[논문]열 방사율 측정시 표면거칠기의 영향

오기수; 배신철

문제 정의

그동안의 열방사율에 관한 연구는 측정장치와 측정 방법의 개발에 관한 연구가 주로 행해졌으며3), 표면 거 칠기가 열방사율 측정에 오차요인으로 작용한다고 하는 보편적인 생각을 뒷받침할 수 있는 차원의 연구는 수행되지 않아, 본 논문에서는 몇 가지 산업용 재료를 선택하여 표면 거칠기가 다른 값을 갖도록 시편을 가공하여 반구면 경을 이용한 열방시율 측정법으로 열 방사 율을 측정할 경우에, 표면 거칠기에 따른 열방사율의 변화 정도에 대하여 고찰해 보았다.

가설 설정

“열은 열역학적으로 물체를 이루고 있는 입자의 운동에너지의 평균값으로 정의하고 있다“. 물체가 기체이면 기체 분자의, 고체라면 결정을 이루고 있는 원자가 진동하는 에너지가 클수록 열에너지는 크고, 물체의 온도는 높게 나타날 것이다. 열에너지를 갖는 물체에 의해 물체의 외부에 나타나는 현상으로 열의 전도와 열의 방사현상을 들 수 있다.

제안 방법

반구면 경의 재질은 석영 유리 로 하였고 내면은 실효반사율을 높이기 위하여 알루미늄을 증착시킨 후 SiO₂ 보호막 처리를 하였다.가공의 용이성과 측면의 이상 반사를 고려하여 반구의 끝단을 10 mm제거하여 완전반구보다 작게 제작하였으며 반구면 경의 중심으로부터 20° 경사진 위치에 시편 표면의 방 사상태를 관측하기 위한 직경 30mm의 측정구를 설치 하였다.
반구면 경의 곡률 중심에 위치한 시편은 수직으로부터 20° 경 사진 상태로 설치되기 때문에 진공상태로 하지 않으면 자연대류에 의한 시편의 상하온도차가 생기며 고온에서는 대상물이 산화되는 등의 문제가 발생하여 정밀 측정이 불가능하게 된다. 따라서 시편과 반구면 경 이 위치하는 부분은 로터리 펌프를 이용하여 10「3 Torr 의 진공상태를 유지할 수 있도록 하였다. Fig.
01mm까지 가능하며 시편 지지대는 길이 100-110mm, 폭 10T2mm의 리본형의 가열판을 수직으로부터 20° 경사지게 설치하였고, 하부의 가열판 지지부는 고정시키지 않고 상하로 미끄러지게 하여 가열판의 가열에 따른 팽창이 일어날 경우 하부의 지지부가 자체의 무게에 의하여 자연스럽게 아래로 이동함으로써 가열판의 열변형을 방지흩 수 있게 하였다. 또한 시편 표면을 반구면 경의 곡률 중심과 일치시키기 위하여 시편 지지부가 정밀회전할 수 있는 회전 스테이지를 설치하였으며, 전후좌우의 정밀조정을 위하여 마이크로미터가 부착된 X-Y슬라이더를 설치하였다.
5와 같이 내부 반경을 80mm로 하여 시편의 폭을 10mm 이상으로 함으로써 시편 표면의 균일 온도 구간을 넓혔다. 반구면 경의 재질은 석영 유리 로 하였고 내면은 실효반사율을 높이기 위하여 알루미늄을 증착시킨 후 SiO₂ 보호막 처리를 하였다.가공의 용이성과 측면의 이상 반사를 고려하여 반구의 끝단을 10 mm제거하여 완전반구보다 작게 제작하였으며 반구면 경의 중심으로부터 20° 경사진 위치에 시편 표면의 방 사상태를 관측하기 위한 직경 30mm의 측정구를 설치 하였다.
3은 반구면 경식 측정장치의 구성도이다. 본 측 정장치는 크게 나누어 시편지 및 조정장치부, 반구면 경 및 회전기구부, 수냉식 진공조 및 적외선 방사 측정시스템으로 구성되어 있다. Fig.
시편 표면으로부터 출사되는 모든 복사에너지를 방사계가 검출한다. 즉 시편 표면으로부터의 모든 출사 복 는 래디오시티(radiocity) 이다.
1 um이다. 임의의 조도 조건을 맞추기 위하여 샌드페이퍼로 표면을 마모시켜 표면 거칠기를 다르게 제작한 그라파이트, 연강 및 황동 각각 4개의 시편에 대하여 방사율 측정 실험을 303K에서 373K까지의 온도 영역에서 실시하였다. 측정자의 오차와 측정시의 오차를 줄이기 위하여 시편 1개당 10회 이상의 측정 실험을 하여 상, 하한값을 제외하고 나머지 측정 데이타를 산술 평균하여 Table 1~ Table 3에 나타내었다.
4는 시편 지지대를 장착한 조정장치이다. 전후좌우의 이동거리의 조정 및 측정은 0.01mm까지 가능하며 시편 지지대는 길이 100-110mm, 폭 10T2mm의 리본형의 가열판을 수직으로부터 20° 경사지게 설치하였고, 하부의 가열판 지지부는 고정시키지 않고 상하로 미끄러지게 하여 가열판의 가열에 따른 팽창이 일어날 경우 하부의 지지부가 자체의 무게에 의하여 자연스럽게 아래로 이동함으로써 가열판의 열변형을 방지흩 수 있게 하였다. 또한 시편 표면을 반구면 경의 곡률 중심과 일치시키기 위하여 시편 지지부가 정밀회전할 수 있는 회전 스테이지를 설치하였으며, 전후좌우의 정밀조정을 위하여 마이크로미터가 부착된 X-Y슬라이더를 설치하였다.
표면 거칠기는 대상물의 표면으로부터 임의로 채취한 각 부분에서의 표면 거칠기를 나타내는 파라미터인 산술평균 거칠기(Ra), 최대 높이(Ry), 요철의 평균 간격(Sm), 국부산 봉우리의 평균 간격 (S) 및 부하길이율(tp)의 각각의 산술평균값으로 정의되어지는데 (KS B 0161 ; 표면 거칠기 정의 및 표시) 본 연구에서는 Ra값을 사용 하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 표면 거칠기 시험기는 영국 테일러홉슨사의 디지털 접촉식 측정기로 측정 정밀도가 0.1 um이다. 임의의 조도 조건을 맞추기 위하여 샌드페이퍼로 표면을 마모시켜 표면 거칠기를 다르게 제작한 그라파이트, 연강 및 황동 각각 4개의 시편에 대하여 방사율 측정 실험을 303K에서 373K까지의 온도 영역에서 실시하였다.

성능/효과

또한 온도의 변화에 따른 방사율의 편차는 표면 거칠기의 변화에 따른 방사율의 편차에 비하여 비교적 작게 나타나 재료의 표면 상태 가 측정 온도보다 방사율에 미치는 영향이 큰 인자임을 알 수 있다. 동일 온도에서 표면 거칠기의 변화에 따른 그라파이트, 연강 및 황동의 방사율 변화의 정도를 비교해 본 결과 세 가지 재료 모두 표면 거칠기의 증가에 따라 방사율이 선형적으로 변하는 경향을 나타내며 고방사율 재료보다 저 방사율 재료가 표면 상태의 변화에 비교적 큰 영향을 받는 것으로 생각된다. 따라서 방사율의 정밀 측정에는 반드시 시편의 표면 거칠기를 고려하여 측정 온도와 표면 거칠기를 측정 데이타에 포함시켜야 할 것으로 판단되며, 향후 지방 사율 재료에 대한 시험데이타의 정밀도 향상 방법과 고온 영역에서의 방사율 측정 실험을 통하여 온도와 표면 거칠기가 방사율에 미치는 영향에 대한 연구가 계속되어야 하겠다.
본 연구에서 얻어진 주요한 결론은 재료의 표면거칠 기가 큰 값을 나타낼수록 열방사율이 커지는 경향이 있다는 것이다. 표면 거칠기의 영향은 고방사율 재료인 그라파이트의 경우에 저방사율 재료인 황동보다 더욱 크게 나타났으나, 또 다른 저 방사율 재료인 연강의 경우에는 비슷한 것으로 나타나고방사율 재료와 저방사 율 재료에 대한 표면 거칠기의 영향에 대한 고찰은 좀 더 많은 재료의 측정 데이터를 근거로 추론하여야 할 것으로 생각되었다.
10은 각각 그라파이트, 연강 및 황동에 대하여 303K〜 373K까지 10K마다 방사율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 세 가지 재료 모두 표면거칠기 가 증가할수록 방사율이 점차 증가하고 있는데 이는 표 면거칠기가 크면 열을 방사하는 표면적이 커져 방사강도가 커지는 것으로 판단된다. 또한 온도의 변화에 따른 방사율의 편차는 표면 거칠기의 변화에 따른 방사율의 편차에 비하여 비교적 작게 나타나 재료의 표면 상태 가 측정 온도보다 방사율에 미치는 영향이 큰 인자임을 알 수 있다.

후속연구

동일 온도에서 표면 거칠기의 변화에 따른 그라파이트, 연강 및 황동의 방사율 변화의 정도를 비교해 본 결과 세 가지 재료 모두 표면 거칠기의 증가에 따라 방사율이 선형적으로 변하는 경향을 나타내며 고방사율 재료보다 저 방사율 재료가 표면 상태의 변화에 비교적 큰 영향을 받는 것으로 생각된다. 따라서 방사율의 정밀 측정에는 반드시 시편의 표면 거칠기를 고려하여 측정 온도와 표면 거칠기를 측정 데이타에 포함시켜야 할 것으로 판단되며, 향후 지방 사율 재료에 대한 시험데이타의 정밀도 향상 방법과 고온 영역에서의 방사율 측정 실험을 통하여 온도와 표면 거칠기가 방사율에 미치는 영향에 대한 연구가 계속되어야 하겠다.
첫째로는 열방사가 갖는 에너지 측면으로서 열 설계, 열제어 등 열공학에서 광범위하게 응용되고 있으며, 둘째로는 열방사가 갖는 정보의 측면으로서 물체가 출사흐}는 열 방사의 강도로부터 물체의 온도에 관한 정보를 얻을 수 있기 때문에 온도계측의 분야에도 널리 이용된다. 따라서, 비접촉식 온도 측정만이 가능한 현장의 경우에 정확한 열방사율 값을 알아야만 정확한 온도 측정이 가능할 뿐 아니라 측정된 온도 데이타를 바탕으로 열 설계를 할 수 있을 것이다.
여러 가지 재료에 대한 측정기술과 환경조건 등이 방사율의 측정에 적합하도록 개발되어야 하며, 이것은 실험실에서는 물론 생산현장과 기타 적용분야에서 성공적으로 재현되어야 하나 이의 실현이 용이하지 않다. 특히, 열전대의 접촉 이 용이하지 않은 용접 공정 등의 경우에도 정확한 온도 측정을 위하여 방사율 측정이 응용되며, 용접 공정에서의 정확한 온도 측정이 이루어지면 용접의 품질과 온도와의 상관관계를 규명할 수 있을 것으로 생각되고, 향후 용접재료의 열방사율 측정을 통하여 데이터가 축적되면 용접부위의 사용환경에 따른 내구성 유추 등 용접제품의 열적 설계에 유용하게 이용될 수 있을 것이다.
본 연구에서 얻어진 주요한 결론은 재료의 표면거칠 기가 큰 값을 나타낼수록 열방사율이 커지는 경향이 있다는 것이다. 표면 거칠기의 영향은 고방사율 재료인 그라파이트의 경우에 저방사율 재료인 황동보다 더욱 크게 나타났으나, 또 다른 저 방사율 재료인 연강의 경우에는 비슷한 것으로 나타나고방사율 재료와 저방사 율 재료에 대한 표면 거칠기의 영향에 대한 고찰은 좀 더 많은 재료의 측정 데이터를 근거로 추론하여야 할 것으로 생각되었다. 한편, 온도에 따른 방사율의 변화보다 표면 거칠기에 따른 방사율의 변화가 더 큰 것으로 나타나 열 방사율 측정시 재료의 표면 거칠기는 고려해야 할 중요한 인자로서, 열 방사율 측정 조건에 반드시 재료의 표면 거칠기를 제시하도록 하는 것이 재현성 있는 실험을 가능하게 할 것으로 보여진다.
표면 거칠기의 영향은 고방사율 재료인 그라파이트의 경우에 저방사율 재료인 황동보다 더욱 크게 나타났으나, 또 다른 저 방사율 재료인 연강의 경우에는 비슷한 것으로 나타나고방사율 재료와 저방사 율 재료에 대한 표면 거칠기의 영향에 대한 고찰은 좀 더 많은 재료의 측정 데이터를 근거로 추론하여야 할 것으로 생각되었다. 한편, 온도에 따른 방사율의 변화보다 표면 거칠기에 따른 방사율의 변화가 더 큰 것으로 나타나 열 방사율 측정시 재료의 표면 거칠기는 고려해야 할 중요한 인자로서, 열 방사율 측정 조건에 반드시 재료의 표면 거칠기를 제시하도록 하는 것이 재현성 있는 실험을 가능하게 할 것으로 보여진다.

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