npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2021; 71: 305-309

Published online March 31, 2021 https://doi.org/10.3938/NPSM.71.305

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Defect Detection in XLPE Material Using Terahertz Wave-based Non-destructive Testing

Min-Gyu BAE, In-Sung LEE, Joong Wook LEE*

Department of Physics and Optoelectronics Convergence Research Center, Chonnam National University, Gwangju 61186, Korea

Correspondence to:leejujc@chonnam.ac.kr

Received: January 19, 2021; Revised: February 4, 2021; Accepted: February 4, 2021

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

We used a continuous-wave (CW) terahertz (THz) imaging system to investigated a method for detecting defects in cross-linked polyethylene (XLPE) material for power cable insulation Using the two-dimensional images of coherent CW THz waves, we measured the change in the amplitude of transmission, which directly corresponds to the difference between the phases of THz waves transmitted through bare XLPE and XLPE with defects. We found that defects of less than 0.3 mm size can be detected by the non-destructive testing method based on coherent THz imaging system. The experimental results indicate that the method might be useful for evaluating the reliability, durability and safety of the insulation materials used in electrical components and facilities.

Keywords: Laser spectroscopy, Nondestructive testing (Electromagnetic testing), Insulators

전기에너지는 복잡한 전력 설비 및 부품에 기반한 송전, 변전, 배전의 과정을 거쳐 발전소에서부터 최종 소비자에게 전달된다. 이 과정에서 가장 큰 비중을 차지하는 송전의 경우, 고전압용 송전케이블에 사용되는 절연 물질의 안전성 및 신뢰성을 담보할 필요가 있다. 국내에서 일반적으로 사용되고 있는 XLPE케이블의 경우 높은 절연성을 가지는 가교 폴리에틸렌 (cross-linked polyethylene, XLPE)을 절연물질로 사용한다 [1,2]. 절연 물질은 부분 방전, 습도, 온도, 물리적 압력 등과 같은 환경적 요인에 의해 절연 특성에 큰 변화가 발생할 수 있다. 이런 과정에서의 물리, 화학적 변화는 절연 저항을 낮추어 절연 성능을 저하시키게 된다[36]. 따라서, 전력 설비에 사용되는 절연 물질의 결함을 측정하거나, 열화 특성을 분석하는 것은 전력 시스템의 전체적인 신뢰성을 높이는데 중요하게 된다.

절연 물질의 결함을 진단하거나, 열화 특성을 이해하기 위해서 최근 테라헤르츠파 기반 비파괴 검사 기법이 도입되고 있다 [715]. 특히, 폴리에틸렌 계열 절연 물질은 낮은 테라헤르츠파 흡수 및 높은 투과 특성으로 인하여 테라헤르츠파 투과 이미징 방법을 통한 비파괴 검사를 위한 최적의 물질이라 할 수 있다. 예를 들면, 1 THz에서 HDPE (polyethylenehigh density)의 흡수계수(absorption coefficient)는 대략 2 cm-1 의 값으로 상대적으로 낮다고 할 수 있다 [16]. 폴 리에틸렌 계열 절연 물질 중에서 XLPE는 고전압용 송전케이블에 주로 사용된다는 점에서 최근 크게 주목받고 있다. 4.1 meV의 낮은 에너지를 가지는 테라헤르츠파 영역에 분자들의 진동 및 회전과 관련된 공진 모드들이 존재하기 때문에 테라헤르츠파 시분할 분광법을 이용하여 XLPE의 열화 특성에 대한 연구를 수행하여 왔다 [17].

이와 같이 테라헤르츠파 기반 비파괴 검사 방법은 절연물질들 중에서, 특히 XLPE의 결함을 측정하는데 활용될 수 있다. 본 연구 그룹에서는 지중송전선의 외부 절연 물질인 XLPE에 인위적 결함을 생성한 후 연속광 테라헤르츠파 이미징 방법을 이용하여 측정하는 연구를 수행하여 왔다[18,19]. Ref. 19에서 제시한 연구 결과에서 보면, 지중송전선을 효과적으로 이미징 할 수 있는 측정 구조하에서, 단일결함의 경우 0.3 mm, 이중 결함의 경우 0.5 mm까지 측정 가능함을 확인할 수 있다. 더 나아가, 전력설비의 신뢰성을 더 향상 시키기 위해 보다 더 작은 크기의 결함을 측정할 수 있는 방법을 찾을 필요가 있을 것이다. 본 연구에서는 결맞음 연속광 테라헤르츠파 2차원 이미징 방법을 이용하여 단일 결함의 경우 0.2 mm, 이중 결함의 경우 0.4 mm까지 측정한 결과를 제시할 것이다. 이를 통하여, 테라헤르츠파 기반 비파괴 검사 방법이 전력 설비 내의 절연 물질과 같은 비금속 재료 및 부품의 결함의 위치, 크기, 형태 등을 측정할 수 있고, 특성 분석에 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다.

연속광 테라헤르츠파를 발생시키기 위해 DFB 다이오드 레이저 기반의 포토믹서 방식을 사용하였다. 1550 nm 근방의 λ1, λ2의 파장을 가지는 레이저광의 맥놀이 간섭 신호가 전압이 가해지고 있는 InGaAs/InP 표면에 입사하게 되면 주파수 차이에 해당하는 ∆λ = λ1 − λ2 파장의 테라헤르츠파가 발생하게 된다. Ref. 19의 Fig. 1에서 보는 것처럼, 4 개의 렌즈로 구성되어 테라헤르츠파의 초점을 형성하는 위치에 샘플을 설치하고, 자동화된 시스템을 통하여 샘플 스테이지를 동작시켜 2차원 이미지를 획득한다. 샘플을 투과한 신호는 테라헤르츠파 검출기로 사용되는 또다른 InGaAs/InP 표면에 도착하게 된다. 이때 ∆λ의 주파수 차이를 보이는 맥놀이 간섭 신호의 일부를 테라헤르츠파 검출기로 들어오게 하여, 샘플을 통과하여 지나온 테라헤르츠파와 만나게 한다.

Figure 1. (Color online) Scanning electron microscopy images of the samples fabricated by femto-second laser micro-machining method: (a) with double-void defects of diameters of 472 µm and 487 µm and the distance of 452 µm (Sample I); (b) with double-void defects of diameters of 382 µm and 385 µm and the distance of 323 µm (Sample II); (c) and (d) with single-void defect of the diameter of 266 µm (Sample III) and 156 µm (Sample IV), respectively.

1550 nm 파장의 맥놀이 간섭 신호는 검출기 포토믹서에서 맥놀이 신호에 비례하는 여기된 광전하를 발생시킨다. 여기된 광전하들은 샘플을 투과하여 도착한 테라헤르츠파의 전기장에 대응하는 광전류를 발생시키고 이를 검출하여 테라헤르츠파의 신호를 획득하게 된다. 이때 테라헤르츠파와 맥놀이 간섭 신호의 위상이 같은 경우에만 테라헤르츠파의 신호 측정이 가능하게 되기 때문에, 이를 결맞음 신호 측정 시스템이라 할 수 있을 것이다. 샘플이 없는 경우에 최적 조건을 형성한 후, 샘플에 테라헤르츠파를 투과시키면 광경로의 차이로 인한 위상 변화를 진폭의 차이로 변환하여 측정가능하게 된다. 또한 XLPE에 형성된 공백 결함이 존재하는 지점과 그렇지 않은 지점을 지나는 테라헤르츠파 사이에는 위상의 차이가 존재하게 되며, 이는 테라헤르츠파 신호의 진폭 차이로 나타나게 된다. 이와 같은 결맞음 특성으로 인하여 테라헤르츠파 연속광 이미징 시스템은 고효율 측정을 가능하게 한다.

샘플을 제작하기 위해 지중송전선으로 사용되고 있는 XLPE 케이블을 확보하였다. 지중송전선 절연 물질인 XLPE를 일정하게 절단한 후, 마이크로레이저 가공 방법을 이용하여 인위적인 크기의 공공결함(void defect)를 만들었다. 고출력 펨토초 레이저 펄스를 금속, 폴리머, 반도체, 세라믹 등의 표면에 입사시키면, 열에 의한 재료의 손상없이 원하는 패턴으로 표면 절삭이 가능하게 된다. 이와 같은 방법을 이용하면 마이크로 드릴링 방법보다 정밀하면서도 낮은 표면거칠기 (surface roughness)를 가지는 마이크로 패턴 샘플을 제작할 수 있다 [20]. Figure 1에서와 같이, 인접한 2 개의 공공결함 구조를 가지는 샘플 2 종 (Sample I, Sample II) 과 단일 공공결함 구조를 가지는 샘플 2 종 (Sample III, Sample IV)을 제작하였다.

Figure 2(a)는 266 µm의 직경을 가지는 단일 공공결함 구조에서의 2차원 투과 이미지를 보여준다. 결함이 없고 두께가 일정한 전형적인 XLPE에서 투과 신호를 최적화하였기 때문에, 결맞음 연속광 테라헤르츠파 신호에 기반한 측정에 의해 결함이 있는 위치에서 투과가 감소하는 특성으로 나타나게 된다. Figure 2(b)Fig. 2(a)의 적색 선 위치에서의 단면 투과 신호를 보여준다. 결함이 있는 위치에서 투과 신호가 감소하는 것을 명확히 확인할 수 있다. 가우시안 피팅 방법을 통해 대략 1.4 mm의 반치전폭(full width at half maximum, FWHM) 값을 가지는 것을 또한 확인할 수 있다.

Figure 2. (Color online) (a) The two-dimensional image of the transmission amplitude of CW-THz waves with the frequency of 1 THz which penetrates through the Sample III with a single-void defect of the diameter of 266 µm. (b) Cross-sectional profile along the red dotted line shown in (a). The red curve shows a Gaussian fit near the defect.

보다 더 작은 결함의 측정 가능성을 확인하기 위하여, 156 µm 직경의 단일 공공결함 구조를 가지는 Sample IV를 이용하여 결맞음 연속광 테라헤르츠파 투과 실험을 진행하였다. Figure 3(b)은 2차원 투과 이미지 측정 결과를 보여준다. Figure 3(a)와 3(c)에서 보는 것처럼, 투과 이미지에서 결함을 중심으로 X-, Y-축 방향으로 단면 투과 신호를 분석하여, FWHM 값을 추출한 결과 대략 0.75 mm 정도인 것을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 1 THz 주파수를 가지는 결맞음 연속광 테라헤르츠파 이미징 시스템을 이용하여 0.2 mm 이하 크기의 결함을 효과적으로 측정가능하다는 것을 확인하였다. 측정 시스템은 지중송전선 샘플의 특성상 큰 크기의 샘플 장착이 필요하여, 테라헤르츠파의 초점 형성을 위한 렌즈들 사이의 거리를 15 cm 이상 확보하였다. 이와 같은 정렬 상태에서 0.2 mm 이하 크기의 결함을 측정할 수 있다는 것은 결맞음 측정 시스템이 가진 장점이라 할 수 있다.

Figure 3. (Color online) (a) and (c) Cross-sectional profiles along the yellow dotted lines which are horizontally and vertically aligned on the image, respectively. (b) The two-dimensional image of the transmission amplitude of CW-THz waves which penetrates through the Sample IV with a single-void defect of the diameter of 156 µm.

결맞음 연속광 테라헤르츠파 이미징 시스템의 분해능을 보다 명확하게 측정하기 위하여, 인접한 두 개의 결함을 가지는 이중 공공결함 구조 (double-void defects) 샘플을 제작하였다. 우선 Fig. 4(a)에서는 472 µm와 487 µm의 직경을 가지는 두 개의 결함이 452 µm 거리를 두고 떨어져 있는 샘플 (Sample I) 에 대한 연속광 테라헤르츠파 투과 이미지 결과를 보여준다. Figure 4(b)의 그래프는 일렬로 나열되어 있는 두 개의 결함을 가로지르는 단면에서의 테라헤르츠파 투과 진폭(amplitude) 값을 보여준다.

Figure 4. (Color online) (a) The two-dimensional image of CW-THz waves transmitted through Sample I with double-void defects of the diameters of 472 µm and 487 µm and the distance of 452 µm. (b) The cross-sectional profile (the black curve) along the yellow dotted line shown in (a) and its double Gaussian fitting (the red curve). The two blue curves indicate each Gaussian components forming the double Gaussian fitting.

두 개의 결함을 육안으로도 확인 가능하나, 정량적 분석을 위하여 다중 가우스 곡선 피팅(multi-Gaussian fitting)을 시도하였다. 각각의 결함은 고유의 가우시안 형태의 투과 딥을 형성하고, 이들의 선형 결합을 통해 공간적인 투과 특성을 보여준다는 점에서 유용한 방법이라 할 수 있다. 결함들에 의한 두 개의 투과 딥 사이의 거리는 0.9 mm로 Fig. 1(a)에서 보는 실제 샘플에서 두 개의 결함 사이의 중심간 거리와 같다. 두 개의 딥 각각의 FWHM 값은 1.1 mm와 0.5 mm로, 그래프의 파란 곡선들에서와 같이 충분히 구분 가능함을 확인할 수 있다.

이중 결함 구조 샘플에서, 보다 더 작은 결함의 측정 가능성을 확인하기 위해서, Fig. 1(b)에서 보는 것처럼, 382 µm와 385 µm의 직경을 가지면서 323 µm 거리에 있는 두 개의 결함을 제작하였다. Figure 5는 결맞음 연속광 테라헤르츠파 투과 이미지와 단면에서의 투과 진폭 신호를 보여준다. 측정 이미지의 단면에서의 결과 (black curve) 를 통해 두 개의 결함을 구분 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

Figure 5. (Color online) The cross-sectional profile (the black curve) along the x axis at the center of the double-void defects and its double Gaussian fitting (the red curve). The two green curves indicate each Gaussian components forming the double Gaussian fitting. The inset shows the two-dimensional image of the transmission amplitude of CW THz waves in the Sample II that consists of two artificial void defects with the diameters of 382 µm and 385 µm.

정량적 분석을 위하여, Fig. 5에서 보는 것처럼, 다중 가우스 곡선 피팅을 실시하였다. 가우시안 피팅에 의한 두 개의 단일 가우시안 곡선의 투과 딥 위치 간의 거리는 0.71 mm로, 실제 샘플의 두 개의 결함 사이의 중심 간 거리인 0.706 mm와 거의 완벽하게 일치하는 것을 확인할 수 있다. 각각의 결함에 의해 형성되는 각각의 가우시안 곡선의 FWHM 값은 각각 0.68 mm와 0.74 mm로 확인되었다. 실제 결함이 가지고 있는 크기와 비교했을 때 다소 크게 나오기는 하지만, 두 개의 결함을 구분가능하게 측정하는데 있어서는 문제가 없는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 결맞음 연속광 테라헤르츠파에 기반한 투과 이미징 시스템은 지중송전선 절연 물질인 XLPE의 결함을 효과적으로 측정하여 잠재적인 전력 사고를 예방할 수 있는 효과적인 방법이 될 수 있다.

본 연구를 통하여 결맞음 연속광 테라헤르츠파에 기반한 투과 이미징 시스템은 지중송전선 절연 물질인 XLPE의 결함을 비파괴 방법으로 측정 가능함을 확인하였다. XLPE상에 인위적인 결함을 형성하여, 단일 공공결함 구조의 경우 0.2 mm 이하 크기, 이중 공공결함 구조의 경우 0.4 mm 이하 크기까지 측정할 수 있었다. 이와 같은 측정 시스템은 결맞음 방법을 활용하기 때문에 결함에 의한 테라헤르츠파 투과 신호의 위상 변화를 진폭의 변화로 변환하여 측정하므로 신호민감성을 높일 수 있게 된다. 이와 같은 비파괴검사 방법은 전력 부품 및 설비에 사용되는 절연 물질의 지속성 및 특성을 평가하고 신뢰성을 확보해 전체적인 전력 시스템의 안정성을 높이는데 기여할 수 있을 것이다. 또한 XLPE뿐만 아니라 테라헤르츠파의 투과성이 좋은 다양한 물질에 대해 효과적인 비파괴 검사로 활용될 수 있는 하나의 방법을 제시한다.

본 연구는 한국전력공사의 2018년 착수 사외공모 기초연구(단체)에 의해 지원되었습니다. (과제번호: R18XA06-79)

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