퓨리에 변환 적외선 분광기를 이용한 수직 분광 복사율 측정 장치의 제작과 측정 Construction and Measurement of Normal Spectral Emissivity Device using Fourier Transform Infrared Spectrometer원문보기
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 $200^{\circ}C{\sim}500^{\circ}C$와 $3.5{\mu}m{\sim}20{\mu}m$ 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.
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 $200^{\circ}C{\sim}500^{\circ}C$와 $3.5{\mu}m{\sim}20{\mu}m$ 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.
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 $...
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 $200^{\circ}C{\sim}500^{\circ}C$ and $3.5{\mu}m{\sim}20{\mu}m$, respectively. Measured emissivity of the reference blackbody is greater than 0.9993 with combined relative uncertainty less than 0.69%, which can be considered an ideal blackbody. We studied the emissivity of opaque alumina, graphite, anodized aluminum, and steel (IMS 200). It is shown that emissivity increases with the roughness of the steel (IMS 200) surface.
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 $200^{\circ}C{\sim}500^{\circ}C$ and $3.5{\mu}m{\sim}20{\mu}m$, respectively. Measured emissivity of the reference blackbody is greater than 0.9993 with combined relative uncertainty less than 0.69%, which can be considered an ideal blackbody. We studied the emissivity of opaque alumina, graphite, anodized aluminum, and steel (IMS 200). It is shown that emissivity increases with the roughness of the steel (IMS 200) surface.
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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.
제안 방법
SSE 란 측정할 시료의 표면적과 검출기의 면적의 차이로 발생하는 것으로, 안정적인 측정이 가능한 유효 직경을 결정하여야 측정의 정확도를 높일 수 있다.[14,15] SSE를 알아보기 위하여 광학계 안에 놓여진 조리개를 제거하고 흑체의 전면에 조리개를 설치한 후, 조리개의 크기를 바꿔가며 복사율을 측정하였다(그림 2). 그리고 다시 흑체 앞에 조리개를 제거하고 광학계 사이에 조리개를 설치한 후, 조리개의 크기를 조절하여 흑체의 유효 직경 크기를 결정하였다.
[14,15] SSE를 알아보기 위하여 광학계 안에 놓여진 조리개를 제거하고 흑체의 전면에 조리개를 설치한 후, 조리개의 크기를 바꿔가며 복사율을 측정하였다(그림 2). 그리고 다시 흑체 앞에 조리개를 제거하고 광학계 사이에 조리개를 설치한 후, 조리개의 크기를 조절하여 흑체의 유효 직경 크기를 결정하였다. 조리개에 의한 잡음 신호를 최소화하기 위하여 조리개 내부에는 일정한 온도의 물을 순환시켜 상온으로 유지하였다.
금속의 경우 시간에 따라 산화되는 정도가 다르기 때문에 산화에 따른 복사율 차이를 최소화하기 위해서 세 시료의 측정시간은 ±1초 이내로 맞추었다.
기준 흑체의 복사율 측정과 더불어 직경 2 inch 두께 2mm인 불투명한 알루미나, 흑연, 양극 처리된 알루미늄 시료의 수직 분광 복사율과, 금속(IMS200)의 표면 거칠기에 따른 복사율을 측정하였다. 기준 흑체의 유효 복사율은 대기 흡수 영역과 잡음 영역을 제외한 파장 영역에서 0.
동일 시료의 표면에 따른 복사율 변화를 알아보기 위해 금속(IMS200) 표면을 입도가 각각 320, 2000인 사포와 알루미나 파우더(0.25 μm)로 방향을 고려하지 않고 무작위로 면 처리 하였으며, 그 표면을 광학 현미경으로 12배 확대하여 그림 10에 나타내었다.
그러므로 실험 장치의 선형성과 관련된 흑체의 복사율 측정 불확도는 매우 적다고 판단된다. 따라서 위 결과를 토대로 기준 흑체의 분광 복사량을 구하였다.
대기 복사가 장파장 영역의 복사율 측정에 있어서 중요한 요소인 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 실험실내의 온도보다는 FT-IR 내의 광 경로에서의 온도를 대기의 온도로 결정하였고, 온도는 26℃이다. 이때 대기는 흑체로 간주하여 시료 표면에서 반사되는 대기 복사량을 결정하였다.
5 μm ~ 20 μm이다. 시료 가열로는 시료가 산화의 정도에 따른 복사율 측정이 가능하도록 진공과 대기에서 모두 측정하도록 제작하였다.
원통의 내벽에는 주변 온도를 제어하기 위해 thermostatic fluid bath(Thermo, Haake phonenix 2 P1) 를 사용하여 일정한 온도의 물을 순환시켰으며, 시료 표면에서 나오는 복사의 반사를 최소화 하기위해 pyromark 사의 series 2500페인트(ε > 0.95)로 도색하였다.
비 접촉식에 의한 물질의 온도를 측정하기 위해서는 온도와 파장에 따른 물질의 복사율을 알아야 한다. 이를 위해서 본절에서는 산업현장에 많이 쓰이는 알루미나 세라믹(Al2O3), 흑연(Graphite), 양극 처리된 알루미늄(Anodized Aluminum)의 수직 분광 복사율을 측정하였다.
1℃ 안정성을 보인다. 흑체의 온도는 Platinum Resistance Thermometer(PRT)로 측정하였다. 흑체의 전면에는 외부 신호를 제어하고 size of source effect(SSE)와 관련된 불확도를 측정하기 위해 조리개를 설치하였다.
흑체의 온도는 Platinum Resistance Thermometer(PRT)로 측정하였다. 흑체의 전면에는 외부 신호를 제어하고 size of source effect(SSE)와 관련된 불확도를 측정하기 위해 조리개를 설치하였다. SSE 란 측정할 시료의 표면적과 검출기의 면적의 차이로 발생하는 것으로, 안정적인 측정이 가능한 유효 직경을 결정하여야 측정의 정확도를 높일 수 있다.
대상 데이터
그림 1에서 보는 것처럼 시료 가열로 내의 물질이나 흑체에서 나온 복사신호는 광학계를 지나 퓨리에 변환 적외선 분광기(Thermo Science, Nicolet 6700)로 입사한다. 광학계는 파장 의존성이 없고 반사율이 좋은 금으로 코팅되어 있는 3개의 비축 포물경 거울(off-axis parabolic mirror)을 사용하였으며, 첫 번째 회전 거울에는 측정 대상을 결정할 수 있도록 회전 모터가 장착되어 있다. 회전 모터의 각 분해능은 최소 0.
본 연구에서 사용된 실험 장치는 퓨리에 변환 적외선 분광기를 바탕으로 광학계, 기준 흑체, 시료 가열로(sample chamber) 로 구성되어 있다(그림 1).
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. 광학계에 의해서 퓨리에 변환 적외선 분광기로 입사한 복사 신호는 분광기 내부의 KBr beam splitter를 갖는 마이켈슨 간섭계를 지나서 MCT 검출기(Mercury Cadmium Telluride detector)에 도달하게 된다.
시료 표면의 열전대는 측정할 영역의 외곽에 장착하였으며, 열전대 장착에 따른 열 손실을 최소화하기 위해 125 μm 두께를 가진 얇은 열전대를 사용하였다.
측정한 시료의 직경과 두께는 각각 2 inch, 2 mm이며, 측정한 유효 직경의 크기는 약 25 mm이다. 유효 직경 크기에 기인하는 SSE에 의한 측정 불확도는 무시할 만한 값임을 확인하였다.
측정한 파장 영역은 3.5 μm ~ 20 μm까지의 넓은 영역이고 온도 영역은 200℃ ~ 500℃까지이다.
이론/모형
25 μm)로 방향을 고려하지 않고 무작위로 면 처리 하였으며, 그 표면을 광학 현미경으로 12배 확대하여 그림 10에 나타내었다. 표면의 거칠기는 국제 표준 규격(ISO) 인 중심선 평균 거칠기(arithmetical average roughness: Ra)로 정량화 하였다(표 1).
성능/효과
52% 이하이다. 그리고 금속(IMS200)의 표면 거칠기에 따른 복사율 변화는 거칠기가 증가할수록 증가하였다. 향후, 저 온용 복사율 측정 장치에 대한 연구와 각도에 따른 물질의 복사율 변화에 대한 실험이 수행될 것이다.
기준 흑체의 복사율 측정과 더불어 직경 2 inch 두께 2mm인 불투명한 알루미나, 흑연, 양극 처리된 알루미늄 시료의 수직 분광 복사율과, 금속(IMS200)의 표면 거칠기에 따른 복사율을 측정하였다. 기준 흑체의 유효 복사율은 대기 흡수 영역과 잡음 영역을 제외한 파장 영역에서 0.9993 이상으로 거의 1에 가까운 값을 나타내고 있으며, 흑체의 분광 복사율에 대한 합성 상대 불확도는 0.69% 이하로써 물질의 분광 복사율 측정을 위한 기준 복사체의 요건을 잘 만족한다. 300℃에서 측정한 알루미나(Al2O3), 흑연(Graphite), 양극 처리된 알루미늄(Anodized Aluminium)의 수직 분광 복사율의 불확도는 4 μm, 10 μm, 17 μm의 파장대역에서 각각 3.
조리개에 의한 잡음 신호를 최소화하기 위하여 조리개 내부에는 일정한 온도의 물을 순환시켜 상온으로 유지하였다. 두 가지 방법으로 결정된 흑체의 유효 직경 크기는 동일하며, 각각의 실험에 따른 분광 복사율은 거의 같은 값을 나타내었고, 흑체의 유효 직경 크기가 20 mm 이상일 때 안정적인 복사율 측정이 가능함을 확인하였다.
본 실험결과를 바탕으로, 300℃에서 측정한 수직 분광 복사율의 합성 상대 불확도는 알루미나(Al2O3)의 경우는 4 μm, 10 μm, 17 μm의 파장 영역에서 각각 3.0%(4 μm), 0.41%(10μm), 3.52%(17 μm)이고, 흑연(Graphite)은 1.56%, 0.72%, 2.11%, 양극 처리된 알루미늄(Anodized Aluminium)은 3.42%, 0.53%, 1.28%이다.
본 연구에서, 측정한 분광 응답 함수의 온도에 따른 편차는 300℃를 기준으로 4 μm와 10 μm 파장 영역에서 0.41%이하, 그리고 17 μm 파장 영역에서 0.37%로써 실험 장치의 온도에 따른 응답 함수의 선형성은 매우 양호하다.
산화된 금속의 분광 복사율은 시간에 따라 일정하였으며, 거칠기 정도에 따라 다른 값을 나타내었는데, 5 μm 파장 영역에서 부드러운 면일수록 각각 13.7% 그리고 27.8% 정도 복사량이 감소함을 확인하였다.
그림 3은 시료 가열로의 구조도이다. 시료의 산화 방지 및 산화 과정에 따른 복사율 측정이 가능하도록 진공과 대기 모두에서 측정이 가능하며, 진공도는 10-6 torr까지 조절 가능하다. 시료 고정대에는 회전 모터가 달려있어서 각도에 따른 복사율 측정이 가능하다.
5 μm ~ 20 μm까지의 넓은 영역이고 온도 영역은 200℃ ~ 500℃까지이다. 실험결과를 바탕으로, 300℃에서 측정한 알루미나(Al2O3), 흑연(Graphite), 양극 처리된 알루미늄(Anodized Aluminium)의 수직 분광 복사율의 합성 상대 불확도는 3.52% 이하이다.
측정한 시료의 직경과 두께는 각각 2 inch, 2 mm이며, 측정한 유효 직경의 크기는 약 25 mm이다. 유효 직경 크기에 기인하는 SSE에 의한 측정 불확도는 무시할 만한 값임을 확인하였다.
후속연구
그리고 금속(IMS200)의 표면 거칠기에 따른 복사율 변화는 거칠기가 증가할수록 증가하였다. 향후, 저 온용 복사율 측정 장치에 대한 연구와 각도에 따른 물질의 복사율 변화에 대한 실험이 수행될 것이다.
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.
참고문헌 (15)
Dipl.-Ing. Lila Raj Koirala, FTIR-Spectroscopic Measurement of Directional Spectral Emissivities of Microstructed Surfaces (Helmut-Schmidt University, Hamburg, 2004), Chapter 1, 7
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
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
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
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
Siegel R. and Howell J. R, Thermal radiation heat transfer 2nd Edition (Mc Graw Hill, New Yock, 1981), pp. 107-151
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
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
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
Leonard Hanssen, Sergey Mekhontsev, and Vladimir Khromchenko, “Infrared Spectral Emissivity Characterization Facility at NIST,” Proc. SPIE, vol. 5405, no. 1, pp. 1-12, 2004
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
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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