A study on nondestructive inspection system and techniques based on terahertz electromagnetic waves

Abstract

비파괴 검사 기술은 제품 성능 및 안전에 대한 중요성과 효율성으로 개발이 되어왔으며, 최근 항공우주, 반도체, 복합재료 등 최첨단 산업의 개발과 함께 더욱 많은 관심과 기대를 받아왔다. 이에 따라, 광학 영상(optical vision)법과 엑스레이(X-ray)법, 초음파 주사 촬영법 (scanning acoustic tomography)과 같은 다양한 비파괴 검사법 등이 개발 및 사용되고 있다; 이러한 방법들은 현재 결함의 발견 및 감지를 위한 주요한 비파괴 기술로 자리잡고 있다. 하지만, 이러한 비파괴 검사법들은 각각의 장단점이 존재한다. 먼저, 광학 영상법은 물질의 3차원적인 특성을 제공할 수 있으나 그 정보들이 내부 결함들을 감지하는데 유용하지 않다. 엑스레이법은 높은 방사에너지로 인해 검사하고자 하는 물질 및 소자에 손상을 줄 가능성이 있으며, 인체에 해롭기 때문에 추가적인 안전장치를 필요로 한다. 따라서, 엑스레이법은 현장 적용이 필요한 분야에 적절하지 않다. 마지막으로, 초음파 주사 촬영법은 투과 및 반사가 모두 가능하다는 측면에서 물질 및 소자의 내부 특성을 확인할 수 있다는 장점이 있으나, 액체 형태의 매개체가 필요하고 그로 인한 모서리 음영 효과 (edge effect)가 발생한다는 몇 가지 단점들이 존재한다. 더군다나, 초음파는 박리(delamination)나 공공(void)같은 공기 층을 투과할 수 없기 때문에 그것의 두께를 측정할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 한계를 극복하고자, 최근 테라헤르츠 전자기파를 이용한 비파괴 검사법에 관한 연구가 많이 진행되고 있다; 테라헤르츠 파는 비전도성 물질(고분자 물질)을 투과할 뿐만 아니라 물질의 특성에 대한 다방면의 정보를 제공한다. 또한, 테라헤르츠 파는 낮은 방사에너지로 인해 생물학적인 세포 및 물질에 해롭지 않다. 게다가, 테라헤르츠 파는 대기 중에서 직진성을 가지고 있어 검사 시에 액체 매개체가 필요 없다는 장점이 있다. 이러한 성질들로 인해 비침투성, 비접촉성 비이온화 특징을 가지는 물질의 결함을 검출하기 위한 실시간 비파괴 검사 기술로써 활용될 수 있다. 본 논문에서는 이러한 테라헤르츠 비파괴 검사법의 검사 시스템 및 알고리즘에 관한 연구를 수행하였다. 기존의 래스터 스캔 방식은 영상화 속도가 느리다는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 기존 레이저 마킹에 사용되는 갈바노 스캐닝 시스템을 접목한 고속 영상화 시스템을 개발하였다. 이를 위해 테라헤르츠 영상화 용 비구면 Telecentric f-theta 렌즈를 설계하였고 최종적으로 Line-Galvano 영상화 시스템을 개발하였다. 이를 통해, 기존의 래스터 스캔 방식보다 영상화 시간을 10분의 1로 줄이는데 성공하였다. 또한, 펄스형 및 연속형 테라헤르츠 파를 개발한 영상화 시스템에 결합하여 유리섬유 복합재료 내 박리 결함과 ITO 투명전극의 패턴 검사에 적용해 보았다. 그 결과, 두 가지 테라헤르츠 시스템 모두 검사가 가능한 것을 확인할 수 있었으며, 연속형 테라헤르츠 시스템의 활용 가능성을 확인할 수 있었다. 다음으로는, 유리섬유 복합재료의 적층 순서 예측 알고리즘과 반도체 패키지의 EMC 몰드의 두께 측정 알고리즘을 개발하였다. 유리섬유 복합재료 적층 순서 예측 알고리즘은 섬유 배향에 따른 테라헤르츠 전기장의 복굴절 현상을 기반으로 하는 알고리즘이다. 개발된 알고리즘을 통한 예측 결과와 실제 테라헤르츠 측정 결과를 비교해본 결과, 오차가 0.2% 이내로 확인되었다. 반도체 패키지의 EMC 몰드 두께 측정 알고리즘은 두 개의 테라헤르츠 수신기를 동시에 이용하는 방식으로 EMC 소재의 광학 물성(굴절율)에 대한 정보없이 두께를 측정하는 알고리즘이다. 실제 시편에 개발된 알고리즘을 적용하여 두께를 측정하고 전자 주사 현미경(SEM)을 통해 측정된 실측 두께와 비교해 보았을 때, 1% 이내의 오차를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 개발된 테라헤르츠 기반의 검사 시스템과 알고리즘은 테라헤르츠 비파괴 검사 기술을 토대로, 테라헤르츠 비파괴 검사 기술이 기존의 초음파, 엑스레이 비파괴 검사 기술과 같이 실제 산업분야에 활용될 수 있기를 기대한다.; Over the past few decades, nondestructive inspection (NDI) techniques have received increased attention due to their efficiency and their importance for ensuring safety. NDI techniques including optical, ultrasonic and X-ray methods have been developed and used to provide information without damaging the materials being tested; these have become mainstream technologies for the detection of defects. However, NDI methods have its own pros and cons. Optical methods, which have the ability to provide three-dimensional characteristics of the materials, are not able to provide sufficient information about concealed defects. In ultrasonic methods, reflected waves from the interfaces indicate the internal characteristics of the sample. However, the requirement of a medium and the presence of edge effects cause some limitations. Furthermore, the thickness of inner defects such as delamination and voids cannot be measured, as only the location can be determined. Also, X-rays can damage some materials and be harmful to the human body, and additional safety facilities are required to prevent exposure. Thus, it may be inappropriate to use X-rays as an in-line NDI method. Accordingly, a terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) method has been recently developed to address these issues. THz waves can be transmitted through nonmetallic materials such as polymers and offer a noncontact, noninvasive and nonionizing method for investigating material defects. They are not harmful to biological tissue owing to their low photon energy, and do not require any medium. These characteristic enables real time inspection and in-line monitoring. In previous studies, it was found that defects could be detected in fiber-reinforced composites and semiconductors using the THz-time domain spectroscopy (TDS) method. In addition, studies have been conducted on applications in various fields, such as detection of foreign substances in food, detection of cancer cells, and inspection of wood composites. However, it is necessary to improve the imaging speed of inspection equipment. This is because inspection for large-scale industrial applications is not possible using the raster scanning method through motor control. In the above-mentioned applications, other NDI techniques have already been developed and are widely used. In this study, firstly, inspection equipment with a high imaging speed was developed using a Galvano scanning system and an aspheric telecentric f-theta lens. This method performs imaging by changing the optical path, enabling high-speed imaging compared with mechanical methods. However, it is still not possible to carry out a large-scale inspection using only the optical path changing method. To overcome this problem, a line-Galvano scanning system was devised. In this system, the Galvano scanning system obtains data through 1-axis scanning while moving the stage along another vertical axis using motor control. This devised method enables high-speed imaging by minimizing acceleration, deceleration and positioning of the motor. The line-Galvano scanning system was combined with two THz techniques: pulsed and continuous wave THz. Inspection of glass fiber reinforced (GFR) composites and transparent electrodes was performed. It was found that it was necessary to utilize a suitable THz technique according to the application. Two inspection algorithms were developed for this THz inspection system. One is a prediction model of the stacking sequence of GFR composites. The other is a thickness measurement algorithm for epoxy molded compound (EMC) used in semiconductor packages. For these applications, an NDI technique has not yet been developed. Therefore, it is predicted that these will become ground-breaking applications for the use of THz inspection systems. These developments of a THz inspection system and algorithm are expected to lead to advancement of the THz inspection system and techniques.