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새면 안 되요. 리크 테스트합시다! – 마르포스의 리크 테스트 솔루션

이제는 주위에서 흔하게 볼 수 있는 전기 자동차. 전기 자동차의 2차 전지 배터리 셀 안에 누설이 발생하면 전해질이 공기 중으로 나오게 되고 1,000℃가 넘는 고온의 화재를 유발할 수도 있다. 전기 자동차가 늘어나고 내연 기관을 대체하는 추세에 따라 소비자나 차량 메이커의 배터리 안전에 대한 의식과 품질 규격은 강화될 수밖에 없다.

전기차 배터리뿐만이 아니다. 산업 분야를 막론하고 밀폐가 필요한 제품은 또는 부품은 아주 많다. 그중에서도 누설이 발생할 경우 제대로 동작하지 못하거나 장비의 수명이 짧아지는 경우, 더 나아가 그것이 환경과 사용자의 안전에 잠재적인 위험을 가할 수도 있는 경우라면 더더욱 누설에 대한 관리가 중요해질 것이다. 이에 따른 분야별 누설 관련 규정은 당연히 존재하며 제조 업체는 이를 준수하기 위한 검사 방법을 마련해야만 한다.

전기 자동차가 내연 기관을 대체하는 추세에 따라 배터리 안전에 대한 의식과 품질 규격은 강화될 수밖에 없다.
전기 자동차가 내연 기관을 대체하는 추세에 따라 배터리 안전에 대한 의식과 품질 규격은 강화될 수밖에 없다.

리크 테스트
리크 테스트(Leak Test)는 기밀시험이라고도 불리는 비파괴 시험의 일종으로, 구성품 또는 장치 안에 누설이 있는지를 검사하는 방법이다. 누설 여부뿐만 아니라 누설의 위치가 연결부인지, 개스킷인지, 조인트인지 등도 확인해 누설 요소 자체를 파악할 수 있다면 더 편리하다. 이 검사를 통해 산업 현장에서는 규정 준수를 위해 생산 제품의 IP 등급을 검증하거나 생산 중 불량 제품을 식별하고 분리해 불량을 예방한다. 결국 리크 테스트를 통해 비용 절감과 품질 향상은 물론 안전이나 환경과 관련한 규정을 준수할 수 있는 것이다.

리크 테스트는 다양한 방법들이 있는데, 쉬운 예로 물탱크에 부품을 담가 기포를 확인하는 ‘수몰 테스트’도 이 중 하나다. 산업 현장에서 사용되는 누출 검사는 일반 공기(질소)를 사용하는 에어 리크 테스트(Air Leak Test)와 헬륨과 수소 등의 추적 가스를 이용하는 추적 가스 리크 테스트(Tracer Gas Leak Test)로 나눌 수 있다.

에어 리크 테스트
에어 리크 테스트는 주로 주입한 공기의 압력 감쇠 정도로 누출을 판단하는 압력 감쇠(Pressure Decay) 방식을 사용한다. 에어 리크 테스트 경우 E-02 mbar.l/s 수준의 누출까지 측정할 수 있다. 부품 1개를 측정하는 직압식과 레퍼런스 부품과 비교 측정하는 차압식이 있다.

직압식 리크 테스트

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시험 대상 제품은 프로그래밍한 테스트 압력으로 가압한 후 안정화 단계 이후에 테스트 시간 동안 압력 감쇠를 측정한다. 기준을 넘어서는 압력 감쇠가 발생하면 누설이 있는 것으로 본다. 직압식 리크 테스트는 부압(Negative Pressure) 테스트도 가능하다. 이는 프로그램된 압력으로 공기를 빼 진공으로 만든 후 압력 변화를 측정하는 방식으로, 가압해서는 안되는 조립품 등 제품의 특성 및 동작 상태에 따라 부압 테스트가 필요한 경우가 있다.

차압식 리크 테스트

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기준 샘플과의 비교를 통해 수행되는 검사다. 테스트 중에는 두 샘플에 동일한 압력을 채운다. 안정화 단계를 거친 후, 각각의 압력 감쇠가 아닌 두 샘플 간의 압력 차이로 리크를 판별한다.

챔버 내 압력 변화 측정

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밀폐된 챔버 안에 삽입된 시험 대상 제품의 누설을 챔버 내부의 압력 변화를 감지하여 측정하는 방법이다.

누설 유량 직접 측정

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매스 플로우 센서를 이용한 직접 유량 측정 방식으로, 테스트 대상 제품의 체적에 무관하게 측정이 가능하다.

헬륨 리크 테스트
헬륨(He)은 수소(H) 다음으로 두 번째로 가벼운 원소로, 헬륨을 사용한 리크 테스트의 경우 E-09 mbar.l/s까지 검출이 가능해 에어 리크 테스트 대비 매우 정밀하다. 헬륨은 공기 중에서 다른 기체와 반응하지 않는 불활성 가스로, 폭발성이 있는 수소에 비해 안전하다. 또한, 헬륨은 무색, 무취, 무미, 무독성 가스이며 주변에 분산될 경우에도 어떠한 문제를 일으키지 않는다. 이러한 장점에도 불구하고 투자 비용과 고가의 헬륨 가스가 필요하다는 이유로 주로 하이테크 산업 분야에 특화된 시스템이었다. 그러나, 고품질과 안전, 환경에 대한 시장의 요구가 높아지고 있어 다른 분야로도 빠르게 확대되고 있고 특히, 헬륨 리크 테스트가 품질 검사 규격으로 요구되는 분야도 늘고 있다. 자동차 산업의 경우 에어컨용 콘덴서, 증발기(Evaporator), 호스는 반드시 헬륨 전수 검사를 거쳐야 한다. 이런 경우 에어 리크 테스트를 먼저 진행한 후 헬륨 리크 테스트로 전수 검사하는 방식으로 효율화한다. 업계 관계자는 “전기 자동차용 2차 전지를 생산하는 국내 메이저 3사의 경우도 품질 강화 추세에 따른 대응으로, 현재 수행하는 에어 리크 테스트를 헬륨 리크 테스트로 전환하려는 움직임을 보이는 것으로 알고 있다”라고 전했다.

헬륨 리크 테스트의 원리
누설을 찾고 누설된 양을 측정하기 위해서는 우선 미량 가스인 헬륨의 존재를 감지할 수 있는 장치가 필요하다. ‘질량 스펙트로미터’는 측정한 가스의 질량을 전기적 신호로 변환해 주는 장치인데, 작동을 위해 스펙트로미터에 투입된 공기를 이온화하고, 자기장(Magnetic field)을 가진 커브 형상의 튜브 속에 통과시킨다. 주어진 자기장 효과로 인하여 헬륨 이온만 이 튜브를 통과하고 나머지는 파괴된다. 헬륨 이온 흐름에 의해 생성된 전류량을 이용해 누설량을 측정하게 된다.

리크 영역을 통해 스펙트로미터로 유입된 공기 분자가 이온화되고 곡선 튜브 형상의 자기장 영역으로 가속되어 통과하게 될 때, 주어진 자기장 효과로 인하여 헬륨 이온만 통과되고 통과된 헬륨 이온으로 발생한 전류를 측정하여 누설 값을 정량화한다.
리크 영역을 통해 스펙트로미터로 유입된 공기 분자가 이온화되고 곡선 튜브 형상의 자기장 영역으로 가속되어 통과하게 될 때, 주어진 자기장 효과로 인하여 헬륨 이온만 통과되고 통과된 헬륨 이온으로 발생한 전류를 측정하여 누설 값을 정량화한다.

헬륨 리크 테스트 검사 방법
글로벌 리크 테스트
진공 챔버 내부에 로딩된 부품을 헬륨으로 가압시켜 누설된 헬륨을 진공 챔버에 연결된 질량 분석기로 측정하는 방식이다. 이 시험은 인적 오류에 영향을 받지 않아 객관적이다. 누설 측정 영역은 5.0E-03 mbar.l/s ~ 5.0E-08 mbar.l/s이다. 증발기, 응축기, 콘덴서, 튜브, 호스, 파이프, 에어백, 저장용기, 연료탱크, 자동 온도조절 밸브와 같은 자동화 시스템에 사용된다.

마르포스의 전기 자동차 배터리 용 리크 테스트 설비. 8개의 배터리 셀을 동시에 측정한다.
마르포스의 전기 자동차 배터리 용 리크 테스트 설비. 8개의 배터리 셀을 동시에 측정한다.

스니퍼 리크 테스트
부품에 헬륨을 가압한 상태에서 스니퍼 프로브가 장착된 질량 분석기를 통해 수동 또는 자동으로 예상 리크 부위를 탐지한다. 감지 가능한 영역은 5.0E-03 mbar.l/s ~ 5.0E-05 mbar.l/s 이다. 부품 수리시 냉동기, 냉동식품 진열대와 같이 진공 챔버 안에 로딩해서 테스트 할 수 없는 부품 또는 다른 방법들을 통해 누설이 감지된 부품의 누설 위치를 찾는 데 사용된다.

스니핑 기술을 이용한 헬륨 리크 테스트의 예 (측정 부품은 COMMON RAIL 엔진의 실린더 헤드)
스니핑 기술을 이용한 헬륨 리크 테스트의 예 (측정 부품은 COMMON RAIL 엔진의 실린더 헤드)

Bombing Test
이 방식은 이식용 의료기기 또는 전구와 같이 밀봉된 부품의 테스트에 적용된다. 먼저 고압 헬륨으로 채워진 Bombing 챔버 안에서 제품을 장시간 동안 노출하고 제품에 누설이 있으면 압력 차에 의하여 제품 내부로 헬륨이 리크 포인트를 통해 이동된다. 이후 제품을 진공 챔버로 이송하여 진공 챔버와 연결된 질량 분석기를 통해 제품 내부의 헬륨을 검출한다. 이 방식은 미세 리크를 감지할 수 없고, 일반적인 누설 측정 영역은 5.0E-02 mbar.l/s ~ 1.0E-04 mbar.l/s 이다.

리크 테스크 적용 분야
자동차의 경우 엔진 및 트랜스미션 주요 부품에 대한 에어 리크 테스트가 사용된다. 실린더 블록, 실린더 헤드, 기어박스 하우징 부품 등이 해당된다. 또한, 레일, 펌프, 라디에이터, 탱크, 인젝터 등의 자동차 부품 및 연료 시스템, 에어컨 시스템 등에도 적용된다. 전기차의 경우는 앞서 말한 2차 전지 배터리 셀과 모터에 대한 에어/헬륨 리크 테스트를 실시한다.
전자 제품의 경우 컴퓨터, 휴대폰, 태블릿, 시계나 냉장고, 에어컨과 같은 가전 분야에 리크 테스트가 적용된다. 포장 산업은 밀봉이 필요한 특성상 많이 사용되고 의료산업의 경우는 주사기, 알약 패킹, 혈액 필터 등에 많이 사용된다. 에너지 산업과 항공∙우주산업에도 적용이 점차 확산되고 있다.

리크 테스트 솔루션 프로바이더 – 마르포스
측정, 검사 및 공정 제어 분야 전문기업인 마르포스(MARPOSS)는 압력 감쇠 및 유량 테스트, 그리고 추적가스 방식의 테스트까지 리크 테스트 관련 모든 솔루션을 제공한다. 마르포스는 표준 스펙의 제품뿐만 아니라 고객 맞춤형 어플리케이션 까지 공급하는 것이 특징이다. 이로 인해 간단한 수동 검사기부터 자동 시스템까지 생산 라인에 필요한 현장의 요구를 수용하며, 모든 생산 체인은 마르포스 그룹 내에서 이루어진다.

마르포스에서 제공하는 리크 테스트 자동화 시스템
마르포스에서 제공하는 리크 테스트 자동화 시스템

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.