국내 산업과 세계 경제가 지속적인 발전을 거듭하며 점차 산업이 고도화됨에 따라 안전에 대한 요구는 나날이 증가하고 있으며, 특히 공공의 안전성과 신뢰성 향상을 위해 필수적인 비파괴검사(Nondestructive Testing, NDT) 기술의 중요성이 커지고 있다. 비파괴검사는 소재, 기기, 구조물의 품질관리, 품질보증의 한 수단으로 이용되는 계측 기술로써 검사 대상물을 손상, 분리, 파괴하지 않고 원형을 유지한 상태에서 검사 대상물의 표면, 내부의 결함 유무와 상태 또는 검사 대상물의 성질, 내부 구조 등을 조사하는 기술이다.

이번에 소개하는 유망기술은 한국원자력연구원(재료안전기술개발부)의 ‘비선형 초음파 기법’의 비파괴검사 기술이다. 비파괴검사 방법 중 비선형 초음파 기법은 재료의 미소 역학적인 변화에 매우 민감하여 재료의 미시구조적인 변화를 평가하는데 효과적인 비파괴검사 방법으로 주목받고 있는 검사 방법이다. 비선형 초음파 기법은 물리적으로 재료 내 원자간 분리 거리에 대한 작용 응력이 비선형적 거동을 하는 데서 나타나는 고체재료의 비선형 탄성 특성을 기반으로 한다. 그림 1처럼, 일정한 주파수를 갖는 사인파(sine wave)의 초음파가 충분한 진폭을 갖고 비조화 특성을 갖는 고체 매질 내를 전파할 경우 기본 입사 주파수를 갖는 초음파는 재료의 비선형 탄성 특성에 따라서 국부적인 위상속도의 차이로 인해 왜곡 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 수신되는 초음파 신호에는 재료에 입사된 기본 주파수의 성분 이외에 정수배에 해당하는 고차 조화 성분이 발생하게 된다. 즉, 재료가 손상을 받기 전후에 고차 조화파 성분의 크기 (또는 비선형 파라미터의 크기) 변화를 통해 재료의 손상 정도를 평가할 수 있는 것이다.