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퓨리에 변환 적외선 분광기를 이용한 수직 분광 복사율 측정 장치의 제작과 측정
Construction and Measurement of Normal Spectral Emissivity Device using Fourier Transform Infrared Spectrometer 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.19 no.6, 2008년, pp.400 - 407  

전상호 (한남대학교 이과대학 광.전자물리학과) ,  유남준 (한남대학교 이과대학 광.전자물리학과) ,  조재흥 (한남대학교 이과대학 광.전자물리학과) ,  박철웅 (한국표준과학연구원 온도광도센터) ,  박승남 (한국표준과학연구원 온도광도센터) ,  이근우 (한국표준과학연구원 온도광도센터)

초록
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퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR)를 이용한 물질의 적외선 분광 복사율 측정 장치를 구축하고 이 장치의 성능을 평가하였다. 본 장치는 기준 흑체, 시료 가열로, 광학계, FT-IR로 구성되어 있으며, 측정 온도 및 파장 영역은 $200^{\circ}C{\sim}500^{\circ}C$$3.5{\mu}m{\sim}20{\mu}m$ 이다. 기준 흑체의 유효 복사율은 0.9993 이상으로 거의 1에 가까운 값을 나타내고 있었으며, 흑체의 분광 복사율에 대한 합성 상대 불확도는 0.69% 이하이다. $300^{\circ}C$에서 불투명한 알루미나, 흑연, 양극 처리된 알루미늄 시료의 수직 분광 복사율과, 금속(IMS200)의 표면 거칠기에 따른 복사율을 측정하였다. 금속(IMS200)의 표면 거칠기에 따른 복사율 변화는 거칠기가 증가할수록 증가하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

An Instrument to measure normal spectral emissivity is built using a Fourier Transform-Infrared (FT-IR) spectrometer. The instrument is composed of four main parts, reference blackbody, sample furnace, optics system, and FT-IR spectrometer. Measurement ranges of temperature and wavelength are $...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 물질의 적외선 분광 복사율 측정을 위하여 퓨리에 변환 적외선 분광기를 이용한 수직 분광 복사율 측정장치를 구축하였다. 장치는 기준 흑체와 시료 가열로로 구성 되어 있으며, 안정적인 측정이 가능한 온도와 파장 영역은 각각 200℃ ~ 500℃와 3.
  • 본 논문에서는 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR)를 이용한 적외선 분광 복사율 측정 장치를 기술하고, 물질의 수직 분광 복사율 및 표면 상태에 따른 복사율 변화를 측정하였다. 측정한 파장 영역은 3.
  • 두 번째와 세 번째 거울 사이에는 조리개가 설치되어 있어서 측정할 대상의 유효 직경을 결정할 수 있다. 이 조리개는 복사 신호의 size of source effect(SSE)[12-15]를 결정하기 위한 것으로, 본 연구에서는 복사 신호를 관측하는 유효 직경의 최소 크기가 20 mm 이상에서는 SSE 효과가 없음을 확인하였다. 사용한 조리개의 크기는 12 mm이고 그에 따른 측정할 대상의 유효 직경 크기는 약 25 mm이다.

가설 설정

  • (a) 기준 흑체의 분광 복사량과 이론값의 비교. (b) 분광 복사량으로부터 계산된 온도와 이론값의 차이.
  • 물질의 분광 복사율 구하기 위해서는 먼저 R(ν)과 L0(ν)를 구해야 하며, 이는 기준 흑체의 분광 신호로부터 계산한다. 이때 기준 흑체는 완전한 복사체로 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
물질의 복사율은 무엇으로 정의되는가? 복사는 대류 및 전도와 함께 열전달의 중요한 방식이다. 물질의 복사율은 흑체의 열복사량에 대한 물질의 열복사량의 비로써 정의된다.[1] 복사율은 접촉식 온도 측정이 어려운 환경, 즉, 고온, 고전압 또는 고전류 환경 하에서 물체의 온도를 측정하는 경우에 그 정확한 측정값을 요구하는 중요한 물리량이다.
정확한 복사율을 측정하는 것이 어려운 이유는 무엇인가? 이러한 중요성에도 불구하고 정확한 복사율을 측정하는 것은 여전히 많은 어려움을 안고 있다. 예를 들면, 저온 환경에서는 대기 복사를 포함한 외부 복사의 영향이 크게 작용하고, 또한 고온 환경에서는 대류와 전도에 의한 열손실로 인해서 물질의 정확한 온도 측정에 어려움이 있다. 또한 동일 물질이라 하더라도 표면의 산화된 정도나 거칠기에 따라 복사율은 다르게 측정되며,[3,4] 측정에 필요한 여러 장치들에 의한 위상차,[5,6] 검출기의 비 선형성,[7] 대기 복사의 영향, 그리고 물질과 흑체간의 동일한 환경적 배경 제공의 어려움 등은 물질의 복사율 측정에 있어 중요한 불확도 요인으로 작용한다. 이러한 어려움은 국제적인 표준 뿐 아니라 국내의 표준정립에도 큰 장애물이 되어왔다.
복사율이란 무엇인가? 물질의 복사율은 흑체의 열복사량에 대한 물질의 열복사량의 비로써 정의된다.[1] 복사율은 접촉식 온도 측정이 어려운 환경, 즉, 고온, 고전압 또는 고전류 환경 하에서 물체의 온도를 측정하는 경우에 그 정확한 측정값을 요구하는 중요한 물리량이다. 또한 날로 증가하는 적외선 건강보조 및 의료 기기 분야, 첨단산업인 반도체 분야, 복사에 의해서만 열전달이 이루어지는 우주환경에서의 실험 등, 많은 분야에서 물질의 정확한 복사율은 요구되고 있으며, 이에 대한 인식은 날로 증가하고 있다.
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참고문헌 (15)

  1. Dipl.-Ing. Lila Raj Koirala, FTIR-Spectroscopic Measurement of Directional Spectral Emissivities of Microstructed Surfaces (Helmut-Schmidt University, Hamburg, 2004), Chapter 1, 7 

  2. Laurent Ibos, Mario Marchetti, Abderrahim Boudenne, Stefan Datcu, Yves Candau, and Jean Live, “Infrared emissivity measurement device: Principle and Application,” Meas. Sci. Technol., vol. 17, no. 11, pp. 2950-2112, 2006 

  3. Leire del Campo, Radul B. Perez-Saez, Xabier Esquisabel, Ignacio Fernandez, and Manuel J. Tello, “New experimental device for infrared spectral directional emissivity measurements in a controlled envirionment,” Rev. Sci. Instrum., vol. 77, no. 11, pp. 113111-113111-8, 2006 

  4. Sonnik Clausen, “Spectral Emissivity of Surface Blackbody Calibrators,” Int. J. Thermophys, vol. 28, no. 6, pp. 2145-2154, 2007 

  5. Akiro Shimota, Hirokazu, and Shinji Kadokura, “Radiometric calibration for the airborne interferometric monitor for greenhouse gases simulator,” Appl. Opt., vol. 38, no. 3, pp. 571-576, 1999 

  6. Henry E. Revercomb, H. Buijs, Hugh B. Howell, D. D. LaPorte, William L. Smith, and L. A. Sromovsky, “Radiometric calibration of IR Fourier transform spectometers: solution to a problem with the High-Resolution Interferometer Sounder,” Appl. Opt., vol. 27, no. 15, pp. 3210-3218, 1988 

  7. Evangelos Theocharous, Juntaro Ishii, and Nigel P.Fox, “Absolute Linearity measurements on HgCdTe detectors in the infrared region,” Appl. Opt., vol. 43, no. 21, pp. 4182-4188, 2004 

  8. Kola B. O., Mulwa B., and Mate P., “A transient technique for determination of thermophysical properties in an absorbtion calorimeter,” Meas. Sci. Technol., vol. 6, no. 7, pp. 888-892, 1995 

  9. Siegel R. and Howell J. R, Thermal radiation heat transfer 2nd Edition (Mc Graw Hill, New Yock, 1981), pp. 107-151 

  10. Stierwalt D. L., Bernstein J. B., and Kirk D. D. “Measurement of the infrared spectral absorptance of optical materials,” Appl. Opt., vol. 2, no. 11, pp. 1169-1173, 1963 

  11. Raul B. Perez-Saez, Leire del Campo, and Manuel J. Tello, “Analysis of the Accuracy of methods for the Direct Measurement of Emissivity,” Int. J. Thermophys, vol. 29, no. 3, pp. 1141-1155, 2008 

  12. J. Ishii and A. Ono, “Uncertainty estimation for emissivity measurements near room temperature with a Fourier transform spectrometer,” Meas. Sci. Technol., vol. 12, no. 12, pp. 2103-2112, 2001 

  13. Leonard Hanssen, Sergey Mekhontsev, and Vladimir Khromchenko, “Infrared Spectral Emissivity Characterization Facility at NIST,” Proc. SPIE, vol. 5405, no. 1, pp. 1-12, 2004 

  14. Howard W Yoon, David W Allen, and Robert D Saunders, “Methods to reduce the size-of source effect in radiometers,” Metrologia, vol. 42, no. 2, pp. 89-96, 2005 

  15. Igor Pusnik, Goran Grgic, and Janko Drnovsek, “System for the determination of the size-of-source effect of radiation thermometers with the direct reading of temperature,” Meas. Sci. Technol., vol. 17, no. 6, pp. 1330-1336, 2006 

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