핵심 요약

표면에 뚜렷한 흔적이 없는 층간박리는 고주파가 지나갈 때 다른 움직임을 남길 수 있습니다. 2025년 Zhao 등의 연구는 복합재 스트링거의 표면 진동을 레이저 도플러 진동계(Laser Doppler Vibrometer, LDV)로 촘촘히 측정하고, 파동의 국부적인 공간 변화를 이용해 박리 후보를 드러냈습니다.[1] 핵심은 진동이 가장 큰 점을 찾는 것이 아니라 주변과 다른 파동 패턴이 실제 손상 위치와 대응하는지 확인하는 데 있습니다.

1. 왜 지금 주목해야 하는가 | 평판에서 보강 구조로

항공 복합재의 검사는 평평한 시험편에서 끝나지 않습니다. 외피를 지지하는 길쭉한 보강재인 스트링거에는 상면, 측면, 굽은 모서리가 이어져 있어, 평판에서 통하던 분석이 그대로 성립하는지 확인해야 합니다.[1]

2021년 연구는 LDV로 얻은 파동장의 공간 곡률을 이용해 복합재 평판의 층간박리와 샌드위치 패널의 접착 박리를 영상화했습니다.[3] 2024년에는 곡면 패널에서 공간 웨이블릿 분석의 가능성을 수치해석으로 검토했고,[2] 2025년에는 제조 과정에서 박리가 형성된 스트링거의 실측 결과를 X선 전산화단층촬영(Computed Tomography, CT)과 대조했습니다.[1] 평판의 분석 기법을 실제 보강재의 검사 질문으로 확장한 점이 이번 사례의 의미입니다.

2. 측정 대상과 기술적 문제 | 박리와 형상 반사를 구분하기

탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)은 섬유 방향과 적층, 두께에 따라 파동 전파가 달라집니다. 정상적인 모서리에서도 파동이 반사되거나 다른 모드로 바뀔 수 있어, 영상의 불연속이 곧 손상이라는 해석은 위험합니다.[1] 검사 대상도 먼저 좁혀야 합니다. 적층 내부의 층간박리와 외피–스트링거 접착면의 박리는 발생 위치와 경계조건이 다른 문제입니다.

3. LDV 적용 원리 | 지나가는 파동의 ‘국부적인 꺾임’ 읽기

연구에서는 티탄산지르콘산납(Lead Zirconate Titanate, PZT) 압전 소자를 부착해 초음파를 발생시키고, LDV로 여러 위치의 표면 속도 v(x, y, t)를 차례로 읽었습니다. 따라서 수신은 비접촉이지만 가진은 접촉식입니다. 여기서 x, y는 측정 위치, t는 시간이며, 속도의 단위는 m/s입니다.[1]

분석 대상인 A₀ 모드는 판의 굽힘 운동 성격을 갖는 기본 반대칭 램파(Lamb wave)입니다. 이 성분이 통과하는 시간 구간을 골라 이웃 측정점 사이의 변화가 급한 부분을 강조합니다. LDV는 빔 방향 운동을 측정하므로, 곡면에서는 관측 방향과 표면 좌표를 함께 관리해야 합니다.[1,4]

4. 시험 및 측정 구성 | 논문의 숫자와 새 부품의 조건

표 1. 참고문헌 [1]의 실험 조건과 적용 시 구분할 사항

새 부품에서는 장비 수치보다 먼저 PZT 접착 상태, 시험체 지지, 같은 점의 반복 파형을 확인합니다. 가진점의 접착층이나 지지가 바뀌면 스캔 도중에도 전달 조건이 달라질 수 있습니다. 작업거리·렌즈·초점과 표면처리는 실제 시편에서 정하고, 반사테이프를 사용할 때도 전파에 미치는 영향을 작은 영역에서 비교하는 것이 좋습니다. 이는 현장 적용을 위한 시험 설계 제안입니다.

그림 1. 반복 가진에서 박리 후보 검증까지의 역할 분담

5. 데이터 처리와 결과 해석 | 속도장을 결함 후보 지도로

첫 단계는 색상 지도를 만드는 일이 아니라 서로 비교할 수 있는 파형을 모으는 일입니다. 수신 단절과 포화를 표시하고 공통 트리거를 확인한 뒤, 관심 모드가 지나는 시간 창을 선택합니다. 이후 공간 미분으로 국부 변화를 강조하고, 선택한 시간 구간의 결과를 합칩니다.[1]

vA₀는 관심 시간 창을 적용한 속도장입니다. 식 (1)은 국부 격자에서의 공간 변화량을 설명하며, κᵥ의 단위는 1/(m·s)입니다. 실제 형상의 곡률 [1/m]이나 변형률은 아닙니다. 논문의 ‘에너지 지도’도 이 값을 제곱해 시간에 대해 합한 분석 지표로, 물리적 에너지 [J]와 구분합니다.[1]

식 (2)는 같은 시각의 A₀ 속도장에서 x방향 차분을 구하는 예입니다. Δx는 실제 격자 간격 [m]이며 y방향도 같은 방식으로 계산합니다. 격자가 촘촘해질수록 공간 정보가 늘지만 차분 과정의 잡음도 커질 수 있습니다. 평활화·결측 처리·시간 창을 바꾸었을 때 후보 위치가 유지되는지 함께 확인합니다. 곡면 전체를 평면 격자로 간주하는 적용은 별도 검증이 필요합니다.

LDV 파동장 분석과 CT로 본 스트링거의 층간박리

위쪽은 CT로 확인한 단면의 예, 아래쪽은 LDV 실측 파동장을 공간 곡률로 처리한 결과입니다. 원문 그림은 표면의 동적 응답으로 드러난 위치가 내부 손상과 대응하는지 비교하도록 구성되어 있습니다.[1]

그림 2. 스트링거 손상 위치의 CT 단면과 LDV 파동장 곡률 기반 영상화 결과. (a) S1, (b) S2, (c) S3, (d) S4

상단: CT로 확인한 단면의 예
하단: 선택한 A₀ 시간 구간의 곡률 지표를 합산한 지도
 x-direction / y-direction은 각각 x방향 / y방향 위치 [mm]를 뜻합니다.

[출처: Zhao 외, Sensors 25(6), 1915 (2025), Fig. 12. © 2025]

위치를 먼저 봅니다. 빨간 점선은 저자가 표시한 손상 관련 영역입니다. CT와 아래 지도에서 그 주변의 특징이 어떻게 대응하는지 살펴보며, 색상 지도를 내부 단면의 복제 영상으로 읽지 않습니다.

S3는 대비가 더 뚜렷합니다. 저자들은 S2보다 S3의 형상이 비교적 온전하고 관측 표면에 가까워 특징이 잘 나타났다고 설명합니다. S4는 굽은 모서리의 사례입니다. 깊이와 손상 형태가 표면 응답에 영향을 준다는 점을 보여줍니다.[1]

색상만으로 손상 정도를 순위화하지 않습니다. 네 패널의 색상 척도가 서로 다릅니다. 같은 노란색이 같은 크기의 물리량을 뜻하지 않으며, 이 그림만으로 박리 깊이·면적·잔존 강도를 정량 판정할 수는 없습니다.

실무 검증 제안 | 같은 위치가 다시 드러나는가

그림 2가 제공하는 근거는 손상 위치와 파동장 특징의 대응입니다. 실제 검사 절차로 발전시키려면, CT를 보기 전에 정한 분석 규칙으로도 같은 후보를 찾는지 확인해야 합니다. 아래는 논문의 시험 절차를 그대로 옮긴 것이 아니라, 현장 적용을 위한 대조시험 제안입니다.

표 2. 검사 목적에 맞춰 나누는 네 가지 대조시험

격자 축소 시험에서 평가용으로 제외한 점을 보간 설정이나 임계값 조정에 다시 쓰면 평가의 독립성이 약해집니다. 목표는 매끄러운 영상이 아니라 다른 격자와 재측정에서도 유지되는 결함 후보입니다. 논문 [1]의 국부 스캔 결과를 긴 스트링거 전체의 맹검 검출 성능으로 확대해서는 안 됩니다.

해석 결과를 보고서로 옮길 때

원시 파동장, 공간 변화 지도, 독립 탐상 결과를 구분해 제시하면 정보의 역할이 명확해집니다. 원시 데이터는 실제로 관측한 표면 운동을, 처리 지도는 추가 확인할 위치를, CT나 초음파 탐상은 그 위치의 내부 상태를 뒷받침합니다. 색상 지도의 윤곽을 그대로 손상 면적이나 깊이로 기재하지 않는 것이 출발점입니다.

2024년 곡면 패널 연구[2]는 수치해석에서 시간 창과 공간 분석의 유용성을 보여준 자료입니다. 실험 데이터에 대한 검출률로 인용하지 않고, 가진점이나 경계의 큰 응답을 어떻게 배제할지 설명하는 근거로 활용합니다. 이처럼 모사 결과와 실측 결과는 역할을 나누어 연결하는 편이 설득력 있습니다.

6. 기존 측정 방식과의 비교 | 무엇을 서로 보완하는가

표 3. 복합재 검사에서 각 계측의 역할. [1]–[4]를 참고한 정성 비교이며 성능 순위가 아닙니다.

7. 오차 요인과 보완 방법 | 지도에 생긴 흔적의 원인 찾기

공간 미분은 작은 변화와 오류에 모두 민감합니다. 결측·곡면·지지 조건이 만든 흔적을 손상으로 읽지 않도록 점검합니다. 논문 [1]의 저자들도 깊이 묻힌 손상에서는 표면 특징이 약해질 수 있음을 한계로 설명합니다.

표 4. 파동장 해석에서 우선 점검할 오류와 대응

측정 대역은 중심 주파수뿐 아니라 펄스의 주파수 폭과 산란 성분을 고려해 정합니다. LDV·수집 장치·필터를 함께 검토하며, 높은 수집률이 부족한 수신 대역을 보완하지는 못합니다. 표면처리와 레이저 안전 조건도 현장 기준에 맞춰 확인합니다.

시험 전 확인 항목

8. Optomet 및 G.U. 적용 관점 | 취득과 후처리를 나누어 설계

SMART Scan+는 표면 다점 응답 취득에, SMART Lab은 동기 취득과 시간·주파수 분석에 검토할 수 있습니다.[5,6] 정상부와 의심부의 반복 파형을 먼저 확보한 뒤 대역·속도 범위·광학 배치를 정합니다.

PZT 가진계, 곡면 좌표 정합, 공간 곡률 계산과 후보 판정은 별도 설계 항목입니다. 논문의 이송 방식·수집률을 제품 기본 기능으로 간주하지 않으며, 데이터 내보내기와 분석 옵션은 구성 단계에서 확인합니다.

당사와의 기술 검토에서는 적층과 형상, 관심 결함, 기존 탐상 결과, 광학 접근 방향을 함께 확인하고, 국부 시험편의 반복 측정부터 실제 부품으로 확장하는 검증 절차를 구체화할 수 있습니다.

9. 결론 | 내부를 대신 보는 것이 아니라, 확인할 위치를 찾기

LDV는 복잡한 스트링거 표면을 지나가는 파동을 기록하고 국부 변화의 위치를 좁히는 수단입니다. 독립 탐상과의 위치 대응 및 재현성을 확보한 범위에서 제조 결함 조사나 수리 전후 비교에 활용할 수 있습니다. 깊이·잔존 강도·운항 적합성은 별도의 판단 근거가 필요합니다.

10. 참고문헌

[1] G. Zhao, Y. Zeng, Z. Yu, K. Sun, J. Chen. “Delamination Detection in CFRP Stringers with A0-Mode Lamb Wave Curvature.” Sensors, 25(6), 1915, 2025.

[2] Z. Li, G. Sha, W. Xiao, H. Zuo, M. Cao. “Damage imaging in composite curved panels based on 2D wavelet analysis of guided wavefields.” Vibroengineering Procedia, 57, 53–58, 2024.

[3] G. Sha, H. Xu, M. Radzieński, M. Cao, W. Ostachowicz, Z. Su. “Guided wavefield curvature imaging of invisible damage in composite structures.” Mechanical Systems and Signal Processing, 150, 107240, 2021.

[4] C. Rembe, I. Bucher, B. Halkon, Y. Li, V. Mazzoni, L. Scalise, M. Schewe, Y. Zeng. “Laser Doppler vibrometry.” Nature Reviews Methods Primers, 6, 30, 2026.

[5] Optomet GmbH. “SMART Scan+.” 공식 제품 페이지

[6] Optomet GmbH. “SMART Lab Software.” 공식 소프트웨어 페이지