1. 서 론

군사용 유도탄을 표적까지 운반하는데 필요한 에너지를 공급하는 장치를 로켓 모터라 한다. 이러한 로켓 모터는 고체 추진제를 연료로 사용하며 운용상황에 따라 실제 사용 전까지 많은 시간을 저장 또는 이송의 형태로 유지관리 된다. 고체 추진제를 장기 저장할 경우에 물리적 화학적 특성에 변화가 생길 수 있어 수명이 초과한 로켓 모터의 표본을 추출하여 성능시험을 수행하고 분석하여 신뢰도 및 저장 수명 등을 평가하게 된다⁽¹⁾-⁽²⁾. 성능평가의 일환으로 로켓모터 추진제의 인장강도 등 물성 시험평가 수행을 위해 로켓모터를 절단하여 추진제를 추출한다. 로켓 모터의 연소관을 절단하는 방법으로는 수압을 활용한 water-jet 방식이 있으나 화공품 성분의 추진제는 수분에 취약하여 톱을 이용한 기계적 절단 방식을 사용하기도 한다. 다이아몬드 와이어는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 사파이어 등 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 절단하는 데 널리 사용된다⁽³⁾. 다이아몬드 와이어는 슬러리 와이어에 비해 높은 절단 효율과 우수한 절단면 품질, 작은 절단 크기 및 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 절단할 때 환경에 대한 오염이 없는 등 많은 장점을 나타낸다⁽⁴⁾. 절단시의 매개변수로 이동속도, 와이어 이송 속도, 와이어 장력이 있으며, 다이아몬드 와이어의 매개변수로는 입자 크기, 입자 위치 분포, 입자 돌출 높이, 고정력 등 절단 품질 및 효율성에 영향을 미치는 많은 요소가 있다⁽⁵⁾. 높은 절단 효율과 품질을 달성하기 위해서는 고유한 성능 특성을 충족하는 절단 매개변수를 결정하는 것이 필요하다. 또한 절단 과정에서 다이아몬드는 마모 및 이탈 등의 손상이 발생한다. 최근에는 절단 시 다이아몬드 와이어가 끊어지는 현상과 이것이 공정 성능에 미치는 영향이 연구되고 있다⁽⁶⁾. 와이어 마모 예측⁽⁷⁾ 및 수명추정에 관련 연구도 보고 되었다⁽⁸⁾. 손상된 다이아몬드 와이어는 추후 절단되지 않는 단순 마찰이 일어날 수 있다. 절단되지 않는 단순 마찰은 마찰열과 단선의 위험으로 화재를 일으킬 수 있으므로, 절단 와이어 상태에 대한 지속적인 관찰이 필요하다. 다이아몬드 와이어는 마이크로미터 크기로 Clark 는 SEM 현미경을 활용하여 고정상태의 와이어 상태를 측정하였고⁽⁹⁾, Zhao 등은 4개의 CCD 카메라를 이용하여 네 방향에서 움직이는 이미지를 획득하였으며⁽¹⁰⁾, Gao 는 고속 카메라와 2배 렌즈를 사용하여 이동하는 와이어에 대해 측정하였으며⁽¹¹⁾, 이상직 등은 비전 시스템을 활용하여 측정했다⁽¹²⁾. 그러나, 이러한 카메라를 사용하여 와이어의 상태를 측정하는 시스템은 와이어 이송속도가 최대 5m/s 이하에서 적용이 가능하다. 고로, 고속으로 이동하는 다이아몬드 와이어의 상태를 측정하기 위해서는 기존에 발표된 방법으로는 와이어의 이미지를 획득하는 것이 어렵다.

본 논문에서는 로켓 모터의 안정적 절단을 위해 다이아몬드 와이어의 이송속도가 최대 15m/s까지 고속으로 이송하는 경우에도 와이어의 상태를 실시간으로 측정할 수 있는 시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 와이어의 이송속도가 5m/s 이하 저속에서는 고속 카메라를 사용하여 와이어의 상태를 측정하고, 동시에 파장에 따른 반사 정도를 측정할 수 있는 분광기를 사용하여 저속에서 최대 15m/s 까지 고속으로 이동하는 와이어의 상태를 측정할 수가 있다. 제안한 시스템으로 절단 장비 운용의 안전성 및 효율성을 높일 수가 있을 것으로 기대된다. 또한, 고가의 다이아몬드 와이어의 적절한 교체 주기를 확립함으로 비용 절감 효과와 와이어 마모도 측정을 통한 끊어짐 방지를 개선하여 화재 발생 위험을 줄일 수 있다.

2. 로켓모터 절단을 위한 다이아몬드 와이어 절단 장비

일반적인 반도체 공정의 절단 및 콘크리트 절단 방법은 로켓 모터 절단이라는 폭발물의 위험 특수성에는 적합하지 않다. 안정적인 로켓 모터 절단을 위해서는 절단 장비 내부에 측정장치를 설치하고 폭발물의 위험성에 따라 장비가 작동 중에도 원거리에서 다이아몬드의 마모에 대해 실시간 측정이 가능하여야 한다. 절단작업 중 연소관 마찰열이나 와이어 끊어짐에 의한 스파크 등의 원인으로 추진제 발열로 화재가 발생할 위험이 있다. 특히 연소관 마찰열은 와이어에 접착된 다이아몬드의 과도한 마모로 절단 없는 단순 마찰로 인해 추진제 자체 발화를 유발할 수 있다. 로켓 모터 절단을 위한 다이아몬드 와이어는 최대 15m/s 로 이동하므로 일반적인 방법으로는 와이어의 이미지를 획득하는 것이 어렵다. 본 논문에서는 기존의 고정적 측정을 위한 SEM 현미경 및 CCD 카메라를 이용한 광학 측정 방식의 한계를 보완하고자 파장에 따른 반사 정도를 계측할 수 있는 분광기를 사용하여 고속에서 실시간으로 와이어의 마모상태를 측정하고자 한다. 그림 1에 로켓모터 절단을 위한 다이아몬드 와이어 절단 장비를 나타낸다.

그림 1 다이아몬드 와이어를 이용한 절단 장비

Fig. 1 Cutting equipment with diamond wire

로켓 모터의 절단에 사용되는 다이아몬드 와이어는 직경이 330㎛ 이며 약 20∼50㎛의 다이아몬드가 접착제로 고정되어 있으며 다이아몬드 입자의 위치 분포, 밀도, 크기 및 돌출 높이가 모두 다르다. 그림 2는 마이크로스코프 타입의 영상 장비로 촬영한 다이아몬드 와이어를 나타낸다. 붉은 색 원으로 표시된 부분이 와이어에 접착되어 있는 다이아몬드를 나타낸다.

그림 2 다이아몬드 와이어 구조

Fig. 2 The structure of diamond-wire

3. 다이아몬드 와이어 실시간 측정 시스템 설계

3.1 고속카메라를 이용한 와이어 상태 측정

다이아몬드 와이어의 시각적 확인과 획득 데이터에 대한 세밀한 분석을 위해 고속 카메라를 사용하여 와이어의 정확한 이미지를 얻는다. 카메라를 사용하여 이미지를 획득하는 경우 반사에 의한 와이어의 다이아몬드 분포를 보는 것이 아니라 와이어와 배경의 경계를 명확히 하기 위해 후면에 반사판을 설치하여 색상에 의한 모호한 경계를 최소화하고 빠른 이미지 획득을 위해 컬러가 아닌 흑백 고속 카메라를 사용한다. 본 논문에 사용된 고속 카메라(Cyclone-1HS-3500-M) 및 렌즈 사양은 다음과 같다.

∙ Frame rate : 3,518fps @1280×860(8-bits),

23,316fps @1280×112(10-bits)

∙ Pixel size : 13.7㎛/pixel

∙ Lens magnification : 4x

4x 렌즈를 사용할 경우 획득된 영상의 픽셀 크기는 다음과 같이 결정된다.

(1)

13.7㎛ / 4×(Lens) = 3.425㎛/pixel

고속 카메라를 이용하여 얻은 이미지를 그림 3에 나타낸다.

그림 3 고속 카메라를 이용하여 얻은 다이아몬드 와이어 이미지

Fig. 3 Image of the diamond-wire using the high speed camera

영상 분석을 원활하게 하기 위해서는 검사 대상물이 명확하게 구분될 수 있도록 적절한 수준의 광량이 필요하다. 카메라 사양의 최대 속도(23,316fps)에서 노출시간(Exposure time)은 42.89㎲이다. 본 시스템에 최적화된 광량을 찾기 위한 실험 데이터를 그림 4에 나타낸다.

그림 4 광원 및 노출시간 비교

Fig. 4 Comparision of the light source and exposure time

Laser 785㎚ Exposure time 25,000㎲은 너무 낮은 출력으로 영상 획득에 실패하였으며 Laser 532㎚ Exposure time 10,000㎲은 영상 획득은 가능하나 노출시간이 너무 큰 문제가 발생하였다. 와이어 이송 속도(10m/s)를 고려할 때 최소 100㎲의 노출시간이 필요하다. 단파장 레이저의 경우 해당 파장에 대한 출력은 강하지만 다파장 출력이 가능한 할로겐 또는 LED에 비해 이미지 획득에 부적합하였다. 따라서 본 검사 시스템의 광학계에 적용하기 위한 최적 LED 광원을 설계하였다. LED의 광원을 평행하게 통과하게 하는 Aspheric condenser lens(∅25, f20.1)와 와이어에 LED 광원의 초점을 맞춰 빛을 길고 좁게 집중시키는 Cylinder lens(∅25, f50) 및 반사판을 적용하여 그림 5에 나타낸 것과 같이 광원을 설계하였다.

그림 5 광원 및 렌즈 설계

Fig. 5 Light source and lens design

3.2 분광기를 이용한 와이어 상태 측정

와이어가 고속으로 이동하는 경우 고속 카메라로 실시간 이미지를 획득하는 것이 어려우므로 파장에 따른 반사 정도를 계측할 수 있는 분광기를 사용하여 실시간으로 와이어의 마모상태를 측정하고자 한다. 분광기는 전자기파를 파장에 따라 분산시킨 후 센서를 사용하여 분산된 신호를 기록하는 장치이다. 대부분 매질에서 주파수에 따라 빛의 속도가 다르기 때문에 진행 방향의 변화도 다르다. 사용한 분광기는 Ocean FX VIS-NIR(ES)로 로켓 모터 절단작업 특수성을 고려하여 원거리에서 데이터 획득이 가능하다. 그림 6는 다이아몬드 와이어의 파장에 따른 스펙트럼 신호를 나타낸다. 그림 6에서 파장별 반사율에 따른 변화율이 높은 지점은 620.5nm에서 가장 변화폭이 크게 나타남을 확인하였다.

그림 6 파장에 따른 표준편차

Fig. 6 Standard deviation by Wavelength

미사용 와이어와 사용한 와이어의 다이아몬드 마모 수준에 따라 다이아몬드의 반사 면적이 달라진다. 분광기 파장별 반사율을 비교하여 반사 데이터 정도를 확인하였다. 미사용 와이어와 사용한 와이어를 반복 측정을 하여 Intensity와 Reflection에 변화가 있음을 확인하였다. 그림 7과 그림 8에 다이아몬드 마모 차이에 따른 변화를 나타낸다. 그림 7과 8에서 파장이 620.5nm 근처에서 미사용 와이어와 사용한 와이어의 Intensity와 Reflection의 차이를 확인할 수가 있다

그림 7 파장에 따른 Intensity 비교

Fig. 7 Comarison of Intensity by Wavelength

그림 8 파장에 따른 반사율 비교

Fig. 8 Comparison of Reflection by Wavelength

3.3 카메라 및 분광기 데이터 처리/분석

데이터 측정 모듈에서 이더넷과 콕스 링크를 통해 받은 데이터는 수집기(Ubuntu 20.04)를 이용해 데이터를 수집하고, GPU 프로그램 툴(NVIDIA CUDA)을 적용한 라이브러리(OpenCV-4.5.4)로 분석한다. 수집된 데이터는 원본과 분석데이터를 외부 메모리에 저장하고 분류된 데이터를 분석하여 이더넷을 통해 뷰어로 보낸다. 데이터 측정 모듈에서 측정한 데이터는 고속카메라 데이터와 분광 반사 스펙트럼으로 나뉜다. 고속 카메라 데이터는 이미지를 획득하고 전처리 과정과 검사 대상을 분류한다. 알고리즘 설정에 따라 분석 후 뷰어로 전송한다. 분광 반사 스펙트럼 데이터는 획득한 스펙트럼에 대해 반사율을 교정하고 데이터를 자동 저장하며 작업 중 마모 분석 작업 실시 후 뷰어로 전송한다. 데이터 수집, 처리/분석 흐름을 그림 9에 나타낸다.

그림 9 데이터 처리/분석 흐름도

Fig. 9 Flowchart of Data Processing/Analysis

4. 실험 및 결과

로켓 모터 절단 작업 중 실시간으로 다이아몬드 와이어의 상태를 측정하기 위해 데이터 수집장치를 그림 10와 같이 절단 장비에 설치하였다.

그림 10 다이아몬드 와이어 상태 측정을 위한 실험장치

Fig. 10 Experimental System for the diamond wire condition measurement

고속카메라를 통해 획득된 다이아몬드 와이어 영상 데이터는 실시간으로 처리되며, 이미지 뷰어를 통해 와이어의 형태 확인 및 처리 결과를 확인할 수 있다. 그림 11에 카메라로 얻은 이미지를 나타낸다. 와이어의 다이아몬드 크기를 추출하기 위해 Optimal threshold 이진화 기법⁽¹³⁾을 적용하였다.

그림 11 고속 카메라에서 얻은 다이아몬드 와이어 영상

Fig. 11 Image of the diamond wire using the high speed camera

그림 12 다이아몬드 와이어 영상처리 결과

Fig. 12 Image processing results of the diamond wire

이진화를 통한 영상 분류 및 Blob analysis 결과를 그림 12에 나타낸다. 영상의 1 픽셀은 약 3.425㎛의 해상도를 가지고 있으므로 Blob analysis에서 나온 픽셀 값을 ㎛단위 변환하여 다이아몬드의 크기를 구할 수 있다. 그림 13에 로켓 모터의 실시간 절단 작업을 통해 획득한 와이어의 다이아몬드 크기를 측정한 결과를 나타낸다. 약 90분 후에 다이아몬드 크기가 3㎛ 정도 마모된 것을 확인할 수가 있다.

그림 13 다이아몬드 와이어 크기 변화

Fig. 13 Diamond wire size variation

분광기 실험에서 444㎚, 484.5㎚ 및 620.5㎚ 파장 구간에서 로켓 모터 절단 작업 시간에 따른 반사율을 그림 14에 나타낸다. 620.5㎚ 파장에서 약 90분 후에 반사율이 10%정도 감소하여 변화폭이 가장 크게 나타남을 알 수 있다.

그림 14 분광기 반사율의 변화

Fig. 14 Spectral reflectance variation

5. 결 론

본 논문에서는 로켓 모터 절단 작업 시 사용되는 다이아몬드 와이어의 상태를 실시간으로 검사하기 위해 고속 카메라와 분광기를 이용한 시스템을 개발하였다. 다이아몬드 와이어의 이송속도가 최대 15m/s까지 고속으로 이송하는 경우에도 와이어의 상태를 실시간으로 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다. 와이어의 이송속도가 5m/s 이하 저속에서는 고속 카메라를 사용하여 와이어의 상태를 측정하고, 동시에 파장에 따른 반사 정도를 측정할 수 있는 분광기를 사용하여 저속에서 최대 15m/s 까지 고속으로 이동하는 와이어의 상태를 측정할 수가 있다. 다이아몬드 마모 수준에 따라 반사 면적이 달라지므로 분광기 반사율이 줄어드는 것을 측정하여 다이아몬드 마모 상태를 측정하였다. 카메라 정보와 분광기 정보를 분석함으로써 다이아몬드의 현재 상태 및 잔존 수명을 예측할 수 있는 기반을 마련하였다. 또한, 고가의 다이아몬드 와이어의 적절한 교체 주기를 확립함으로 비용 절감 효과와 와이어 마모도 측정을 통한 끊어짐 방지를 개선하여 화재 발생 위험을 줄일 수 있다. 본 논문의 결과를 활용하여 유도 탄약의 성능 평가에 매우 유용하게 적용될 수 있기를 기대한다.

와이어의 마모 상태는 절단 효율에 절대적인 영향을 미치는 중요한 요소이다. 본 논문에서 개발된 시스템을 활용하여 와이어의 영상 데이터 및 분광 데이터를 지속적으로 축적함으로써 향후 Big-data processing의 접근이 가능할 것으로 기대된다. 또한 다이아몬드 와이어의 교체 시기를 예측할 수 있는 알고리즘 개발이 필요하다.