 제공하고 있다. 현재 특수용 신발의 전수 검사 시스템에 있어서 그 결함의 판별이 자동화, 기계화되지 못하고 있는 渌Ȟ渠Ȟ渴Ȟ湈Ȟ溄Ȟ溘Ȟ溬Ȟʀ탕
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2. 열 측정 이론




본 연구에 사용된 적외선 카메라는 AGEMA사에서 제작한 Thermovision 900 SE/TE 기종이며 빛이 물체에 방사되어 나오는 각종 파장 중에서 적외선 부분만을 검출해 내어 그 적외선 파장을 검출기에서 검출해 내어 온도분포를 측정하는 것이다. 여기서 어떤 파장이라도 그것에 부딪히는 모든 복사선을 흡수하는 물체를 흑체라고 정의하는데, 이는 모든 빛을 똑같이 방출시킬 수 있다는 것이며 이 온도 검출은 흑체(Blackbody)에 가까운 대상체를 제작하여 이 시편을 기준으로 하여 보정된 값으로 나타낸다. 여기서 중요하게 작용하는 요인은 각각의 물체와 온도, 거리에 따라 달라지는 방사율인데 이 방사율값의 차이에 따라서 온도를 측정하는 것이다.





Fig.1 물체에서 반사와 주위에서 방사체 관계


총 표준 복사에너지는 식 1)과 같이 표현 할 수 있다.

1)

Thermovision 900 적외선 스케너는 일정한 분광 범위에서 적외선 복사선을 측정한다. 이는 일반 적외선 부분만을 추출하여 이 적외선 파장 에너지를 전기 신호로 변환하여 영상을 통한 열상을 보여주는 것이다. 이에 대응하는 측정식은 식 (1)과 같고 시스템 제어기에 대해서는 ERIKA 소프트웨어에 들어가 있다.

이 측정 공식은 Thermovision 900에 의해 자동적으로 계산되나 오퍼레이터는 현재 측정 환경에 대한 방사, 피사체거리, 상대 습도, 대기 온도, 반사된 주위 온도 등의 피사체 매개변수를 입력해야 한다. 교정기능은 블랙바디온도와 스캐너의 신호 출력간의 비선형 관계를 표현해 준다. 각 렌즈, 필터와 영역 조합은 그 자신이 교정 기능을 가지고 있다. 이 기능에 대한 상수는 스캐너에 저장되어 있고 시스템은 자동으로 사용된 조합에 대하여 적당한 상수를 선택한다. 교정기능은 플랑크 법칙과 스캐너 및 필터의 분광 응답을 이용하여 계산하지만 더 많은 정확한 결과는 측정에 의해서 얻을 수 있다. 이는 많은 블랙바디 소스가 스캐너로 측정되었을 때 측정 중에 이루어 질 수 있는 것이다. 여기에서 정확한 온도 분포를 고려하지 않고 상대적인 온도 분포를 확인하기 위해 각 부분에서의 방사율은 일정하게 하여 각 재료에 따른 방사율의 관계는 고려하지 않았다.




3. 적외선 열화상 카메라 시스템 구성




본 연구에 사용한 적외선 열화상 카메라Thermovision 900 system은 AGEMA 적외선 SYSTEM AB에서 생산한 적외선 SCANING SYSTEM의 6세대이다. 첨단 기술을 사용하여 스캐너의 크기를 감소하도록 AGEMA에서 설계하였고 윈도우 환경에서 메뉴에 의해 조작이 되도록 설계된 시스템제어로 분석기능과 모든 제어를 삽입시켰다. Thermovision 900 system 제어는 이중 채널 마이크로 프로세서를 기초로 하는 제어기이다. 이 시스템 제어기는 리얼 타임 환경, 메뉴 드라이브를 쉽게 사용할 수 있도록 OS9 운영 시스템 아래 X윈도우 시스템을 사용한다. 시스템 제어기 부분에서는 2개의 68020 프로세서가 사용되고 32비트 VME버스, 2개의 16비트 IR버스가 사용된다. 스캐너에서는 냉각방식은 열전기적으며 검출형태는 2개의 스프리트, 직렬 스케링, 2～5.4 마이크론 스펙트럼 응답을 보이며 온도 범위는 -10℃～500℃(고온 필터 사용시 2000℃까지 검출 가능), 민감도는 30℃에서 0.1℃, 공간 해상도는 140원소/Line(50%변조), IR라인 주파수 3.5KHZ, 심플/라인 204를 갖추고 있다.



Fig. 2 적외선 열화상 카메라 시스템 구성도




Fig.2에서는 본 실험에 사용된 적외선 열화상 카메라의 구성은 나타낸다. 온도를 검출하는 카메라는 AGEMA사의 Thermovision 900기종이며 장비의 이동성을 최대화 하기 위한 노트북용 PC 카드와 카메라, PC 카드의 연결을 위한 Power Scanner, 전원 공급을 위한 전원 장치로 구성이 된다.




4. Heating System의 구성




적외선 열화상 카메라로 영상을 잡기 위해서는 상온 보다 높거나 낮은 온도로 시편에 열량을 가해 주어야 하는 것이다. 또한 시편의 들뜸 현상을 파악하기 위해서는 결함 부분에서의 열 전도율이 다르게 나타나므로 그에 따른 온도 차이로 결함을 판별하는 방법을 택해야 하게 때문에 시편의 한쪽 면에서 일정한 열량을 가해주어야 한다. 이러한 열량을 가해 주기 위해 Heating System을 제작하여 시편에 일정한 열량을 가해주었다. Heating System을 제작하는데 있어 가장 중점적인 사항은 시편 표면에 균일한 온도 전달이 중요하였다. 시편이 열판에 일정한 압력으로 맞닿아 있지 않으면 그 차이로 인해 열전달이 일정하지 않아 최종 측정 화상에서의 온도 값이 달라지므로 적확한 결함 판별이 있을 수 없기 때문이다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 열판으로부터 일정한 간격을 두고 열판에서 공기를 통해 시편에 열을 전달시키는 방법을 택했다. 이로써 열판에 일정한 압력으로 맞닿게 하지 않아도 되며 열판과 시편 사이에 공기 층이 있게 하여 자체 열 대류로 인해 시편에 일정한 열량을 전달할 수 있게 하였다. 또한 Heating System 자체 내에서의 열 대류 현상으로 공기 자체의 온도 상승으로 인한 시편의 정확한 열 분포가 나오질 않아 시편에 지그를 제작하였으며 열판에 Thermocouple을 달아 공기의 온도가 아닌 열판의 온도를 측정하여 Controller를 이용하여 온도를 조절하였다.

지그와 시편을 장착한 Heating System의 전체 구성을 Fig.3에 나타내었다.



Fig. 3 Heating System의 전체 구성




Heating Box에는 동으로 만든 열판에 10개의 열선을 균일한 간격으로 내재 시켰으며 시편에 균일한 열 전달을 위해 10mm의 간격을 두어 장착할 수 있는 가이드와 열판의 온도 조절을 위한 Thermocouple을 접촉시켰으며 열판 온도 조절을 위한 Control Box를 별도로 제작하였다.




5. 결함 평가 방법 및 결과




특수용 신발에서의 결정적인 결함 부분은 외피와 밑창에서의 접합 부분으로써 인공결함의 종류를 크게 Open형과 Close형 두 가지로 나눌 수 있다.


a. Open형 b. Close형

Fig.4 신발 시편 인공 결함 종류의 형상




Fig. 4에서와 같은 결함 형상을 중심으로 인공결함을 제작하여 표면온도 분포를 측정하여 결함의 유무를 판별하도록 하였다. Heating System의 열판 온도는 약 90℃로써 신발의 재질에 손상이 가지 않는 한도내의 온도를 선택하였으며 실제 현장 공정에 맞게 가열 시간을 5분 이내로 하였다. 시편의 제작에 있어서 두가지 재료를 접합시킨 2 Layer형과 3가지 재료를 접합시킨 3 Layer형을 택했으며 신발 재료의 서로 다른 재질의 접합과 결함 종류, Layer 종류에 따라 총 31가지의 시편을 제작하여 측정하였다.

Table 1. 시편의 종류 분류


시편

번호
구성

재질
Layer
결함

종류

1
Robber+Upper(액션)
3
Open

Close

2
Robber+Upper(스프리트)
3
Open

Close

3
Robber+Upper(신세틱)
3
Open

Close

4
Eva+Upper(액션)
3
Open

Close

5
Eva+Upper(스프리트)
3
Open

Close

6
Eva+Upper(신세틱)
2
Open

Close

7
Rubber+Rudder
2
Open

Close

8
Eva+Eva
2
Open

Close

9
Upper(액션)+Upper(액션)
2
Open

Close

10
Upper(스프리트)+

Upper(스프리트)
2
Open

Close

11
Upper(신세틱)+

Upper(신세틱)
2
Open

Close


결함의 존재 유무 판별은 시편의 앞과 뒤 왼쪽과 오른쪽의 자리를 바꾸어 동일한 위치에 해당하는 부분에 결함으로 판별되는 방법으로 같은 시편을 모두 4번씩 측정하여 그 신뢰성을 더하였다. Open형의 경우 그 결함이 육안으로 판별이 되므로 적외선 이미지 영상을 통해 결함 부위를 검증할 수 있었으며 Close형에서는 동일한 시편에서 4개의 영상을 비교하여 신뢰성 있는 결함 부분을 평가 할 수 있었다.

본 연구에서는 대표적으로 결함이 가장 많이 발견되는 신발의 외피와 밑창의 접합 시편으로써 2 Layer의 Open형과 Close형에서 각각의 적외선 영상을 비교하고 그 열 분포를 해석하여 결함 부분을 판별하였다.



a. Upper b. Sole

Fig. 5 결함 평가 시편의 사진




본 연구에서는 지면의 부족으로 Fig. 5에서 나타낸 시편만으로 동일한 재질의 Open형과 Close형의 결함을 평가하였다.




4-1. Open형 시편의 결함 평가

여기에 평가된 Open형 시편은 Sole(Rubber)와 세척제(TCE), 선처리(007), 접착제(5100A), Upper(액션)으로 제작되었다. 열화상 이미지에서 2 Layer 사이에 결함이 있는 부분에서는 들뜸이 있어 하나의 공기 층을 이루고 있기 때문에 열전도가 낮아 그 표면에서는 낮은 온도를 나타내고 있으며 온도가 낮을수록 어두운 영상을 보여주고 있다.






Fig. 6 Sole이 위로 향한 IR 영상






Fig. 7 Upper가 위로 향한 IR 영상



Fig. 8 Fig. 6의 180°회전 영상






Fig. 9 Fig. 7의 180°회전 영상




위 각각 적외선 열화상 이미지들의 결함 평가와 열 분포 해석 결과를 다음 그림에 나타내었다.




4-2. Close형 시편의 결함 평가

여기에 소개된 Close의 시편 재질 또한 Open형과 동일한 재질로 제작되어 결함 종류만을 다르게 하여 촬영한 것이다.






Fig. 10 Sole이 위로 향한 IR 영상






Fig. 11 Upper가 위로 향한 IR 영상



Fig. 12 Fig. 10의 180°회전 영상






Fig. 13 Fig. 11의 180°회전 영상




6. 고찰 및 결론




Open형과 Close형, 2 Layer와 3 Layer 각각의 시편 결함 분석을 통하여 적외선 열화상 카메라를 통한 특수용 신발의 전수 검사 시스템의 개발에 있어서 그 가능성을 보여주고 있다. 이러한 결론을 통해 현장 라인에서의 공정 추가로 전수 검사를 행할 수 있으며 가장 큰 문제점은 검사 시스템에 있어서 Heating System의 개발에 있을 것으로 판단된다. 실제 생산라인에서는 신발의 안쪽에 열을 가해 주어야 하는 문제점이 발생하는데 이 방법은 신발 생산 공정에서 신발 족상에 결함이 많이 발견되는 부분에 열선을 추가하여 적외선 열화상 카메라로 촬영하는 방법이 검토되고 있으며 본 연구를 통하여 이러한 방법에 보다 신뢰성 있는 자료가 될 것으로 판단된다.




7. 후기




본 연구에 사용한 적외선 열화상 카메라(Thermovision 900 AGEMA)를 협찬해 주신 2001년도 산업자원부 부품산업 테크노 센터와 Heating System의 제작에 도움을 주신 포항 산업 과학 기술원(RIST)에 감사를 드립니다.




8. 참고문헌




1. Flir System AB, Stockholm “Level Ⅰ Course Manual" Infrared Training Central

2. Blackman, "A Transformation for Extracting New Descriptors of Shape." (1987)

3. Fall Conference, "ASNT Programs and Paper Summaries", American Society for Nondestructive Testing, 1989

4. 양동조, “적외선 열화상 카메라를 이용한 용접 비드의 열 해석”, 한국공작기계학회지(2000)