광열편향법을 이용한 박막 두께에 따른 열전도계수의 변화 측정
The Measurement of Thermal Conductivities for Thin Film depending on Thickness using Photothermal Deflection Method
초록/요약
최근 다양한 재료들이 여러 산업에서 새롭게 응용되면서 각 재료의 열물성 측정에 대한 관심이 증대되고 있다. 열물성 측정을 위해 기존에는 접촉식 방법이 주로 이용되었다. 그러나 접촉식 측정방법은 접촉 열저항 등으로 인한 오차가 수반되고 때에 따라서는 측정시편의 파괴가 이루어지기도 한다. 따라서 본 연구에서는 접촉 열저항 등으로 인한 오차를 줄이고 시편의 손상이 없는 비접촉식 열물성 측정 방법을 고려하였고 그 중 하나인 광열효과를 이용한 방법으로 열물성을 측정하였다. 광열효과란 재료에 광에너지를 조사시켜 이를 재료가 흡수함에 따라 열에너지로 바뀌고 이 열에너지에 의해 재료에 물리적 변화를 일으키는 것을 말한다. 광열효과를 이용한 측정기술은 광열변위법(Photothermal displacement method)과 광열편향법(Photothermal deflection method)으로 나뉘어 질 수 있는데 이중 광열편향법은 검사빔을 재료에 직접 반사시키지 않아 다층구조의 박막재료의 열물성 측정에 적합하다. 광열편향법은 측정하고자 하는 재료의 표면에 평행하게 검사빔(probe beam)을 조사시켜 광열효과를 일으킨 재료 주변의 공기층의 변화를 측정하여 재료의 열물성을 측정하는 방법이다. 우선 실험 준비과정에서 실험 재료의 열확산계수와 두께, 변조주파수가 인자로 포함되어 있는 열확산길이를 고려하고 이것이 실험결과에 미치는 영향을 조사하여 각 재료의 측정에 적합한 실험조건을 검색하였다. 측정대상으로는 최근 산업에 급속히 응용되면서 재료의 두께가 열물성에 미치는 영향에 대한 고찰을 필요로 하는 마이크로/나노급 두께를 가지는 박막재료인 알루미늄 박막과 산화티타늄(TiO2)박막, 질화실리콘(Si3N4)박막의 열전도계수도 측정하였다. 각 재료별로 여러 두께의 시편을 측정함으로써 두께에 따라 열전도계수가 변하는 현상을 관찰하였다.
more초록/요약
In these days, the importance of thermal properties measurement for many kinds of materials becomes increasing since those are applied to a vast range of industries. Most of existing methods are contact methods. However these methods cause the error like thermal resistance etc. and they sometimes need destruction of samples. This study considered non-contact methods which could reduce the error like thermal resistance and was unnecessary destruction of samples. Among them, the method using photothermal effect was used to measure thermal properties. When laser beam is irradiated on the sample, photo energy is absorbed into the sample. Photo energy in the sample is transformed to thermal energy which, leads to physical changes like temperature gradient, density gradient, refractive index change and thermoelastic deformation. These changes caused by photo energy are called photothermal effects. There are photothermal displacement method and photothermal deflection method in the measurement using photothermal effects. Of two methods, photothermal deflection method is suited to thermal property measurement of thin film samples that have the multi layer structure since the probe beam is not directly reflected to samples. In photothermal deflection method, physical change at the air layer on the sample where photothermal effect happen is measured by the probe beam irradiated parallel to the surface of sample. First of all, thermal diffusion length affected by thermal diffusivity and thickness of sample, and modulation frequency was considered before the measurement. And the conditions of experimental setup for each samples were searched depending on thermal diffusion length of them. Aluminum film, TiO2 film and Si3N4 film with micro/nanometer thickness were selected as the subject of study and thermal conductivities of them were measured. Thermal conductivities of these film materials depending on thickness are necessary since they are recently applied to industries. Samples with many kinds of thickness for each materials were prepared to measure thermal conductivities variation depending on their thickness. And it was observed that thermal conductivity was reduced as the thickness was reduced.
more목차
요약 = 5
List of Figures = 8
List of Tables = 10
Nomenclature = 11
1. 서론 = 13
1.1 연구배경 = 13
1.2 연구동향 = 14
2. 이론 및 측정원리 = 16
2.1 이론 = 16
2.1.1 박막의 열전달 = 16
2.1.2 광열효과 = 16
2.2 측정원리 = 17
2.2.1 이론식 해석 = 18
2.2.2 온도분포식 = 19
2.2.3 검사빔의 편향 = 21
3. 실험장치 및 실험방법 = 22
3.1 실험장치 = 22
3.1.1 가열부 = 22
3.1.2 검사부 = 24
3.1.3 데이터 취득부 = 24
3.2 실험방법 = 25
3.2.1 시편준비 = 25
3.2.2 광학적 정렬 = 26
3.2.3 측정방법 = 30
4. 결과 및 고찰 = 33
4.1 순수금속 실험 = 33
4.2 박막재료 실험 = 33
4.3 열전도계수의 결정 = 34
4.4 고찰 = 34
4.4.1 시편두께의 영향 = 34
4.4.2 변조주파수와 열확산길이의 영향 = 35
4.4.3 기타 영향 = 36
5. 결론 = 38
참고문헌 = 39
FIGURES = 41
TABLES = 60
ABSTRACT = 63
