와전류탐상검사(ECT) 원리부터 결함탐지까지 | 리사주 곡선·침투깊이 실험

비파괴검사 학습 · ECT 실험실

와전류탐상검사 원리와 결함 신호 읽기

금속 속 와전류가 어떻게 생기는지 살펴봅니다. 탐촉자를 움직여 결함 신호와 리사주 곡선도 확인해 보세요.

와전류탐상검사표피효과표준침투깊이Lift-off리사주 곡선

대표이미지: 와전류탐상 원리·결함탐지·리사주 곡선

와전류탐상검사(ECT)는 금속을 자르지 않고 균열 등을 살펴보는 방법입니다.

탐촉자를 금속 가까이에 두면 내부에 작은 전류가 생깁니다. 균열이 있으면 전류 흐름이 달라질 수 있습니다.

이 글에서는 주파수, 침투깊이, 탐촉자 신호를 직접 조작해 봅니다.

이 글에서 확인할 내용

1. 와전류는 어떻게 발생하나?
2. 침투깊이와 결함 신호 실험
3. 표피효과·리사주 곡선 해석
4. 학습 확인 및 참고자료

1. 와전류는 어떻게 생길까?

탐촉자(Probe)는 코일이 들어 있는 검사 센서입니다.

코일에 교류(AC)를 보내면 자기장이 계속 변합니다. 교류는 방향이 주기적으로 바뀌는 전기입니다.

변하는 자기장은 금속 안에 소용돌이 모양의 전류를 만듭니다. 이것을 와전류(Eddy Current)라고 합니다.

와전류도 새로운 자기장을 만듭니다. 이 때문에 탐촉자의 임피던스가 변합니다.

임피던스는 교류가 흐를 때의 전기적 저항과 코일 반응을 함께 나타내는 값입니다.

그림 1. 탐촉자에서 발생한 자기장이 금속 내부에 와전류를 만듭니다. 균열이 있으면 전류의 흐름과 검사 신호가 달라집니다. (개념도)

① 탐촉자에 교류 공급코일 주변의 자기장이 계속 변한다.

② 금속 속 와전류 발생금속 내부에 고리 모양의 전류가 생긴다.

③ 전기적 변화 측정균열이나 간격 변화가 전류 흐름에 영향을 준다.

도전성

전기가 통하는 성질. 금속은 대체로 도전성이 있다.

균열(Crack)

금속 표면이나 내부에 생긴 갈라진 틈.

전류밀도

일정한 면적을 얼마나 많은 전류가 지나가는지 나타낸 값.

검사 신호

센서가 감지한 변화를 장비 화면에 표시한 값.

예를 들어 알루미늄 판 표면에 균열이 있으면 와전류가 그 틈을 피해 흐릅니다. 그 결과 검사 신호가 달라질 수 있습니다.

하지만 금속 종류, 온도, 탐촉자 간격이 바뀌어도 신호가 달라집니다. 따라서 신호 변화만으로 균열이라고 단정해서는 안 됩니다.

2. 직접 실험: 주파수·재질·Lift-off 바꾸기

먼저 주파수를 높였다 낮춰 보자. 그래프에서 전류가 얼마나 깊게 퍼지는지 변한다. 다음으로 탐촉자를 균열 쪽으로 움직이거나 금속 표면에서 들어 올려 보자. 이 간격을 Lift-off(리프트오프)라고 한다.

ECT 가상 실험실

침투깊이 값은 물리 공식으로 계산합니다. 탐촉자와 균열 그림은 원리 이해를 위한 예시입니다.

체험 순서

① 주파수를 낮추고 그래프 확인 → ② 알루미늄으로 재질 변경 → ③ 탐촉자를 균열 위로 이동 → ④ Lift-off를 늘려 보기

실험 조건

검사할 금속 종류비자성 스테인리스강 (예시 1.4 MS/m)알루미늄 (예시 35 MS/m)구리 (예시 58 MS/m)전기전도도 직접 바꾸기비자성은 자석에 강하게 끌리지 않는 성질입니다. 수치는 계산 예시이며 합금·온도에 따라 달라집니다.

전기전도도 σ

1.4 MS/m

전기가 얼마나 잘 통하는지를 나타냅니다. MS/m는 전도도의 단위로, 1 MS/m는 100만 S/m입니다. 직접 조절하려면 위에서 마지막 항목을 선택하세요.

검사 주파수 f

—

주파수는 전기 변화가 1초에 반복되는 횟수입니다. kHz는 1천 번/초, MHz는 100만 번/초입니다. 조절 범위는 1 kHz~5 MHz이며, 슬라이더는 로그 눈금입니다.

상대투자율 μr

1.0

상대투자율은 재료가 자기장에 반응하는 정도입니다. 1에 가까우면 비자성 금속에 해당합니다. 여기서는 값을 일정하다고 가정해 계산합니다.

침투깊이 계산 결과

표준침투깊이 δ—

1 mm 깊이
표면 대비 전류밀도—

2 mm 깊이
표면 대비 전류밀도—

표준침투깊이는 금속 표면의 전류 세기가 약 37%로 줄어드는 깊이입니다.

그래프 표시 범위깊이 0–0.5 mm깊이 0–1 mm깊이 0–2 mm깊이 0–5 mm깊이 0–10 mm깊이 0–20 mm

현재 주파수현재의 1/4배현재의 4배

세로축은 금속 표면의 전류밀도를 100%로 본 상대적인 크기입니다. 가로축은 표면에서 안쪽으로 들어간 깊이입니다. 일정한 성질의 두꺼운 금속을 가정한 계산 그래프이며, 실제 검사장비에서 측정한 결함 신호는 아닙니다.

실험 B. 표면균열을 지나갈 때 신호가 어떻게 변할까?

아래 금속판에는 균열이 하나 있습니다. 탐촉자를 왼쪽에서 오른쪽으로 움직여 보세요.

이렇게 실험하세요

① 재생을 누르거나 탐촉자 위치를 조절합니다.
② X-Y 그래프의 점이 움직이는 모습을 봅니다.
③ 절대형과 차동형 탐촉자를 바꿔 비교합니다.

탐촉자 위치

50%

50% 지점에 균열이 있습니다. 왼쪽에서 오른쪽으로 이동해 보세요.

Lift-off (간격)

0.3 mm

탐촉자와 금속 사이의 거리입니다. 커지면 신호가 약해지는 경향이 있습니다.

탐촉자 방식차동형 (Differential)절대형 (Absolute)차동형은 두 코일의 차이를 비교합니다. 절대형은 한 코일의 변화를 측정합니다.

균열 크기 (가상)

1.5 mm

교육용 신호의 크기를 조절합니다. 실제 결함 깊이를 역산하는 기능은 아닙니다.

화면 위상 회전

0°

신호의 방향을 돌립니다. 같은 신호라도 화면에서는 다른 각도로 보입니다.

탐촉자: 차동형최대 상대 응답: —현재 위치 상대 응답: —

① 검사 위치별 신호 (스트립차트)

가로축: 움직인 위치 / 세로축: X채널의 상대적 신호.

② 리사주 곡선 (X-Y 임피던스 평면)

가로축 X, 세로축 Y. 파란색은 지나온 신호, 회색 점선은 전체 예시 궤적입니다.

탐촉자를 이동하면 신호가 변합니다.

리사주 곡선(Lissajous Curve)이란? 두 신호 X와 Y를 가로축과 세로축에 동시에 그린 그림입니다. ECT에서는 검사 신호의 진폭과 위상 변화를 살펴볼 때 활용합니다.

차동형에서 8자형이 보이는 이유

두 코일이 같은 결함을 순서대로 지나갑니다. 두 코일의 신호 차이를 그리면 두 개의 고리가 생길 수 있습니다.
절대형에서는 하나의 고리처럼 보이는 경우가 있습니다.

주의: 이 그래프는 신호 형태를 배우기 위한 교육용 수학 모형입니다. 실제 장비의 전압, 위상각, 검출확률 또는 결함 깊이를 계산한 결과가 아닙니다. 탐촉자 배치와 교정에 따라 실제 리사주 곡선은 달라집니다.

3. 표피효과와 리사주 곡선 이해하기

표피효과(Skin Effect)는 금속 안쪽보다 표면에 전류가 더 많이 흐르는 현상입니다.

주파수가 높아지면 표면 쪽에 전류가 더 집중됩니다.

전류가 어느 깊이까지 퍼지는지 비교하는 값이 표준침투깊이(δ)입니다.

δ = 1 / √(π · f · μ₀ · μr · σ)J(z) / J(0) = e^−z/δδ: 표준침투깊이(m), f: 주파수(Hz), μ₀: 진공 투자율(약 4π×10⁻⁷ H/m), μr: 상대투자율, σ: 전기전도도(S/m), z: 표면에서 떨어진 깊이(m). J(z)/J(0)는 깊이 z에서의 전류밀도를 표면 값으로 나눈 비율입니다.

표준침투깊이에서는 전류밀도가 표면의 약 36.8%로 감소합니다.

예를 들어 표면 값이 100이라면 이 깊이에서는 약 37입니다.

다만 이 깊이보다 더 깊은 결함을 무조건 찾지 못한다는 뜻은 아닙니다. 실제 검출 성능은 탐촉자와 결함 조건에 따라 달라집니다.

공식 쉽게 읽기: 다른 조건이 같을 때 주파수를 4배 높이면 침투깊이는 절반이 됩니다.

깊이	표면 대비 전류밀도
δ	36.8%
2δ	13.5%
3δ	5.0%

리사주 곡선에서 무엇을 읽을 수 있을까?

탐촉자가 결함을 지나갈 때 신호의 크기(진폭)와 방향(위상)이 달라질 수 있습니다.

리사주 곡선은 이 두 변화를 한눈에 비교하게 도와줍니다.

차동형의 8자형 모양은 중요한 예시지만, 8자형이면 항상 결함이라고 판단해서는 안 됩니다. 교정과 다른 간섭 신호의 확인이 필요합니다.

Lift-off로 페인트·절연 코팅 두께를 측정할 수 있을까?

가능합니다. 금속 위 페인트는 전기가 거의 통하지 않습니다.

대신 페인트가 탐촉자와 금속 사이의 거리를 늘립니다. 이 효과를 이용해 코팅 두께를 측정할 수 있습니다.

정확한 측정에는 기준시편이 필요합니다. 기준시편은 실제 두께가 이미 알려진 비교용 시료입니다.

그림 2. 코팅 두께가 늘어나면 금속까지의 거리(Lift-off)가 커집니다. 실제 두께 측정에는 기준시편 교정이 필요합니다.

산업 현장 예시: 도장된 알루미늄 부품

페인트가 두꺼울수록 금속과 탐촉자 사이가 멀어집니다.

하지만 표면 거칠기나 금속 종류도 신호에 영향을 줍니다. 그래서 측정 전 교정이 중요합니다.

자주 묻는 질문

Q. 리사주 곡선이 8자형이면 반드시 균열일까?

아닙니다. 차동형 탐촉자의 특정 결함에서 나타날 수 있는 신호 형태입니다. 다른 요인도 비슷한 궤적을 만들 수 있으므로 기준시편과 비교해야 합니다.

Q. 주파수를 높이면 항상 결함을 잘 찾을까?
그렇지 않다. 표면 근처 결함에 유리한 조건이 생길 수 있지만, 깊은 결함에 대한 반응은 약해질 수 있다.

Q. 침투깊이가 0.3 mm면 0.3 mm보다 깊은 결함을 못 찾을까?
아니다. δ는 전류밀도의 기준값이며, 결함 검출 가능 깊이를 직접 나타내는 수치가 아니다.

Q. 플라스틱에도 와전류가 생길까?
일반적인 플라스틱에는 와전류가 거의 생기지 않는다. 하지만 금속 위에 플라스틱 코팅이 있으면, 금속과 탐촉자 사이의 거리 차이를 이용해 코팅 두께를 측정할 수 있다.

4. 학습 확인

금속의 종류와 상태는 그대로 두고 검사 주파수만 4배로 높이면, 표준침투깊이는 어떻게 될까?

4배 증가한다 2배 증가한다 1/2배로 감소한다 변하지 않는다

핵심 정리

ECT는 금속에 생긴 와전류의 변화를 측정합니다.

주파수·전기전도도·투자율이 커지면 표준침투깊이는 작아집니다.

결함탐지에서는 리사주 곡선과 탐촉자 위치를 함께 봅니다. Lift-off도 검사 신호에 영향을 줍니다.

참고자료

• NDE-ED, Eddy Current Testing — 기초 원리 및 교육 구성
• NDE-ED, Complex Impedance Plane — 신호·Lift-off
• NDE-ED, Thickness Measurements of Nonconducting Coatings — 코팅 두께 측정
• Eddyfi, How to Measure Eddy Current Signals — 절대형·차동형 리사주 신호 예시
• TWI, How far can eddy currents penetrate? — 침투깊이 정의·공식

관련 학습: 절대형·차동형 탐촉자, 임피던스 평면, 균열 검출, 코팅 두께 측정