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Seoul Ra-11897(ISSN 2005-3339)



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    디지털 방사선 영상에 의한 용접 비파괴검사

    전력연구원 엔지니어링센터 선임연구원 박상기
    1. 디지털 방사선영상 개요
    1895년 렌트겐에 의한 X-ray 투과시험이 이루어진 이후 필름에 의한 방사선투과영상은 의료 와 여러 산업분야에 유용한 영상정보를 제공하여 관련기술 발전에 크게 기여해 왔다.
    그러나 필름이란 매체를 통한 아날로그 영상은 디지털 시대의 조류에 의해 그 내재된 문제점들이 표출되면서 이제 차츰 사라져가는 전환기를 맞게 되었다.
    필름에 의한 방사선투과영상은 필름 보관, 현상으로 인한 환경오염, 작업공정의 복잡과 검사비용의 증가등 여러 가지 문제점들을 내포하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 노력의 일환으로 선진국을 중심으로 디지털 방사선에 대한 연구개발이 활발히 전개되고 있으며, 현재는 의료와 수화물 검색과 같은 분야에서는 실용화가 이루어지고 있다.
    디지털 방사선투과영상은 기존의 방사선투과영상 취득에 비하여 영상취득시간을 대폭 줄일 수 있으며, 미세한 신호를 디지털 영상 처리에 의해 더욱 선명하고 세밀한 투과영상으로 변환하여 평가를 할 수가 있어 최근 가장 주목받고 있는 기술이다. 디지털 방사선 영상취득 기술은 필름을 사용한 아날로그 방식에 비하여 영상의 저장과 이동이 용이하고 영상을 개선 할 수 있다는 장점으로 인하여 그 적용이 확대되고 있다. 그림 1은 디지털방사선 취득방법에 따른 디지털 방사선투과영상 취득법을 나타내고 있다.

    2. 디지털 방사선영상의 원리
    디지털 방사선은 필름의 현상이 필요없어 방사선투과영상 취득시간을 크게 줄일 수가 있고, 소모성 자재를 사용하지 않아 검사비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 또한 취득한 영상정보를 기존의 필름과 같이 항온항습 환경에서 보관하지 않고 컴퓨터나 디스크에 보관함으로서 관리비용을 절감할 수 있다.
    그리고 온라인으로 여러 사람들이 영상정보를 공유하고 취득한 방사선투과영상을 디지털 영상처리기법에 의해 개선할 수 있는 등 효율적인 이용이 가능하다.
    디지털 방사선 영상은 취득하는 방법에 따라 직접방식과 간접방식으로 구분된다. 직접방식(directed digital radiography)은 Ar-Si, Ar-Se, CMOS등과 같은 반도체형 센서에 의해 투과영상을 획득하는 방식으로 디지털 방사선 센서의 구조는 그림 2와 같다.
    여기서 신티레이터(scintillator)는 방사선이 센서에 조사될 때 방사선을 빛으로 변환하는 역할을 하며, 매트릭스 형태의 미소 반도체 센서들은 빛을 전기적 신호로 변환하는 역할을 한다. 이 전기적 신호를 증폭한 후, 아날로그-디지털 변환기를 거치면서 디지털 투과영상으로 표현하게 된다. 직접방식은 센서와 운용컴퓨터가 온라인으로 연결되어 시험을 완료한 즉시 영상을 관찰할 수 있다.
    간접방식(computed radiography)은 시험체를 투과한 방사선은 광자극성 인광물질(photostimulable phosphor)이 도포된 영상판(imaging plate)을 감광시키고 영상판에 방사선 에너지가 저장된다. 방사선투과 에너지가 축적된 영상판에 680 ㎚ 파장의 적색 레이저를 노출하게 되면 영상판에서 약 300~500 ㎚의 녹색 빛을 발생하게 되며, 이 빛을 PMT (photo multiplier tube)에서 전기신호로 변환시킨다. 그 후 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환되어 영상정보로 기록되는데, computed radiography imaging system 구조는 그림 3과 같다.



    3. 의료, 검색분야 디지털 방사선 적용
    의료분야에서 디지털 방사선 영상은 2차원 엑스선 진단에 적용률이 약 71%이며, 3차원 영상 CT에 이용되는 엑스선, 그리고 생리학적 정보를 보여 주는 감마선을 이용하는 감마카메라, 단일광자방출 단층촬영, 양전자방출 단층촬영등으로 점차 증가하고 있는 추세이다.
    표1은 의료분야에 적용하고 있는 디지털 방사선분야이다. 최근, 디지털 방사선 array sensor 기술의 발전으로 인해 우주항공 산업분야의 안전성 확보, 생명공학, 반도체와 PCB 단층촬영, 공항의 보안 검색, 항만의 수화물 검색등 여러분야로 확대 되고 있으며, 그림 4, 5는 디지털 방사선에 의한 컨테이너 검색시스템과 취득영상이다.

    4. 비파괴검사분야 디지털방사선 적용
    (1) 디지털 방사선의 적용현황
    방사선투과검사는 검사객관성과 정확성이 확보되기 때문에 오랫동안 가장 많이 적용되어 온 검사방법으로 신뢰성 확보를 위해 방사선투과영상의 품질이 엄격히 요구하고 있다.
    이런 이유로 인해 비파괴검사 분야에서 디지털 방사선이 일찍부터 활발히 적용되지 못하였고, 최근의 많은 연구로 인하여 차츰 적용되기 시작하는 단계에 있다. 현재 적용되고 있는 형태는 CMOS 센서를 이용한 직접방식의 자동검사시스템을 각종 부품 및 제관 생산라인의 자동검사에 적용되고 있으며, 석유화학, 조선, 발전설비의 배관 부식과 감육상태 확인을 위한 수단으로 간접방식 디지털 방사선이 활용되고 있다.
    그림 6, 7, 8은 디지털 방사선의 비파괴검사 적용 사례이다.



    디지털 방사선투과영상은 취득한 영상을 디지털영상처리 기법에 의해 영상을 개선시킬 수 있는 것도 큰 장점이다. 그림 9의 ‘히스토그램에 의한 영상의 개선-최초 취득 디지털 방사선투과영상’은 최초 취득한 부적절한 영상을 히스토그램을 이용하여 그림 10과 같이 개선할 수 있다. 그림 10과 같이 profile을 이용하여 투과영상의 두께변화도 측정할 수 있다.

    (2) 디지털 방사선의 기준
    최근 몇 년간 전통적인 방사선 검사 기술을 대체할 새로운 디지털 방사선 검사 기술이 의료와 공업 분야에서 적용되고 있지만 표준 제정이 늦어지면서 이런 기술의 적용에 장애가 되어 왔다. 즉, 적절한 적용 기준과 최소 사양을 신속하게 제시해야 공업 분야에서의 안전하고 성공적인 적용을 촉진시킬 수 있기 때문이다.
    비파괴검사를 위한 디지털 방사선 투과검사의 기준은 유럽과 미국을 위주로 제정되고 있는데, 디지털 방사선 투과영상의 품질확보를 위해서 spatial resolution, contrast sensitivity, optical density range등을 주요인자로 채용하여 규정하고 있다.
    유럽 CEN은 독일비파괴검사협회에서 제안한 ‘general principles for examination of metallic materials by computed radiography’ 제안서가 유럽 표준화 프로젝트에 채택되었는데, 이 표준안의 개념은 spatial resolution과 contrast sensitivity를 보장하기 위한 규정과 시스템을 분류하는 것이며, contrast 측정을 위한 wire image quality indicator와 spatial resolution 측정을 위한 duplex wire를 모두 측정하도록 하고 있다. 미국 ASTM은 PSL(photostimulable luminescence)에 의한 computed radiography 기준과 computed radiography systems에 관한 필요조건과 안정성에 대해 규정하고 있다.
    Phosphor imaging plate 시스템 분류는 SNR(signal to noise ratio)을 기초로 하여 특정한 SNR을 얻기 위한 노출시간을 결정하는 방법을 제시하고 있다. 이상과 같은 비파괴검사 적용기준이 속속 제정됨으로서 앞으로 활발한 적용이 예상된다.

    (3) 용접부 디지털 방사선영상 정밀성 평가
    디지털 방사선영상을 비파괴검사에 적용할 경우 방사선투과영상이 가지는 정밀성이 어느 정도인지 평가하기 위하여 용접부에 대한 디지털 방사선영상을 취득하여 기존의 필름 영상과 비교 평가하였다.
    디지털 방사선영상획득은 80㎛ pixel CMOS 센서로서 305 ×356 ㎜ 크기인 flat panel detect, 고해상도의 모니터, 그리고 컴퓨터로 구성된 디지털 방사선 영상시스템을 사용하였다. 시험에 사용된 디지털 방사선영상시스템은 그림 12, 13과 같다.
    방사선투과영상을 비교하기 위하여 방사선투과시험에 사용된 용접시험편은 미국 Flowtech사에서 제작한 것으로 용접부 내에 인공적으로 결함이 가공되어 있으며, 시험편은 그림 14와 같다.

    1) 디지털 방사선에 의해 취득한 영상



    2) 필름 방식에 의해 취득한 영상



    3) 용접부 방사선투과영상 비교
    그림 15~18과 19~22는 디지털과 필름 방식으로 취득한 영상으로 육안으로도 디지털 영상이 우수함을 알 수 있다. 방사선투과 영상에 영향을 미치는 인자로는 농도(density), 대조도(contrast) 그리고 투과도계 식별도(resolution)를 들 수 있다. 농도는 영상의 검고 힌 정도를 말하고, 대조도는 명암의 차를 나타내며, 투과도계식별도는 투과영상에서 인식할 수 있는 최소크기를 나타낸다.
    농도는 촬영시나 현상중에 농도를 조절할 수 있기 때문에 디지털 영상과 아날로그 영상의 비교시 평가인자로 적합하지가 않다. 또 대조도는 투과영상에서 측정을 할 수 없어 비교 대상인자로 활용하지 않았다. 본 연구에서는 방사선투과시험에서 주로 사용하고 있는 투과도계 식별도 위주로 비교평가 하였고 용접부에 가공한 인공결함의 검출여부를 확인하여 비교하였다.
    투과도계식별도는 투과도계를 시험편과 함께 촬영을 한 후 투과영상에서 영상에서 인식할 수 있는 투과도계 최소선 지름을 시험재료의 투과두께로 나누어 백분율로 한 수치이다. 디지털 방사선과 기존의 방법으로 취득한 영상을 비교하여 표 3으로 나타내었다. 디지털 방사선투과 영상에서 필름에 나타난 투과도계 식별선 보다 더욱 미세한 식별선을 검출할 수 있었으므로 투과도계식별도가 우수하였음을 확인 할 수 있었다.



    5. 결론
    디지털 방사선투과검사 기술은 영상 보관의 편리성과 비용절감 그리고 투과영상의 개선이 가능한 점이 장점으로 부각되면서 선진국을 위주로 급속히 전파가 되고 있다. 본 연구에서는 디지털 방사선투과시험의 비파괴검사 적용 가능성을 확인하기 위하여 기존의 방법인 필름에 의한 방사선투과검사와 결함의 검출능을 비교 평가하였다.
    용접시험편에 대한 시험 결과 디지털 방사선투과 영상은 기존 필름으로 촬영된 영상에서 검출되지 않았던 미소한 결함도 검출할 수 있었으며, 방사선 투과검사 영상의 품질을 평가하는 투과도계 식별도 면에서도 필름에 의한 영상보다 우수한 것으로 확인되었다.
    이러한 결과는 그동안 디지털 방사선투과영상이 필름 영상에 비해 영상의 품질이 낮다고 알려져 있었으나 최근 디지털 방사선 센서 입자의 크기가 더욱 미세화되고 디지털 영상을 히스토그램에 의해 최적의 영상으로 나타낼 수 있기 때문에 필름에 의해 촬영된 영상보다 우수한 영상품질을 구현할 수 있게 되었다. 따라서 이번의 연구결과로 디지털 방사선투과영상 취득기술이 국내 모든 산업분야에서 확대적용 될 수 있는 계기가 되었다.
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