공선편향법을 이용한 투명 이방성 물질의 열전도계수 측정에 관한 연구
A study on the measurement of thermal conductivity for transparent anisotropic material using collinear deflection method
- 주제(키워드) 투명 이방성 물질 , 열전도계수 , 공선편향법
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 유재석, 김동권, 김현정
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000024159
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
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.
more초록/요약
The method to measure thormophysical properties by using photothermal effect is based on the periodical heating of a sample by a modulated light beam. These methods use temperature gradients and deformation gradients that occur when light energy is converted to thermal energy. In this study, the thermal conductivity of a transparent anisotropic material was measured using a collinear deflection method. In the this measurement process, pump beam and probe beam is vertically irradiated to a specimen. And a metal thin film was deposited on the sample surface to increase the measurement accuracy. The temperature distribution analysis used the three-dimensional heat conduction equation with the complex transform method and the numerical analysis for of the single layer and the bi-layer model. Using the temperature analysis results, the deflection angle and phase difference were calculated. And influence of the parameters, such as modulation frequency of the pump beam, the thermal conductivity, and the angle between crystalline direction and measurement direction was investigated. The increasing of thermal diffusion length reduces the value of phase difference and deflection angle because the absorbed energy in sample per pulse increases as the thermal conductivity increases or modulation frequency decreases. And the change of an angle between crystalline direction of sample and measurement direction brings the change of effective thermal conductivity. If the value of effective thermal conductivity for anisotropic materials and the value of thermal conductivity for isotropic model is same, deflection signal form these values are equal. Also this tendency is the same for both single and double layer models. For the verification of this method, the phase difference signals were measured for the single - layer and the bi - layer specimens. The thermal conductivity coefficients were determined by comparing the measured results with the numerical analysis through the phase curve method. As a result, there was an error of less than 1% when compared with the literature data. To check the reliability of theoretical analysis and experimental apparatus, we performed uncertainty analysis, In collinear deflection method, the radius and intensity of pump beam and measurement environment were the main factor of measurement error. The uncertainty was less than 1.8% for the phase curve method.
more목차
제 1 장 서론 - 1
1.1 연구 배경 - 1
1.2 연구 동향 및 분석 - 5
1.3 연구 목적 - 12
제 2 장 측정 원리 및 수치 해석 - 14
2.1 광열효과 - 14
2.2 측정 원리 - 15
2.3 수치 해석 - 17
2.3.1 복소 변환법을 이용한 지배 방정식 및 경계 조건 변환 - 17
1) 단층 이방성 물질 모델의 지배방정식 및 경계조건 - 17
2) 복층 이방성 물질 모델의 지배방정식 및 경계조건 - 20
2.3.2 이방성 재료의 열전도계수 - 23
2.3.3 온도 해석 - 24
2.3.4 검사빔의 편향 해석 - 29
제 3 장 측정 실험 - 32
3.1 측정 장치 구성 - 32
3.1.1 가열부 - 39
3.1.2 검사부 - 40
3.1.3 데이터처리부 - 41
3.2 실험 방법 - 43
3.2.1 시편준비 - 44
3.2.2 광학적 정렬 - 47
1) 시편의 도달하는 가열빔의 출력, 직경 및 파형 확인 - 47
2) 가열빔, 검사빔, 시편의 정렬 상태 확인 - 49
3) 정렬용 레이저와 다이얼게지이를 이용하여 정렬상태의 기억 - 50
4) 시편과 검사빔 사이의 수직거리 조절, 위치 센서의 정렬 확인 - 51
3.2.3 측정방법 - 52
제 4장 단층 모델의 해석 및 측정 결과 분석 - 54
4.1 수치 해석 결과 분석 - 54
4.1.1 열전도계수 변화에 따른 온도 분포 변화 - 54
4.1.2 검사빔 편향과 위상 분석 - 59
1) 변조 주파수의 영향 - 60
2) 열전도계수의 영향 - 61
3) 측정 방향의 영향 (유효 열전도계수의 영향) - 63
4.2 열전도계수 결정 방법 - 65
4.3 단층 시편의 측정 결과 분석 - 68
4.3.1 측정 시편 - 68
4.3.2 측정 실험 및 결과 - 68
제 5 장 복층 모델의 해석 및 측정 결과 분석 - 76
5.1 수치 해석 결과 분석 - 76
5.1.1 열전도계수 변화에 따른 온도 분포 변화 - 78
5.1.2 검사빔 편향과 위상 분석 - 84
1) 변조 주파수의 영향 - 85
2) 열전도계수의 영향 - 86
3) 측정 방향의 영향 (유효 열전도계수의 영향) - 88
5.2 복층 시편의 측정 결과 분석 - 89
제 6장 오차 분석 - 96
제 7장 결론 - 99
참고문헌 - 102
Appendix A - 112
Appendix B - 114
Appendix C - 115
Abstract - 117
