[논문]레이저 섬광법을 이용한 열확산계수 측정시 오차요인별 분석연구

이원식; 박상흡

문제 정의

그러나 이러한 장점에도 불구하고 순간 열원으로 사용되는 고에너지 펄스레이저의 단면 에너지 분포 불균일 오차, 레이저 조사시간 지연에 따른 지연오차를 확인, 개선함으로서 측정 정밀도 향상을 기하고자 한다.
본 연구에서는 불균일 가열에 의한 측정오차를 줄이기 위해 레이저 빔을 무수차 집광렌즈로 집광시킨 후 3 차원 이중굽힘을 갖는 스텝인덱스 광섬유에 투과하여 균일한 레이저 빔을 얻고자 다음을 검토, 적용하였다.
본 연구에서는 동기신호의 발신으로부터 레이저 빔의 최대 에너지 밀도점까지의 지연시간 특성을 고려한 평균 에너지 점과 최대 에너지점의 시간차 특성을 측정 . 분석하고 열확산계수 측정에 미치는 영향을 검토하였다.
본 연구에서는 레이저 섬광법에 의한 열확산계수 측정 시 중요 오차 요인이 되는 레이저 조사 시간 지연, 레이저 빔의 에너지 분포 불균일 영향을 보정할 수 있는 정밀 측정방법을 제시하고자 하였으며 종합적인 측정 오차의 개선 효과는 다음과 같다.

제안 방법

(2) 광섬유를 3차원의 원형으로 굽히게하여 종래의 1차원 대칭굽힘에 의한 감쇄영향을 제거함과 동시에 레이저 광선의 입사각에 관계없이 나선형진행을 촉진시킴으로서 중심부에 집중되어 있는 레이저 에너지를 단면 전체로 확산시키도록 하였다.
(3) 3차원 원형굽힘과 동시에 반대방향의 국부 굽힘을 부가하여 코어와 클래드의 경계면에서의 입사각이 임계입사각보다 작아지지 않으면서도 난반사에 의한 레이저빔의 확산을 촉진시켜 광섬유의 끝단에서 전단면에 걸쳐 균일한 에너지 분포를 갖는 빔을 얻도록 하였다.
. 분석하고 열확산계수 측정에 미치는 영향을 검토하였다.
측정온도에 따른 레이저의 조사시간 지연효과를 검토하기 위하여 레이저의 펄스 폭을 500㎲로 하고 측정온도에 따른 레이저의 조사시간 지연효과를 검토하기 위하여 레이저의 펄스 폭을 500㎲로 하고 상온에서 L300K까지의 온도범위에 대하여 두께 1.05mm 의 POCO AXM-5Q1 및 두께 1.13mm Glassy-carbon 의 열확산계수를 측정하였을 때, 지연 시간 보정하기 전 . 후의 결과를 Fig.
균일화된 레이저빔과 불균일 레이저빔에 의한 열확산 계수 재현정도의 비교를 위하여 POCO AXM-5Q1 을 상온에서 L300K까지 측정하였으며 측정횟수는 동일 온도에 대하여 3~4회씩 실시하였다.
레이저 섬광법에 의한 열확산계수 측정시 중요 오차 요인이 되는 레이저 조사 시간 지연, 레이저 빔의 에너지 분포 불균일 영향을 보정할 수 있는 정밀 측정 방법을 개발 . 적용한 측정 오차의 개선 효과를 Fig.

대상 데이터

레이저 발진시간의 지연 특성을 측정하기 위하여 실험 장치는 Fig. 1과 같이 구축하였으며 실험장치에 사용된 Nd:YAG 레이저 및 광센서의 사양은 Table 1과 Table 2에 각각 나타내었다.
따라서 본 연구에서는 측정 온도범위가 실온부터 1.500K 정도이므로 사용이 비교적 간편한 InSb 센서를 선택하였다. InSb센서는 액체질소로 냉각 함으로써 2~5㎛ 범위에서 가장 높은 감도를 얻을 수 있는 양자형 단결정 적외센서로서 미국, 일본 등 선진국에서 이미 군용 및 특수목적용으로 개발되어 판매되고 있으며 본 연구에서는 일본 제품을 구입, 광학계를 구성하였다.

데이터처리

Fig. 11 및 Fig. 12는 각각 두께 2.55mm의 POCO AXM-5Q1 과 두께 2.31mm의 Glassy- carbon에 대하여 상온에서 L500K의 온도범위에서 본 연구에 의하여 확인된 오차 개선 방법의 적용 이전과 적용 이후의 열확산계수 측정 결과를 미국 국립표준기술원(NIST) 의 측정치⁵⁾ 및 일본 계량연구소(NRLM)의 측정치⁶⁾와 비교 . 검토하였다.

성능/효과

(1) 레이저빔이 광섬유에 입사될 때의 입사손실을 최소화하기 위하여 집광된 레이저빔을 광섬유의 입사 면에 수직으로 입사시켰으며, 레이저빔을 무수차 렌즈에 통과 시켜 초점의 크기를 최소화시킨후 초점의 직후 단에 광섬유의 단면을 설치하여 레이저 빔의 입사시 광섬유 단면의 소손을 방지하였다.
8J에서 3J까지 하였다. 실험에 의하면 레이저의 펄스 폭이 클수록 최대 에너지 점의 지연시간이 비례적으로 길어지는 경향을 보였으며 펄스의 폭을 100㎲로 조사할 경우 지연시간이 90ns 정도이며 600㎲의 펄스 폭으로 조사할 경우에는 350㎲ 정도의 시간지연이 발생되는 것으로 나타났다.
Fig. 7에서 펄스 폭에 따른 평균 지연시간의 변화 특성을 보면 펄스의 폭이 짧을수록 지연시간이 크게 발생함으로 펄스 폭을 짧게 할 경우에는 총 에너지의 중심점을 측정하여 홉수점으로 하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.
9에 비교하였다. 레이저의 조사시간 지연에 의한 열확산 계수의 편차는 측정온도가 높을수록 감소하여, 상온 에서 편차가 크게 보임을 알 수 있다. 이것은 레이저의 조사시간의 지연이 일정한 반면, 측정재료의 열확산계수는 온도가 높을수록 작게되는 특성을 가지고 있기 때문에 고온일수록 영향이 작아지게 되기 때문으로 판단된다.
실제로 측정된 결과를 보면 POCO AXM-5Q1의 경우 상온에서 약 6% 정도의 편차를 발생시키고 있으며, Glassy-carbon의 경우에도 약 2.5% 내외의 편차를 나타내고 있어 열확산계수의 정밀측정을 위해서는 레이저 빔의 조사시간 지연특성에 대한 보정이 필요함을 알 수 있었다.
측정결과를 보면 불균일한 레이저빔을 사용하였을 때에는 측정 분산도가 ±5% 이하를 보이고 있으나 균일화 빔을 사용하였을 때에는 측정분산도가 ±2.% 이하를 보이고 있어 균일화 빔을 사용함으로서 열확산계수 측정값의 재현성이 향상되었음을 알 수 있었다. 그 결과는 Fig.
본 연구에서 적용한 여러가지 오차 요인을 고려하지않은 경우(Fig. 11 의 ◊)의 열확산계수 측정치는 미국 국립표준기술원이 제시한 POCO AXM-5Q1의 표준 치에 비하여 상온에서 최대 18%까지, L200K 부근에서 최대 13%까지의 편차를 나타내고 있으나 본 연구의 주요 오차 요인의 개선 방법을 적용한 경우(Fig. 11의 O)에는 ±2% 이내의 편차를 나타내고 있음이 확인되었다.
또한 Glassy-carbon의 경우에도 동일 lot의 시료에 대하여 측정한 일본 계량연구소의 측정 결과를 기준으로 할 경우 오차 요인을 고려하지 않은 방법(Fig. 12 의 ◊)에서는 상온에서 약 8%, 1.200K 부근에서는 4%의 최대 편차를 나타내고 있으나 본 연구의 주요 오차 요인의 개선 방법을 적용한 경우(Fig. 12의 O)에는 상온에서는 5%이내, 1.500K 부근에서는 2% 이내의 편차를 나타내고 있음을 알 수 있었다.
1) 본 연구에서 적용한 여러가지 오차 요인을 고려하지 않은 경우, 열확산계수 측정치는 미국 국립표준기술원이 제시한 POCO AXM-5Q1의 표준치에 비하여 측정온도에 따라 13%~18%의 편차를 나타내고 있으나, 본 연구의 주요 오차 요인의 개선 방법을 적용한 경우에는 측정온도 전 구간에서 ±2% 이내의 편차를 나타내고 있어 오차 요인의 현저한 개선 효과를 확인할 수 있었다.
2) 또한 Glassy-carbon의 경우에도 동일 로트의 시료에 대하여 측정한 일본 계량연구소의 측정 결과를 기준으로 할 경우, 오차 요인을 고려하지 않은 방법에서는 측정온도에 따라 4%~8%의 편차를 나타내고 있으나. 본 연구의 주요 오차 요인의 개선 방법을 적용한 경우에는 2%~5%의 편차를 나타내고 있어 오차 요인개선 방법이 주효하였음을 알 수 있었다.
본 연구의 주요 오차 요인의 개선 방법을 적용한 경우에는 2%~5%의 편차를 나타내고 있어 오차 요인개선 방법이 주효하였음을 알 수 있었다.

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