공진초음파분광법을 이용한 스퍼터링타겟 접합불량 검사 타당성 연구

지봉규,박재하,조승현 한국비파괴검사학회 2020 한국비파괴검사학회지 Vol.40 No.5

스퍼터링타겟은 반도체 및 디스플레이 제조에 많이 활용되는 스퍼터링 공정의 원료와 전극역할을 하는 후면판을 접합시킨 것으로써, 타겟 재료와 후면판의 접합상태 불량은 제품의 품질이나 공정 효율에 많은 영향을 미치므로 엄격한 접합품질의 사전 검사가 요구된다. 기존 대부분의 스퍼터링타겟의 검사는 수침초음파스캔 방법을 이용하여 검사를 수행하였으나, 최근 디스플레이 공정에 많이 사용되는 재료중 물에 반응하는 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)계열의 타겟의 경우 수침 검사가 어려워서 적절한 검사 수행의 어려움이 있었다. 본 연구에서는 전자기음향트랜스듀서(EMAT, electromagnetic acoustic transducer)와 초음파공진분광 기법을 이용하여 물과 접촉 없이 스퍼터링타겟의 접합불량을 검사하는 방법을 제안하고자한다. 이를 위해서 대상이 되는 스퍼터링타겟 시편의 검사에 적합한 EMAT을 제작하고 접합면의 공진분광 특성을 스캔하여 접합불량을 검사하였다. 측정결과 폭 1 mm 이상의 접합 손상부를 검출하였으며, 제안한 방법의 스퍼터링타겟 접합불량 검사 가능성을 확인하였다. Sputtering targets comprise a target material suitable for sputtering processes and a backplate that serves as an electrode. The target material bonds to the backplate via a thin indium bonding layer. Bonding conditions affect the efficiency of the sputtering process because defects in the bonding layer induce inhomogeneity in the applied electric field and an abnormal rise in temperature. Therefore, prior inspection of the bonding condition is essential. Typically, an immersion ultrasonic C-scan method is applied for the inspection of the sputtering target. However, this technique cannot be applied to an indium gallium zinc oxide target material, which is mainly used as a core material for display products, because the gallium dissolves in water. In this paper, a method to inspect the bonding condition of sputtering targets is proposed. The method involves using electromagnetic acoustic transducers (EMAT) and resonance ultrasonic spectroscopy to avoid the use of water coupling. An EMAT suitable for defect detection in the bonding layer was manufactured. The defect in the bonding layer of the target specimen was detected by scanning the resonance in the backplate layer. The results indicated that a defect of 1 mm can be detected. Hence, the results confirmed the feasibility of the proposed technique.

수중 비파괴 검사를 위한 수중 영상화용 초음파 변환기 설계 및 성능 측정

지봉규,조승현,박춘수 한국비파괴검사학회 2022 한국비파괴검사학회지 Vol.42 No.4

Nondestructive underwater inspection techniques are attracting increased attention for structural health monitoring. Conventional nondestructive underwater inspection techniques include immersion testing and visual testing; underwater acoustic imaging devices are also emerging as a useful inspection technique. This study designs ultrasonic transducers for an underwater acoustic imaging device and verifies their performance. A novel curved ultrasonic transducer was designed to improve the directivity of ultrasonic waves and to maintain the transmission performance of a general immersion transducer. The performance of the proposed transducer was evaluated by measuring parameters such as its transmitting/receiving voltage response (T/RVR), which represents the transmission/reception performance, and directivity index (DI), which determines the measurement area of the underwater acoustic image. The validity of the transducer design is verified by comparing the measured value with the theoretical one. 수중 구조물의 증가에 따라 수중에서의 검사 기법에 대한 관심이 높아지고 있다. 전통적인 지상에서의 비파괴검사 기법을 수중에서 활용하는 노력과 함께, 수중 환경에서 활용 가능한 기법으로 수중 음향 영상화 장치를 이용한 검사의 유용성에 대해서도 고려되고 있다. 본 연구에서는 수중음향 영상화 장치에 사용되는 초음파 변환기를 설계하고 제작하여 성능을 측정하여 보았다. 특히, 송신 초음파 변환기의 경우에는 송신 성능을 유지하면서 방향성을 개선하기 위해 곡률형태의 변환기 설계를 위한 이론을 도입하였다. 변환기의 송/수신 성능을 측정하는 인자로는 송신전압응답과 수신전압 감도를 도입하였으며, 영상의 관심영역 결정과 관련이 있는 방향성 인자도 측정하였다. 이를 통해, 초음파 변환기의 이론적인 설계와 실험적인 결과를 비교하여 이론의 유효성을 확인하고 제작된 초음파 변환기를 검증할 수 있었다.

인장력이 작용하는 강선의 단면 초음파공진 거동 변화 관찰

지봉규,박재하,조승현 한국비파괴검사학회 2019 한국비파괴검사학회지 Vol.39 No.2

This feasibility study employs electromagnetic acoustic resonance (EMAR) to measure tensile forces in steel wires, which are widely used in various types of prestressed structures. Measuring tensile forces in steel wires is critical for the health and safety of prestressed structures, where steel wires serve as load-bearing elements, and EMAR enables accurate measurement of resonance frequency and as well as noncontact excitation and detection of axial shear waves. The results show promising feasibility for measurement of tensile forces in steel wires. 본 연구는 전자기 음향 공진을 이용하여 강선의 인장력 측정 타당성에 대한 연구이다. 강선은 공장, 교량, 건축물 등 대형 구조물의 프리스트레스 구조물로 널리 사용된다. 따라서 강선의 인장력 측정 기술은 구조물의 건전성과 안전성을 확보한다는 측면에서 기술 개발의 중요성이 대두되고 있다. 본 논문에서는 전자기 음향 공진을 이용하여 강선의 인장력에 따른 공진주파수를 측정하였다. 전자기 음향 공진은 비접촉식 공명 초음파 분광법으로 정확도가 높은 공진주파수 측정이 가능하다. 실험결과 공진주파수의 변화를 관찰하였다. 결과적으로 전자기 음향 공진을 이용한 강선의 인장력 측정의 타당성을 확인하였다.

EMAT 기반 건식 초음파 유량계 타당성 연구

지봉규(Bonggyu Ji),박재하(Jae-Ha Park),조승현(Seung Hyun Cho) 한국비파괴검사학회 2018 한국비파괴검사학회지 Vol.38 No.5

건식 초음파 유량계는 기존 배관설비를 변경하지 않고 유량이 측정 가능하므로 산업현장에서 많은 주목을 받고 있다. 하지만 기존 건식 초음파 유량계는 압전 방식의 초음파 변환을 이용하므로 배관-유량계 접촉 문제, 낮은 신호대잡음비, 협소한 적용 온도 구간 등의 한계를 지니고 있다. 본 연구에서는 압전 원리 대신 전자기음향변환원리를 이용한 초음파 유량계를 제안하고 전자기 음향 트랜스듀서 적용에 따른 시간차법을 이용한 유량산출 모델을 제시하였다. 이를 바탕으로 1MHz의 중심주파수를 갖는 전자기음향트랜스듀서(EMAT) 기반 초음파유량계를 제작하였다. 제안한 유량계와 유량산출모델의 검증을 위해 실배관 시험을 수행하였다. 기존 전자식 유량계의 성능과 비교를 통해 제안한 EMAT 기반 초음파유량계의 타당성을 확인하였다. A clamp-on ultrasonic flowmeter is receiving considerable attention for industrial applications as it enables flow measurement without changing piping facilities. However, the clamp on the ultrasonic flowmeter using a piezoelectric ultrasonic transducer shows low signal-to-noise ratio and contact problem. In addition, it is difficult to apply to a high-temperature pipe. This paper presents an ultrasonic flowmeter transducer as an electromagnetic acoustic transducer (EMAT) which is different from the piezoelectric ultrasonic transducer and a specific transit-time ultrasonic flowmeter measurement model for EMAT. Further, a clamp-on ultrasonic flowmeter based on the EMAT with a center frequency of 1 MHz was manufactured. It was applied to 8-inch stainless steel piping to measure the flow velocity. Finally, the measurement results were presented by comparing the performance with that of an electronic flowmeter.

공기접합 유도초음파 기반 OLED 기판유리의 손상 감지

지봉규(Bonggyu Ji),박정원(Jeong Won Park),최원재(Wonjae Choi) 한국비파괴검사학회 2023 한국비파괴검사학회 춘계학술대회 초록집 Vol.2023 No.5

집속 표면파 전자기음향 트랜스듀서를 이용한 철강 후판 표면 종방향 미세결함 탐상

지봉규(Bonggyu Ji),박상진(Sang-Jin Park),이주승(Ju-Seung Lee),박재하(Jae-Ha Park),조승현(Seung-hyun Cho) 한국비파괴검사학회 2017 한국비파괴검사학회지 Vol.37 No.6

철강 후판 표면 미세결함은 고부가가치 합금 소재일수록 발생률이 높고, 크기가 매우 미세하여 효율적인 검사 기술 방법이 제안되지 못한 실정이다. 또한 최종 생산품에 심각한 불량을 야기한다는 점에서 표면 미세결함 탐상 기술 개발의 중요성이 대두되고 있다. 일반적인 미앤더 구조를 갖는 PCB 코일의 전자기음향 트랜스듀서(EMAT)는 철강 후판 모서리 종방향 표면 미세결함 탐상에 에너지 전환효율이 낮아 신호 대 잡음비의 증가 및 결함검출능의 한계를 보인다. 본 논문에서는 집속 표면파 EAMT 제작을 위한 코일 디자인 방법을 제안하고 2.5 MHz의 집속 표면파 가진의 최적화된 EMAT을 이용하여 검출능을 높이는 방법을 제안했다. 이를 바탕으로 제작된 EMAT에 정현파를 공급하여 집속 효과를 확인하고 방향 특성을 측정하였다. 또한 시험편의 모서리 종방향 표면 미세결함 신호를 검출하였다. Surface longitudinal microcrack in thick plates has a high incidence rate as compared to the high value-added metals and a very small and therefore, an efficient inspection method has yet been proposed. In addition, it is important to develop a surface longitudinal microcrack inspection method because a microcrack causes a serious defect in the final product. An electromagnetic acoustic transducer (EMAT) of a printed circuit board (PCB) coil with a common meander structure shows low signal-to-noise ratio and a limit to the flaw detectability for the inspection of surface longitudinal microcrack in steel thick plates because of low energy conversion efficiency. This paper presents a coil design method for producing a focused Rayleigh wave EMAT and a new method for increasing resolution and flaw detectability, using a focused EMAT optimized to generate Rayleigh waves at 2.5 MHz. Based on this, the focusing effect of signal directivity and amplitude enhancement was confirmed by supplying tone-burst to the coil. A surface longitudinal microcrack was detected clearly by the focused Rayleigh wave EMAT.

Cr 코팅 두께 평가를 위한 FPCB 와전류 Pancake 센서 개발

박정원,지봉규,고대균,장훈,최원재 한국비파괴검사학회 2023 한국비파괴검사학회지 Vol.43 No.4

Since the accident at the Fukushima nuclear power plant, research is being conducted worldwide on strengthening the nuclear power plant safety. In particular, a nuclear fuel rod, a core part of a nuclear reactor, is an essential part to secure safety. The method of chromium(Cr) coating on existing nuclear fuel (Zr-Nb alloy) rods can be applied to existing commercial nuclear reactors. In addition, because of its clear advantages in terms of oxidation resistance and strength increase at high temperatures, research is being actively conducted to utilize it as an alternative fuel rod. However, to apply to existing commercial reactors while maintaining the advantages of coating, a nuclear fuel rod with a uniform thickness must be used, making the development of a highly reliable measurement technology for the entire Cr coating thickness of the fuel rod critically important. In this study, a basic study was conducted to evaluate the thickness of Cr coating the nuclear fuel rod. Sensor design parameters were determined through simulation, and based on this, two types of FPCB pancake sensors were developed. In addition, experiments were conducted to measure the Zr-Nb alloy and Cr coating rods and plates with different Cr coating thicknesses. Based on the experimental results, the development of eddy current inspection technology using the FPCB pancake sensor and the possibility of Cr thickness evaluation were confirmed. 후쿠시마 원자력 발전소 사고를 기점으로 전 세계적으로 원전 안전성 강화에 대한 연구가 진행되고있다. 특히, 원자로의 핵심 부품 중 하나인 핵연료 관은 안전성을 확보해야하는 필수 부품이다. 기존 핵연료(Zr-Nb alloy)관에 크롬(Cr) 코팅을 증착하는 방식은 기존 상용 원자로에 적용이 가능하며, 고온에서의 산화저항성, 강도 증가에 효과가 있는 장점이 뚜렷하여 대체 연료봉으로 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고있다. 그러나 코팅의 장점을 유지하면서 기존 상용 원자로에 적용하기 위해서는 정해진 기준의 균일한 두께를 가진 핵연료 관을 사용해야하기 때문에 관 전체의 크롬 코팅 두께에 대한 신뢰도 높은 측정기술개발이매우 중요하다. 본 연구에서는 크롬 코팅된 핵연료 관의 크롬 두께 평가를 위한 기초 연구를 수행하였다. 시뮬레이션을 통해 센서 설계 파라미터를 결정하였고 이를 기반으로 두 가지 종류의 FPCB pancake 센서를 개발하였다. 그리고 Zr-Nb 합금 및 크롬 코팅 관과 크롬 코팅 두께가 다른 판재 측정 실험을 수행하였다. 실험결과를 토대로 FPCB pancake 센서를 이용한 와전류검사기술개발 과 크롬 두께 평가의 가능성을 확인하였다.

전자기 음향 트랜스듀서를 이용한 초음파 공진 분광법 기반 알루미늄 박판 미세결함 탐상

조승완,지봉규,조승현 한국비파괴검사학회 2019 한국비파괴검사학회지 Vol.39 No.1

현재 다양한 산업에서 구조재로서 박판 형태의 소재가 많이 사용되고 있다. 이러한 박판 구조물에 결함이 발생하면 구조물의 파괴를 불러와 인적 물적 피해를 발생하게 된다. 이러한 결함을 파악하기 위해 다양한 비파괴검사 기법 중 초음파 검사 기법을 주로 사용하고 있다. 하지만 5mm 이하의 두께를 가지는 얇은 박판 소재에서의 미세결함을 탐상하는데 있어 결함의 판별 및 신호 해석에 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 전자기 음향 트랜스듀서 기반 공진 초음파 분광법을 적용하여 미세결함을 탐상하고자 하였다. 유한요소해석을 통해 결함 유무에 따른 공진 주파수 및 출력 전압의 변화를 파악하였고 실제 알루미늄 박판에 미세 결함을 인가한 시험편을 제작하였다. 본 연구 기법을 적용하여 미세결함을 탐상한 결과 공진 주파수의 변화 및 출력 전압의 변화를 통해 미세결함의 유무를 판별 및 스캔 이미지를 파악할 수 있었다. Currently, thin plate-type materials are widely used as structural materials in various industries. Defects in such a thin plate cause destruction of the structure, resulting in human and material damage. The ultrasonic inspection technique is the most widely used non-destructive inspection method to detect such defects. However, it is difficult to detect micro defects in a thin plate with thickness ≤ 5mm and analyze their signals. In this study, electromagnetic acoustic transducer-based resonant ultrasonic spectroscopy was applied to detect micro defects. Through finite element analysis, the change of the resonance frequency and output voltage depending on the presence or absence of defects was determined, and a test specimen was fabricated by incorporating fine defects to an actual aluminum plate. Our results indicate that it is possible to identify the presence of micro defects using this technique and to recognize the scanned image by changing the resonance frequency and output voltage.

Thickness measurements of a Cr coating deposited on Zr-Nb alloy plates using an ECT pancake sensor

박정원,지봉규,고대균,장훈,최원재 한국원자력학회 2023 Nuclear Engineering and Technology Vol.55 No.9

Zr-Nb alloy have been widely used as fuel rods in nuclear power plants. However, from the Fukushima nuclear accident, the weakness of the rod was revealed under harsh conditions, and research on the safety of these types of rods was conducted after the disaster. The method of depositing chromium onto the existing Zr-Nb alloy fuel rods is being considered as a means by which to compensate for the weakness of Zr-Nb alloy rods because chromium is strong against oxidation at high temperatures and has high strength. In order to secure these advantages, it is important to maintain the Cr thickness of the rods and properly inspect the rods before and during their use in power generation. Eddy current testing is a typical means of evaluating the thickness of thin metals and detecting surface defects. Depending on the size and shape of the inspected object, various eddy current sensors can be applied. In particular, because pancake sensors can be manufactured in very small sizes, they can be used for inspections even in narrow spaces, such as a nuclear fuel assembly. In this study, an eddy current technique was developed to confirm the feasibility of Cr coating thickness evaluations. After determining the design parameters of the pancake sensor by means of a FEM simulation, a FPCB pancake sensor was manufactured and the optimal frequency was selected by measuring minute changes in the Cr-coating thickness using the developed sensor

레이저 기반 유도초음파를 이용한 박막 탄성계수 측정

조승현(Seung Hyun Cho),지봉규(Bonggyu Ji),안봉영(Bongyoung Ahn),박현지(Hyun Ji Park),허태훈(Taehoon Heo) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.12

Regarding thin films in MEMS/NEMS structures, the exact evaluation of mechanical properties is very essential to enhance the reliability of their design and manufacturing. However, such methods as a tensile test and a resonance test, general methods to measure elastic moduli, cannot be applied to thin films since its thickness is so small. This work concerns guided wave based elastic modulus measurement method. To this end, guided wave excitation and detection system using a pulsed laser and a laser interferometry has been established. Also an elastic modulus extraction algorithm from the measured guided wave signal was developed. Finally, it was applied to actual thin film structures such as Ni-Si and Al-Si multilayers. From experimental results, we confirm that the proposed method has considerable feasibility to measure elastic properties of thin films.