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- 1 - 초음파 비파괴검사용 Phased Array 개발 기술개발 및 사업화 결과보고서 창업기업명: (주)소노텍 대 표: 조 영 환 한 국 산 업 기 술 평 가 원
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초음파 비파괴검사용 Phased Array
개발 기술개발 및 사업화 결과보고서
창업기업명: (주)소노텍
대 표: 조 영 환
한 국 산 업 기 술 평 가 원
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결 과 보 고 서
2001년도 신기술창업보육사업에 의하여 완료된 “ 초음파 비파괴검사용 Phased
Array의 개발에 관한 기술개발 및 사업화" 의 결과보고서를 별첨과 같이 제출합
니다.
첨 부 : 결과보고서 10부, 끝.
2002 년 7 월 20 일
창업기업명: (주)소노텍
대 표: 조 영 환 (인)
한 국 산 업 기 술 평 가 원 장 귀하
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제 출 문
한국산업기술평가원장 귀하
본 보고서를 “ 초음파 비파괴검사용 Phased Array의 개발에 관한 기술 개발 및 사
업화” 의 결과보고서로 제출합니다.
2002 . 7 . 20 .
기 술 개 발 책 임 자 : 조 영 환
참 여 기 술 인 력 : 김 성 희
〃 이 재 광
〃 김 태 수
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요 약 서
항 목 현 황
일 반 현 황
○ 설립일(자본금): 2001. 7. 30. (설립자본금 100백만원, 현 자본금 200백만원)
○ 총 종업원수(경영/사무/연구⋅기술/생산등 구분): 3명(기술, 생산)
○ 사업장 현황(소재지 및 사업장 면적등) : 서울시 광진구 노유동 16-38 (55평)
개 발 현 황
초음파 비파괴검사용 phased array 두가지를 개발하였다. 개발된 phased array
의 사양은 7.5MHz/64element/30mm와 5.0MHz/64element/45mm이다. 개발을
위해 압전세라믹, wear plate, backing 등 각종 재료의 특성 측정 시스템을 구축
하여 특성을 측정, 재료의 선정을 하였으며 이를 통해 컴퓨터 시뮬레이션으로 설
계를 하였다. 개발된 phased array는 목표로 하는 성능을 만족하며 선진국 제품
과 동등한 성능을 나타내었다. 또한 개발된 phased array는 선진국 제품에 비해
월등한 가격 경쟁력을 갖고 있다.
양산체제등설비구축현황
압전 세라믹과 관련하여 전극 및 poling 시스템을 구축하였으며 각종 재료의 가
공을 위한 연마기와 에폭시 관련 진공 챔버, 전기오븐, 전자저울 등을 구비하였
다. 또한 제품 측정을 위한 수조 측정 시스템을 갖추었다. 그리고 dicing 가공은
외주 가공 처리하였다. 이러한 설비 구축을 통해 현재 월 50개의 양산 체제를 갖
추고 있다.
사업화 현황
○ 매출실적 및 계획
제품 특성상 제품 출시 후 바로 판매가 이루어지지 않으며 각 시스템 회사 별로
시스템과의 정합 및 신뢰성 검사 등을 행하므로 최소 3개월 이상의 시간이 필요
하다. 또한 Dicing 가공의 외주 처리시의 문제로 인해 전반적으로 개발일정이 늦
어져 현재 proto-type 출시 후 정합 및 신뢰성 검사가 진행되고 있다. 따라서 현
재까지는 매출 실적이 없는 상황이다. 당사 개발품의 성능은 기존 제품과 동등
또는 그 이상의 성능을 갖고있고 기존 제품에 비해 1/2~1/3 이하의 가격으로 월
등한 가격 경쟁력을 갖고 있으므로 본격적인 매출이 이루어지기 시작하면 매출이
급격히 증가할 것으로 예상된다. 따라서 2002년 310백만원, 2003년 3,530백만
원, 그리고 2004년 10,490백만원의 매출이 가능하리라 예상한다.
대외기관 인증
특허/외부자금
활용현황
○ 특허
○ 정책자금 활용
○ 대외기관 인증
○ 벤처캐피탈 투자 현황
기 타 사 항
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목 차
Ⅰ. 기술개발 및 사업화 목적과 중요성
1. 개발품의 기술 및 사업화 현황, 문제점 및 전망
2. 초음파 비파괴검사용 Phased Array 연구개발의 경제.사회.기술적 중요성
2.1 기술적 측면
2.2 경제ㆍ산업적 측면
2.3 사회ㆍ문화적 측면
Ⅱ. 기술개발 내용
1. 제품의 개요
1.1 개발제품 외관사진
1.2 제품의 동작
1.3 제품의 내부구조 및 기능
1.4 개발 제품의 주요 특성 및 성능변수
1.5 개발제품의 사양
2. 설계내용
2.1 압전 세라믹
2.2 Wear plate
2.3 Backing
2.4 모의실험
3. 제조공정도
4. 양산 원가계산과 기존제품과의 가격비교
4.1 양산원가 계산(50개/월 기준)
4.2 기존제품과의 가격 비교
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5. 성능평가 및 선진국 제품과의 성능 비교
5.1 성능평가
5.2 선진국 제품과의 성능비교
6. 양산개발 시 애로상황 및 해결과정
6.1 치구 제작 문제
6.2 자금의 부족
6.3 Dicing 문제
Ⅲ. 양산사업화 추진내용
1. 추진경과
2. 매출 실적과 향후 3년간 계획
2.1 매출실적 (기간 : 2001. 7 ~ 2002. 6)
2.2. 향후 예상 매출액
3. 사업화 추진과정상 애로사항 및 해결과정
3.1 자금의 부족
3.2 기술인력의 부족
3.3 시장진입
3.4 시장현황 파악의 미비
Ⅳ. 기대효과
1. 관련 산업에의 파급효과
2. 수입대체 및 수출 증대
3. 기타 효과
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Ⅰ 기술 개발 및 사업화 목적과 중요성
1. 개발품의 기술 및 사업화 현황, 문제점 및 전망
초음파 비파괴검사용 phased array의 개발에서 가장 중요한 것은 wear plate나
backing과 같은 재질의 선정 및 조합이다. 이를 위해 각종 epoxy류와 압전 세라믹
그리고 알루미나 등의 재질에 대한 검토와 특성 측정을 위한 측정 시스템을 구축하
였으며 각 재질의 특성 측정 후 전산기를 이용한 모의실험을 통해 재질을 선정하고
제작하였다. Phased array의 성능 및 수율은 설계뿐만 아니라 제작 공정에 의해 좌
우되는데 작업자의 숙련도와 관계없으며 공정 오류의 영향을 최소화할 수 있도록
각 공정별 정밀 가공 치구를 사용하는 공정을 설계하였다.
Phased array의 제조 공정 중 가장 중요한 것 중의 하나인 dicing 공정은 고가의
dicing 장비를 사용하는데 초기 투자비에 부담이 되므로 외주 가공을 통해 이를 해
결하고자 하였으나 외주 가공 업체의 사정으로 원활한 작업이 진행되지 못하였으며
현재는 다수의 가공업체를 확보하여 이 문제를 어느 정도 해결하였다. 이러한 문제
로 인해 초기 계획에 다소 못 미치는 시험생산 단계에 있으며 조만간 양산 체제를
갖추려 한다.
현재 phased array를 이용한 B-mode 시스템의 보급에 가장 큰 장애 요소는 작업
자들의 신기술에 대한 거부감과 가격 문제이다. 신기술에 대한 거부감은 보다 사용
하기 용이하면서 기존 방식에 비해 월등한 성능을 갖는 시스템을 개발하여 해소할
수 있는데 이 때 phased array의 성능이 전체 시스템의 성능을 좌우하므로 보다
좋은 성능의 phased array를 개발하는 것이 매우 중요하다 또한 가격문제에 있어
서 가장 큰 가격 상승 요인은 phased array의 가격이다. 이는 의료용의 경우와 달
리 비파괴검사 시에는 phased array가 소모품인 점을 감안하면 더욱 심각한 문제
이다. 현재 phased array의 가격은 기존 변환기에 비해 약 20배 가까이 하므로 이
는 매우 큰 부담으로 작용한다. 따라서 보다 저렴한 phased array의 개발이 매우
중요하다.
이러한 문제점으로 phased array를 이용한 B-mode system의 시장이 확대되지 못
하고 있는 실정이다. 그러나 보다 저렴한 가격의 고성능의 phased array의 개발을
통해 이를 극복할 수 있을 것으로 생각된다.
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2. 초음파 비파괴검사용 Phased Array 연구개발의 경제.사회.기술적 중요성
2.1 기술적 측면
고도화된 산업사회에서 각종 재료의 생산에서 품질확보를 위한 검사는 그 중요성이
날로 증대되고 있다. 또한, 각종 구조물의 안전진단은, 특히 원자력 발전과 같이 그
위험성이 심대한 경우, 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 이러한 검사방법
중 제품 또는 구조물에 변형을 가하지 않으면서 검사를 행하는 비파괴검사는 그 중
요성이 날로 증대되고 있으며 특히 다양한 재질에 적용할 수 있으며 결함의 위치를
정확히 알 수 있고 실시간으로 검사가 가능하며 인체에 무해한 초음파 비파괴검사
는 더욱 그 중요성이 커지며 활용 폭이 넓어지고 있다. 이러한 초음파 비파괴검사
에서 phased array를 이용한 B-mode system은 최근 개발되고 있는 기술로서 검
사자에 무관하게 검사결과를 얻을 수 있고 검사 결과를 영상으로 저장할 수 있는
장점으로 미래의 초음파 비파괴검사 방법으로 각광을 받고 있다. Phased array를
이용한 B-mode 시스템에서 가장 중요한 것은 영상의 질인데 이는 특히 phased
array의 성능에 좌우된다. 초음파 비파괴검사용 phased array의 성능은 아직까지
유사한 의료용 phased array의 성능에 비해 다소 떨어지므로 이의 개선이 시급한
실정이다.
2.2 경제· 산업적 측면
초음파 비파괴검사용 phased array는 미국, 프랑스, 캐나다 등 일부 선진국에서만
개발, 생산되어 전량 수입에 의존하고 있으므로 수입대체 효과를 기대할 수 있다.
선진국 제품은 고임금의 인건비와 기술적 진입장벽으로 그 가격이 매우 높게 책정
되어 있으며 따라서 기술 경쟁력을 확보하면 충분한 가격 경쟁력을 확보할 수 있으
므로 대외 수출품목으로도 유망한 제품이다.
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2.3 사회· 문화적 측면
신기술인 phased array를 이용한 초음파 비파괴검사는 제철, 발전소 및 핵 발전소,
비행기 제조, 철도, 자동차, 파이프 제조 등의 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는
데 phased array를 이용할 경우 보다 정확하고 빠른 검사를 가능하게 하므로 산업
안전 확보에 일익을 담당하게 될 것으로 생각한다.
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Ⅱ. 기술개발 내용
1. 제품의 개요
1.1 개발 제품 외관 사진
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1.2 제품의 동작
개발된 phased array는 시스템으로부터 전기신호를 받아 초음파를 발생시켜주며
발생된 초음파를 검사하고자 하는 물체 내부에 전달하여 결함 등 물체 내부에서 발
생된 초음파를 다시 수신하여 전기 신호로 변환시켜 시스템에 전달하는 역할을 한
다.
일반적인 비파괴검사용 초음파 변환기는 단일 소자 또는 dual element로 구성되어
있으나 phased array는 다수(16~128)의 소자로 구성되어있다.
이러한 phased array의 동작은 그림과 같이 각각의 소자에 시간 지연을 주어 초음
파 빔을 형성하고 시간지연에 따라 각각의 초음파 빔을 조향(steering)하여 원하는
영역을 주사(scan)하여 영상을 얻는다.
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1.3 제품의 내부구조 및 기능
Phased array는 크게 압전 진동자, wear plate, backing, 그리고 cable 의 4부분으
로 나누어진다. Phased array의 내부 구조는 아래 그림과 같으며 각각의 기능은 다
음과 같다.
1.3.1 압전 진동자
압전 진동자는 초음파를 발생하고 수신하는 능동소자로서, phased array에서 가장
중요한 요소이다. Phased array의 감도와 해상도는 진동자의 전기ㆍ 기계적 특성과
밀접한 관련이 있다. 현재 사용되고 있는 초음파 변환기에는 높은 전기ㆍ 기계 결
합 계수와 전기 회로와의 임피던스 정합, 그리고 안정된 물질 특성 등의 성질을 갖
고 있는 압전 세라믹을 주로 사용한다.
1.3.2 Wear plate
초음파 비파괴검사는 그 대상물이 철 등의 금속 재료가 주종을 이루므로 array 사
용 시 표면의 마모가 심하게 된다. 따라서 이러한 점을 고려하여 array 표면에
wear plate를 부착하게 되는데 이는 또한 압전 세라믹과 검사 대상 재료 (주로 철)
의 음향 임피던스 차이를 보상하는 matching의 역할도 하게 된다.
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1.3.3 Backing
Phased array에서 압전 진동자가 진동할 경우 phased array의 전면과 동시에 후면
으로도 초음파가 전달된다. 이때 압전 진동자의 후면에 backing을 부착하여 후면으
로 전달된 초음파 에너지를 흡수하여 펄스의 길이를 줄이게 된다. Backing의 음향
임피던스가 진동자의 음향 임피던스와 같아질수록 후면에서의 반사가 적어져 펄스
의 지속시간 (ringing)이 작아지므로 축방향 해상도가 좋아지게 된다. 그러나 진동
자와 backing 간의 음향학적 정합으로 광대역 특성이 얻어질수록 backing에 의한
흡음 손실이 커져 phased array의 감도가 저하된다. 따라서 두 성능 사이의 절충이
불가피하다.
1.3.4 Cable, connector 및 기타
Phased array를 시스템과 연결시켜주기 위해서는 다수의 cable이 (개발 제품의 경
우 64 core 이상) 필요하게 되므로 두께가 매우 적은 cable을 사용하여야 하며 잡
음과 EMI 등의 영향을 최소화하기 위해 coaxiaI cabIe을 사용한다. 일반적으로
36~40AWG 굵기의 coaxial cable을 사용하는데 필요한 수의 cable이 shield cable
과 표피로 둘러 싸인 형태의 cable을 사용한다. 또한 phased array를 사용하는 환
경은 매우 열악하므로 시스템과 phased array 간의 거리가 상당히 멀어지는 경우
도 발생하게 된다. 이때, phased array 각각의 요소(element)는 매우 작으므로
capacitance 또한 매우 작게 되는데 따라서 cable의 capacitance의 영향이 최소화
되도록 cable의 capacitance가 적은 것이 바람직하다.
이외에 phased array는 phased array와 시스템을 연결하여 주는 connector, 그리
고 phased array를 외부 충격으로부터 보호할 수 있는 case 등으로 구성된다.
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1.4 개발 제품의 주요 특성 및 성능변수
1.4.1 해상도
초음파 비파괴검사용 B-mode 시스템의 중요 성능으로는 축 방향으로 배열된 반사
체의 구별 능력과 축 방향으로 배열된 반사체의 구별 능력을 들 수 있다.
축 방향 해상도 (axial resolution)는 phased array에서 발생되는 초음파 펄스의 길
이가 짧아질수록 좋아지며 주파수 특성이 광대역이 될수록 초음파 펄스의 모양이
impulse에 가까워진다.
축 방향 해상도는 pulse-echo가 20dB, 또는 40dB 감쇠 (ring down)하는데 걸리
는 시간이나 초음파 펄스의 주파수 스펙트럼에서 6dB 대역폭을 성능변수로 많이
사용한다.
축 방향 해상도는 phased array의 크기, 주파수 등의 물리적인 특성에 의해 고정된
다. 이러한 축 방향 해상도를 개선하기 위해서는 전자회로의 시간 지연으로 초음파
를 집속하여 beam 폭을 줄여야 한다.
일반적으로 phased array의 주파수를 높일수록 해상도는 좋아진다. 그러나 주파수
가 높아지면 감쇠가 심해져서 검사할 수 있는 깊이의 제한이 따르므로 이 두 가지
성능 사이의 절충이 필요하다.
1.4.2. 감도
감도(sensitivity)는 S/N비와 밀접한 관계가 있는 변수로서 phased array, 구동 및
수신 회로, 신호처리, 그리고 화면 표시 장치 등 여로 요소의 영향이 포함되므로 정
의하기가 어렵다.
일반적으로 감도는 동일한 조건에서 pulse-echo에 의해 수신된 파형의 전압과 송
신 전압의 비(loop sensitivity)로 나타낸다. 이는 phased array 이외의 다른 영향을
제외한 것으로 phased array의 에너지 변환효율을 의미한다.
보통 감도는 축 방향 해상도와 상충하므로 사용 목적에 따라 두 성능 사이의 절충
이 필요하다.
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1.4.3. 영상의 dynamic range
영상의 dynamic range는 on-axis 응답과 off-axis 응답의 비율이다. Off-axis 응
답은 side lobe와 array 소자의 규칙적 배열에 의한 grating lobe가 주 원인이며 그
응답이 클 경우 영상의 dynamic range를 저하시키며 multiple image를 만들어 내
기도 한다.
1.5 개발 제품의 사양
개발된 phased array는 두 가지로 각각의 주요사양은 아래의 표와 같다.
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2. 설계 내용
2.1 압전 세라믹
Phased array에서 가장 핵심적인 재료는 압전 세라믹이다. 압전 세라믹은 전기 신
호를 받아 초음파를 발생시키고 역으로 수신된 초음파 신호를 전기 신호로 변환시
키는 역할을 한다.
2.1.1 설계
￭ Phased array에서는 광대역 특성이 가장 중요하므로 광대역 특성을 얻을 수 있
는 재료를 사용한다.
￭ 중심 주파수가 5.0MHz± 10%와 7.5MHz± 10%가 되도록 한다.
￭ 압전 세라믹의 특성을 측정할 수 있는 시스템을 구축한다.
2.1.2 결과
￭ Phased array에서 광대역 특성은 내부 손실이 큰 압전 재료를 사용 함으로서 얻
어질 수 있다. 이러한 물질로 가장 대표적인 압전 물질은 PVDF가 있다. 그러나
PVDF는 송신 감도가 낮으므로 phased array에 사용하기에는 부적합하다. 따라서
송신 감도를 유지하면서 광대역 특성을 얻기 위해서는 일반적으로 PZT-5H 계열을
사용 함으로서 얻어질 수 있다. 특히 압전 결합 계수 Kt가 큰 물질을 사용하는 것이
유리하다.
￭ Phased array의 중심 주파수는 압전 세라믹의 공진 주파수에 의해 결정되는데
wear plate, backing 등의 접착과 dicing의 영향으로 압전 세라믹의 공진 주파수에
비해 낮아지게 된다. 따라서 이러한 점을 고려하여 중심 주파수 5.0MHz 용 세라믹
의 공진 주파수는 6.8MHz± 10%, 7.5MHz 용으로는 10.3MHz土 10%로 결정하였
다.
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￭ 압전 세라믹의 특성은 그림과 같은 시스템을 구축하여 측정하였다.
아래 그림은 압전 세라믹의 특성 측정 결과이며 각각 임피던스 ｜Z｜와 ∠이다.
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이로부터 얻은 압전 세라믹의 특성은 아래 표와 같다.
2.2 Wear plate
초음파 비파괴검사는 그 대상물이 철 등의 금속 재료이므로 array 사용 시 표면의
마모가 심하게 된다. 따라서 이러한 점을 고려하여 array 표면에 wear plate를 부착
하게 되는데 이는 또한 압전 세라믹과 검사 대상 재료 (주로 철)의 음향 임피던스
차이를 보상하는 matching의 역할도 하게 된다.
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2.2.1 설계
사용 시 표면 마모가 적은 물질을 사용한다. 그리고 사용 물질의 음향 임피던스가
검사하고자 하는 재질과 압전 세라믹의 음향 임피던스의 차이를 보상할 수 있는 임
피던스를 갖는 물질을 사용한다.
2.2.2 결과
￭ 알루미나를 사용한다.
￭ 아래 그림과 같은 측정 시스템을 구성하고 알루미나의 특성을 측정하였다.
특성 측정 결과는 아래의 표와 같다. 비교를 위해 압전세라믹의 특성 측정결과와
일반적인 철의 특성을 같이 나타내었다.
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2.3 Backing
2.3.1 설계
Backing은 초음파를 송수신할 때 진동자 내의 음향에너지를 흡수하여 초음파 펄스
의 길이를 줄이는 역할을 한다.
Backing의 임피던스가 압전세라믹의 임피던스와 같아질수록 후면에서의 반사가 적
어져 펄스의 지속 시간 (ringing)이 작아지므로 초음파 영상의 축 방향 해상도가 좋
아지나 backing에 의한 흡음 손실이 커져 phased array의 감도가 저하된다. 따라
서 두 가지 성능 사이의 절충이 필요하다.
Backing의 또 한가지 요건은 backing 자체 내의 음향 손실이 커야 한다는 것이다.
이는 backing으로부터 반사되어 돌아온 음파가 충분히 감쇠 되지 않을 경우 영상에
영향을 주기 때문이다. 일반적으로 backing에서의 감쇠는 -90dB 이상 이어야 한
다.
2.3.2 결과
적당한 에폭시에 여러 종류의 powder를 혼합하여 제조 하였다.
제작된 backing의 특성 측정은 wear plate의 특성 측정과 같은 방법으로 하였으며
그 결과는 아래의 표와 같다.
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2.4 모의실험
지금까지 제작되고 측정된 압전 세라믹, wear plate, 및 backing의 결과로부터 컴
퓨터를 이용하여 모의 실험을 통해 설계한다.
2.4.1 설계
중심 주파수는 각각 5.0MHz土 10%, 7.5MHz± 10%이고 주파수 대역폭은 60% 이
상이 되도록 설계한다.
2.4.2 결과
아래 결과는 중심 주파수 7.5MHz의 phased array에 대한 컴퓨터 모의 실험 결과
이다. 실험 결과, 중심 주파수는 7.2MHz, 주파수 대역폭은 65.6%로 나와 원하는
결과를 얻을 수 있었다.
모의 실험 결과에서 sensitivity를 의미하는 Vp-p는 절대값이 아닌 상대 값이며 모
의실험 결과간의 상호 비교만이 가능하다. -20dB ring down time (pulse width)는
짧을수록 좋은데 실험결과는 0.508μs로 비교적 적게 나왔다.
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3. 제조공정도
Phased array 생산공정은 접착공정, dicing 공정, wiring 공정, backing 공정,
cabling 공정, case molding 공정과 검사로 나눌 수 있다.
공정번호
공정명 재료 장비명 작업내용
1 동박 접착 세라믹, 동박 인두 세라믹의 양 끝에 동박 연결
2.0 Wear plate 연마 Wear plate 연마기 원하는 두께로 wearplate 연마
2.1 Wear plate 접착 Wear plate, epoxy
Oven, 진공 chamber, balance
세라믹의 ground 면에 wear plate 접착
3 Dincing Dicing saw 64 element로 dicing
4 Wiring PCB 인두, 확대경 각 element, PCB에 연결
5 Backing 각종 파우더, epoxy
Oven, 진공 chamber, balance
Backing casting
6 1차 검사 Digital scope,Ultrasonic
Analyzer, 수조
1차 검사
7 CabIing Cable assembly 인두 Cable 연결
8 Case molding Case, epoxy Oven, 진공 chamber, balance
Case에 moIding 및 완성
9 최종 검사 Array Digital scope,Ultrasonic
Analyzer, 수조
최종검사
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최종제품 (Cable 및 connector 포함)
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4. 양산 원가계산과 기존제품과의 가격비교
4.1 양산원가 계산(50개/월 기준)
(단위 : 원)
비 목 금 액 비 고
재료비 원료비 613,000 상세내역 참조
소모기자재비 20,000
노무비 인건비 124,000
경비 감가상각비 60,000
외주가공비 150,000
관리경비 108,000
연구개발비 60,000
조립원가 1,135,000
※ 원료비 상세내역
비목 금액(원)
압전세라믹 25,000
에폭시 및 powder류 23,000
PCB 및 connector류 43,000
Cable 292,000
Case 220,000
소모품류 10,000
소 계 613,000
4.2 기존제품과의 가격 비교
(단위 : 원)
항 목 미국 제품 프랑스 제품 개발 제품
판매가격 580만원 600만원 180만원
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5. 성능평가 및 선진국 제품과의 성능 비교
5.1 성능평가
성능 평가를 위한 측정 시스템은 아래 그림과 같다.
시스템의 동작은 먼저 ultrasonic analyzer에서 전기 신호 impulse를 phased array
에 가한다. Phased array에서 발생된 초음파 신호는 target에서 반사되어 다시
phased array가 수신하고 이를 ultrasonic analyzer에서 증폭하여 digital
oscilloscope로 전달하고 이를 컴퓨터에서 받아 신호 처리를 하려 결과를 얻는다.
측정된 결과는 각각 중심주파수 5MHz, 7.5MHz phased array에 대한 아래 두개의
그림이다. 측정 결과를 정리하면 아래 표와 같은데 이 결과를 보면 각각의 phased
array가 중심주파수는 nominal frequency ± 10%의 범위 내에 있고 주파수 대역폭
은 각각 60%이상을 얻을 수 있었다.
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측정 결과와 모의실험 결과를 비교하면 매우 유사하게 나타났으나 다소 차이가 있
는 것을 알 수 있다. 이는 각각의 재료의 특성 측정 결과에서의 오차, 특히 압전 세
라믹 특성의 직진성의 문제와 bulk 상태의 압전 세라믹의 특성과 dicing 된 후의
압전 세라믹의 특성 차이 등의 오차가 원인이다. 또한 모의 실험 시에 고려하지 않
은 접착 층과 동박의 영향에 의해 두 결과에 다소 차이가 있게 된다.
두 결과를 비교하면 아래 표와 같다.
5.2 선진국 제품과의 성능 비교
성능비교를 위해서는 동일한 사양의 phased array를 비교하는 것이 바람직하나 동
일한 사양의 phased array를 구할 수 없어 일반적으로 많이 사용되는 초음파 비파
괴검사용 단일소자 변환기와 성능을 비교하였다. 비교에 사용된 변환기는 중심 주
파수 5.0MHz, 직경 13㎜의 변환기이다. 개발된 phased array와 비교에 사용된 변
환기의 성능 측정 결과는 아래 표와 같다.
비교 변환기의 sensitivity가 개발된 변환기에 비해 1.7배 이상 나왔으나 비교 변환
기의 사용 면적이 개발된 변환기의 15배에 달하는 것을 고려하면 개발된 변환기의
sensitivity가 더 좋음을 알 수 있다. 또한, 주파수 대역폭도 개발된 변환기가 다소
큰 것을 알 수 있다. 그리고 비교 변환기의 중심 주파수가 3.74MHz로 다소 낮게
나왔는데 이는 nominaI frequency 土 10%의 범위를 초과하는 것이다. 다만, 개발
된 변환기의 ring-down time이 다소 길게 나왔는데 이는 개선을 요하는 결과이다.
비교 변환기의 특성 측정 결과는 아래 그림과 같다.
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6. 양산개발시 애로상황 및 해결과정
6.1 치구 제작 문제
Phased array의 생산에서 가장 중요한 것은 정밀한 치구의 사용이다. 정밀한 치구
의 사용은 생산성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 수율을 높이는 가장 핵심적인 부분
이다.
치구는 공정설계가 어떠하냐에 따라 변경되며 뛰어난 아이디어와 정밀한 가공을 요
한다. 그러나 재료의 입수 문제, 가공성의 문제 등의 요인으로 일부 공정이 개발 중
에 변경이 되었으며 이로 인해 계속적인 치구의 설계ㆍ 제작이 이루어져 자금의 손
실과 시간지연이 나타났다.
6.2 자금의 부족
Phased array의 생산에서 성능에 영향을 미치는 요인은 대단히 복잡하며 무수히
많으며 이러한 모든 변수를 고려하여 설계하거나 제작하는 것은 불가능하다. 따라
서 많은 시행 착오를 통해 경험을 축적하고 문제를 해결해 나가야 한다. 그러나 이
러한 시행착오를 거치며 소모되는 재료와 인건비 등과 시간으로 인해 자금소요가
많아지게 되는 것이다. 이러한 문제는 시뮬레이션을 통해 최대한 변수를 줄여나가
고 잘 계획된 실험 방법으로 시행착오를 줄여 나갔다.
6.3 Dicing 문제
Phased array의 개발에는 초기 장비 투자비가 많은 편이며 특히 dicing saw는 매
우 고가의 장비로 투자에 부담이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 dicing saw를
사용하는 업체에 가공을 위탁하여 개발하였다. 그러나 개발에서의 여러 가지 문제
를 해결하기 위해서는 dicing saw를 사용한 실험이 다양하게 이루어져야 하나 위
탁 가공의 한계로 충분한 실험이 이루어지지 못하였으며 또한 업체 사정에 따라 원
하는 시간에, 원하는 분량 만큼의 가공을 하지 못해 개발 일정이 전반적으로 지연
되게 되었다. 현재는 다수의 업체를 확보하여 각 업체의 사정에 무관하게 지속적인
개발ㆍ 생산이 이루어지도록 하였으며 앞으로는 융자 또는 증자를 통해 자금을 확
보하여 구입 또는 리스를 통해 장비를 확보하여 보다 원활한 개발ㆍ 생산이 이루어
지도록 할 계획이다.
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III. 양산사업화 추진내용
1 . 추진경과
-. 01. 7. 30 법인설립
-. 01. 8. 12 사무실 임대(서울시 광진구 노유동 16-38, 55평)
-. 01. 12. 18 1차 proto-type 제작 (5.0MHz)
-. 02. 2. 28 2차 proto-type 제작 (5.0MHz. 7.5MHz)
-. 02. 3. 25 3차 proto-type 제작 (5.0MHz. 7.5MHz)
-. 02. 5. 14 4차 proto-type 제작 (5.0MHz. 7.5MHz)
-. 02. 6. 13 최종 proto-type 제작 (5.0MHz. 7.5MHz)
-. 02. 6. 28 EPP 생산 완료 (5.0MHz. 7.5MHz)
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2. 매출실적과 향후 3년간 계획
2.1 매출실적 (2001.7.1 ~ 2002.6.30)
Phased array는 B-mode 시스템의 핵심 부품으로 이는 그 특성상 제품 출시 후
바로 판매가 이루어지지 않으며 각 제조 회사 별로 시스템과의 정합과 신뢰성 검사
등을 행하므로 최소 3개월 이상의 시간이 소요된다. 그리로 dicing 공정을 외주 가
공으로 하였으나 업체 사정 등으로 인해 개발 일정이 더디게 진행되었다. 이러한
개발 지연과 시스템과의 정합 실험과 신뢰성 검사 등으로 인하여 아직까지 매출은
이루어지지 못하고 있다. 그러나 당초 계획에는 못 미치지만 정합 실험 및 신뢰성
검사 등이 완료되면 당사 제품이 외국 제품에 비해 월등한 가격 경쟁력을 갖기 때
문에 매출이 급격히 증가 할 것으로 예상된다.
2.2 향후 3년간 매출 계획
현재 정합 실험과 신뢰성 검사 등이 진행되고 있으며 dicing saw의 구입 등 생산
설비 확보 및 증설을 위해 투자를 유치 중이며 약 3개월 이후에는 본격적인 매출이
이루어 질 것으로 예상되고 있다.
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3. 사업화 추진상 애로사항 및 해결과정
3.1 자금의 부족
Phased array의 개발에는 초기 장비 투자가 많은 편이다. 특히 dicing saw는 고가
의 장비로 초기 투자에 부담이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 고가의 장비를
이용하는 공정의 일부를 외주 가공 처리하여 해결하고자 하였다. 그러나 dicing 공
정의 경우 다양한 실험이 이루어져야 하며 충분한 시간의 가공이 필요하나 외주 업
체의 사정으로 인해 가공에 많은 문제점이 발생하였으며 개발일정에도 막대한 영향
을 미쳤다. 현재는 다수의 업체를 확보하여 각 업체의 사정에 무관하게 지속적인
개발ㆍ 생산이 이루어지도록 하였으며 앞으로는 융자 또는 증자를 통해 자금을 확
보하여 구입 또는 리스를 통해 장비를 확보하여 보다 원활한 개발ㆍ 생산이 이루어
지도록 할 계획이다.
3.2 기술인력의 부족
국내의 초음파 변환기 관련 인력은 거의 전무한 형편이며 따라서 개발 진행에 따라
업무 진행 속도가 점차 느려지게 되었다. 또한 자금의 부족으로 고급인력의 채용이
어려웠다. 이는 업무 진행 시 교육을 통해 어느 정도 해소하였으며 경험자를 채용
함으로써 문제를 해결하고자 하였다.
3.3 시장 진입
Phased array는 B-mode 시스템의 핵심 부품으로 이는 그 특성상 제품 출시 후
바로 판매가 이루어지지 않으며 각 제조 회사 별로 시스템과의 정합과 신뢰성 검사
등을 행하므로 최소 3개월 이상의 시간이 소요된다. 또한 한가지 종류의 array 보
다는 여러 종류의 제품을 같이 요구하기 때문에 제품 구색을 갖추는 것도 걸림돌로
작용할 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 시스템 제조 회사와 긴밀한 협조 하에 각
종 검사와 개발을 병행하여 해결해야 한다.
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3.4 시장 현황 파악의 미비
초기에는 기존의 단일 소자 변환기를 사용하는 초음파 비파괴검사 시스템 시장이
급격히 phased array를 이용한 B-mode 시스템 시장으로 전환할 것으로 예상하였
으나 아직까지는 시장의 전환이 매우 더딘 형편이다. 특히 phased array는 내수를
통해 생산의 안정화를 꾀하고 신뢰성을 확보하여 수출을 하는 특성을 갖는데 국내
시장의 확대가 충분히 이루어지지 않고 있다. 한편 phased array는 직접 소비자를
대상으로 판매하는 것이 아니라 시스템 제조 회사에 판매하는 제품이므로 phased
array의 판매는 시스템의 판매에 종속되는 경향이 있다. 그러나 세계적인 추세는
phased array를 이용한 B-mode 시스템으로의 전환이므로 조만간 국내 시장도 급
격히 확대되리라 예상된다
개발된 제품은 주로 금속 재질을 대상으로 검사하는 시스템용 변환기인데 최근에는
가스 배관 이음부 검사에 대한 수요가 증대되어 가스 배관용의 linear array를 개발
할 필요가 있다.
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IV 기대효과
1. 관련 산업에의 파급효과
초음파 비파괴검사에서 phased array를 이용한 B-mode 시스템은 일부 선진국의
2~3개 업체만이 최근 개발을 완료하고 상용화하여 시판하는 시장 진입단계로 그
발전 가능성이 무한히 큰 산업 분야이다. 따라서 당사의 개발품은 우수한 성능과
뛰어난 가격 경쟁력을 바탕으로 초기 시장을 선점하는 효과를 가져올 수 있으며 직
접적으로 국내의 B-mode 시스템 제조 회사의 경쟁력 제고에 큰 몫을 할 것으로
생각된다.
초음파 비파괴검사용 phased array 기술은 의료용 초음파 변환기, SONAR용
sensor, 초음파 유량계용 sensor 등 각종 초음파 sensor에 적용되어 기타 제품의
기술 발전에 이바지 할 것이다.
Phased array를 이용한 B-mode 시스템은 제철, 발전소 및 핵 발전소, 비행기 제
조, 철도, 자동차, 파이프 제조 등의 다양한 산업 분야에 적용되어 검사를 보다 용
이하게 하며 검사 시간을 단축하고 인력을 절감하는 효과를 나타내어 각 산업 분야
의 경쟁력에 큰 보탬이 될 것이다.
2. 수입 대체 및 수출 증대
아직까지 국내의 phased array를 이용한 B-mode 시스템의 시장이 활성화 되지
못해 phased array의 수입은 활발하지 않은 상태이다. 그러나 당사 개발품의 성능
은 수입품과 유사하며 가격은 수입품의 1/2~ 1/3에 해당하여 수입을 원천적으로
봉쇄하는 효과를 가져와 2003년의 경우 약 50억원 이상의 수입 대체 효과를 발생
시킬 것으로 예상된다.
또한 뛰어난 가격 경쟁력을 바탕으로 직접적인 phased array의 수출 뿐만 아니라
국내의 B-mode 시스템 제조 회사의 경쟁력을 높여 B-mode 시스템의 수출에 커
다란 기여를 할 것으로 예상된다.
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3. 기타 효과
일반적인 초음파 비파괴검사는 검사 부위 전면을 수작업으로 scan 해야 하나
phased array를 사용한 B-mode 시스템의 경우 전자적으로 scan 하므로 검사 시
간이 단축되어 생산성이 향상된다. 또한 phased array를 사용한 B-mode 시스템의
경우 시간 지연을 통해 원하는 각도로 조향 (steering) 하므로 일반적인 방법으로
검사하기 힘든 부위의 검사도 가능하게 된다.
기존의 초음파 비파괴검사는 검사 후 검사자의 보고서로만 기록이 남을 뿐 검사 결
과의 기록이 어렵고 숙련된 검사자 만이 검사가 가능하였으나 Phased array를 사
용한 B-mode 시스템의 경우 검사 시 실시간으로 검사 대상체의 내부 영상이 표시
되므로 검사가 용이할 뿐만 아니라 영상 기록을 통해 기록을 보존할 수 있으며 초
보자도 비교적 수월하게 검사할 수 있다.
그리고 당사의 개발 제품은 기존의 외국 수입품에 비해 월등한 가격 경쟁력이 있으
므로 B-mode 시스템 장비 제조 회사의 원가 절감에 크게 기여할 것이다.
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