7080세대들에게 금속공학은 크게 Chemical Metallurgy, Physical Metallurgy, Metal Processing의 3개 전공 분야로 나누어졌다. 즉 산화물인 철광석을 환원시켜 쇳물을 만드는 공정, 쇳물에 합금을 첨가하거나 응고시켜 각종 열처리와 압연과정으로 원하는 강도와 특성을 지닌 철강 중간제품을 만드는 공정, 그리고 중간제품을 구부리고(절곡), 누르고(프레싱), 자르고(절단), 붙이고(용접), 도금, 주조 등의 과정으로 다양한 형상을 지닌 최종제품을 만드는 공정으로 구분될 수 있다. 금속재료공학의 근간은 이 중 두 번째인 Physical Metallurgy라고 할 수 있는데, 대학 졸업 이후에 이러한 재료공학을 기반으로 아래위로 확장해 가는 공부를 개인적으로 해 왔다. 다시 말하면 재료공학의 이론적 근간이 되는 고체물리학 분야와 재료공학의 응용 대상으로서 원자력 플랜트 분야를 다루어 왔다. 좀 더 세분하면 재료공학, 물리학, 원자력공학이 상호 중첩되는 비파괴검사 혹은 비파괴평가 분야를 40대 초반까지 깊이 있게 다루어 왔다고 할 수 있다.
일반적으로 산업체에 근무하는 엔지니어들은 50대 전후에 접어들면 한 분야에 대해 깊이를 파는 Specialist보다는 여러 분야로 폭을 넓히는 Generalist가 된다. 즉, 한 분야의 전문성을 기반으로 담당 영역을 넓혀 Director나 임원의 직책을 맡게 된다. 개인적으로는 2000년대 중반까지 비파괴 검사/평가/진단 분야에 대해 깊이 있게 관여해 왔다. 최근에 마침 관련 연구동향을 살펴보니, 위상배열 초음파의 산업계 전반에 대한 확대 적용과 탐지가 어려운 피로나 응력부식 결함에 대한 재현성 있는 시험편 확보가 중요 연구 테마로 되어 있었다.
사실 금속재료 내부의 비파괴 결함 탐상에 대해서는 각 방법마다 장단점이 있지만 특히 초음파의 경우가 여러 측면에서 선호도와 적합도가 높다고 할 수 있다. 물론 초음파를 피검사체에 전달해야 하므로 초음파 센서와 피검체 사이에 액체물질을 묻혀야 하는 등의 접촉식 검사로서의 제한은 있다. 그러나 병원에 가면 우리 몸속의 태아나 장기 상태를 초음파를 이용하여 실시간으로 그 이미지를 보며 진찰하는 것처럼 물체를 대상으로 하는 비파괴검사에서도 초음파는 편리함이 많다. 그동안 초음파탐상에서는 특정 주파수를 가진 초음파 탐촉자를 피검체 위에서 움직여 가며 검사를 했었다. 이는 시간이 많이 소요되고 또한 항공기, 터빈 블레이드와 같이 복잡한 3차원 형상의 검사체에 대해서는 제한이 많았다.
그런데 2000년대에 들어 초음파 발진 소자를 Array로 배열한 의료용 초음파 진단 기기가 산업계의 비파괴 검사용으로 확대되기에 이르렀다. 이는 기본적으로 컴퓨터 하드웨어, 소프트웨어, 그리고 전자공학 기술의 급속한 발전 덕택이라 할 수 있다. 이러한 위상배열 초음파는 많은 수의 초음파 송/수신 탐촉자를 일정 간격으로 배열하여 전자적으로 제어함으로써 특정 지점에 초음파를 집속 시키거나 초음파 빔의 이동을 자유자재로 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 기존 방식과는 비교할 수 없는 빠른 검사 속도와 결함 탐상 확률을 보여준다. 기본 원리로는 수십~수백 개의 소자가 집적되어 배열된 탐촉자를 사용하고, 각각의 소자는 독립적인 펄스 신호를 통해 작동되어 전기 펄스의 시간차에 의해 초음파를 집속하거나 집속거리와 위치를 자유자재로 변환시킬 수가 있다. 물론 반사 신호도 영상화하여 결함의 크기와 위치를 쉽게 파악할 수 있다. 이러한 위상배열 초음파 탐상기는 일본과 미국 등에서 상용제품으로 판매되고 있다. 따라서 이제는 위상배열 초음파를 각각의 산업계에서 편리하게 활용할 수 있도록 관련 검사 절차, 규정, 코드(KS, KEPIC 등) 등의 개발이 중요한 시점에 있다.
이러한 위상배열 초음파 탐상이 도입되더라도 비파괴검사에서는 결국 재료 내부의 불연속성인 결함을 탐지하는 것이 중요하다. 그런데 미세한 결함인 응력부식균열이나 열 피로 균열의 발견을 어떻게 할 것인가? 이들 결함은 재료 내부에서 거의 벌어진 틈을 보이지 않으므로 발견 자체가 매우 어렵다. 그리고 비파괴검사 작업을 착수하기에 앞서 검사자의 능력을 확인하는 과정도 중요하다. 따라서 미세한 결함을 가진 시험 편을 가지고 미리 실습도 하며 결함 탐상 기량에 대한 토의도 진행되어야 한다. 그런데 현실적으로 응력부식 결함이나 열 피로 결함을 재현성 있게 만들 수 있는 방법이 마땅하지 않다. 설사 그러한 방법이 있다고 해도 결국은 당겨서 파괴시킨 다음에 그 결함 단면을 주사전자현미경 등으로 확인해야 된다. 파손시켜 확인 후 이미 없어져 버린 시험편과 동일하게 미세 결함이 생성되어 있다고 여길 만한 신뢰성 있고 재현성 있는 결함 생성 절차가 필요하다는 이야기가 된다. 언젠가 가능하겠지만 그러기에는 수많은 시행착오와 자금이 투입되어야 할 것 같다. 최근에 3차원 프린터가 여러 부분에 응용되고 있는데, 조만간 3D 프린터를 이용한 열 피로 결함이나 응력부식 결함 등과 같은 미세 결함을 가진 시험편을 재현성 있게 만들 방법이 나오지 않을까 기대해 본다.
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