공선편향법을 이용한 투명 이방성 물질의 열전도계수 측정에 관한 연구 - 박근태 (The Graduate School, Ajou University, 2017)
광열효과를 이용하여 열물성을 측정하는 기법은 빛 에너지를 주기적 또는 일시적으로 재료에 조사시켜, 빛 에너지가 열 에너지로 변환되며 발생하는 온도 구배 및 변형 구배를 이용한다. 이러한 온도 구배 및 변형 구배를 이용하는 방법에 따라 다양하게 나뉜다. 본 연구에서는 검사빔이 시편에 수직으로 조사되어 투과되는 공선편향법을 이용하여 투명 이방성 물질의 열전도계수를 측정하였다. 그리고 측정 정확도를 증가시키기 위하여 투명 이방성 물질에 금속 박막을 증착하여 빛 에너지의 흡수를 증가시켰다. 열물성을 측정하기 위해서는 광열효과에 의한 재료의 온도분포를 해석하고 이를 실험데이터와 비교하여야 한다. 투명 이방성 물질의 열전도계수 측정을 위하여 단층과 복층 모델에 2차 텐서구조의 열전도계수를 적용한 3차원 열전도 방정식을 복소 변환법(complex transform)과 수치해석을 이용하여 온도분포를 해석하였다. 그리고 이를 적용하여 열전도계수를 측정하기 위한 편향각과 위상차 해석을 진행하였다. 또한, 변조 주파수, 열전도계수 그리고 측정 방향과 같은 변수들이 위상곡선에 미치는 영향 분석하였다. 변조 주파수의 감소와 열전도계수의 증가는 위상각 기울기를 완만하게 하고 편향각의 크기를 감소시킨다. 이러한 현상은 흡수된 에너지가 단위시간당 더 넓은 공간으로 확산되기 때문에 나타나기 때문이다. 측정 방향의 영향에서 재료의 결정방향과 검사빔 사이의 각도 변화는 유효 열전도계수의 변화를 유발시키게 된다. 이방성 재료의 유효 열전도계수의 값에서 얻어진 편향 신호는 등방성 모델에서 동일한 값의 열전도계수 결과와 동일하며, 이러한 경향은 단층과 복층 모델에 모두에서 동일하게 나타났다. 본 측정법의 검증을 위해 단층 시편과 복층 시편에 대해 측정 실험을 수행하였으며, 측정 결과를 위상곡선법을 통해 이론해석과 비교하여 열전도계수를 결정하였다. 결정된 열전도계수는 문헌의 자료와 비교할 때 1% 이내의 오차를 가지는 것을 확인하였다. 그리고 이론해석과 실험장치의 신뢰성을 확인하기 위해서 불확실도(uncertainty) 분석을 진행하였다. 공선편향법의 경우 가열빔의 반경과 세기, 그리고 측정 환경이 측정 오차에 영향을 주는 인자로 나타났으며, 위상곡선법을 통해 측정할 경우 약 1.8% 의 불확실도를 보였다.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :기계공학과,2017. 2
Keywords: 투명 이방성 물질; 열전도계수; 공선편향법