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문제 정의
- 이번 연구에서는 최근 많이 사용하고 있는 Laser flash method의 LFA-447 기기와 자체 제작한 Divided-bar apparatus의 장비 비교를 통해 장단점을 비교 분석하고자 하였다.
제안 방법
- Laser flash metod에서 사용한 동일한 표준시료 BCR-724(pyroceiam9606)를 두께가 다르게 여러 개의 시료를 측정하여 구할 수 있다. 측정 기기의 저온 실린더에 10℃, 고온실린더에 40℃를 유지시켜 측정하였다.
- laser flash method와 divided-bar method의 장단점에 대해 분석해 보았다.
- 암석 시료를 두 기기를 이용 측정하여 그 결과를 비교 분석하였다. 실험에 사용된 암석 시료는 공극률이 큰 화산암류로 조면암과 응회암, 현무암을 이용하였다.
- 실험에 사용된 암석 시료는 공극률이 큰 화산암류로 조면암과 응회암, 현무암을 이용하였다.측정방법은 Laser flash method가 비접촉식으로 시료표면에 Laser pulse> 주사하기 때문에 반대 면에서주사할 때와의 차이는 없는 지 알아 보기 위하여 1차 측정 후 다시 반대 면으로 돌려서 측정하였으며, 12개 시료와 표준시료까지 측정한 후 다시 2차로 같은 방법으로 측정하였다. 좀 더 많이 측정하는 것이 좋으나 앞에서 언급한 바와 같이 시료 표면에 graphite 코팅을 해야 하므로 2차 측정 시에는 gmphite가이 시료에 흡수되어 이에 대한 영향이 커질 수 있어 더 이상 측정은 어려웠다.
- 시료의 밀도와 공극률은 암석 시료를 103℃의 건조 오븐에 24시간 이상 건조하여 무게를 측정하고, 다시 1기압 진공 오븐에 시료를 물에 담그고 48시간 동안 함수 시킨 후 무게와 물속에서 시료 무게를 측정한 후 부피를 계산하여 구하였다. 비록 같은 시료이지만 두께에 따라 약간의 물성 차이가 있다.
- 이는 공극의 위치와 광물의 편중 등 여러가지 이유가 있을 것으로 판단되며, 얇은 두께의 시료 보다는 두꺼운 시료가 좀더 대표성이 있을 것으로 판단된다. 약간의 물성차이는 있지만 두 기기의 열전도도 측정값을 비교해 보았다.
- 이번 실험에서 좀 더 광범위하고 다양한 암석을 이용하였으면 하는 아쉬움이 있지만 암석의 특성 중 공극률이 높은 경우의 기기 적용성을 테스트하는 것이 목적이었기 때문에 밀도가 낮고 열전도도가 낮은 암석을 선택했다. 지금까지 제주도나 울릉도의 화산암 같이 공극이 큰 암석의 열전도도 측정이 어려웠다.
대상 데이터
- 5는 자체 제작한 Divided-bar apparatus 이다. 직경 10 cm, 높이 10cm의 상하부 실린더를 제작하였고 siacei는 열전도도가 0.21 - 0.25 W/mK인 polycarbonate 재질의 25.4 mm 직경에 1 mm 디스크를 제작하여 삽입하였다. spacer 양쪽에는 구리 재질로 만든 25.
- thermaoouple과 thermister 가 있는데 전자는 열팽창이 다른 두 금속선을 센서로 주로 고온(수백%: 이상)에서 사용하며, 후자는 열에 따라 저항이 변하는 센서로 저온(1001 이내)에서 주로 사용한다. 자체 제작된 기기에서는 thermister 종류로서 정밀도가 높은 pt-100 센서를 사용하였다. 온도센서를 datalogger에 연결하여 컴퓨터에서 온도신호를 받을 수 있게 하였다.
- 분석하였다. 실험에 사용된 암석 시료는 공극률이 큰 화산암류로 조면암과 응회암, 현무암을 이용하였다.측정방법은 Laser flash method가 비접촉식으로 시료표면에 Laser pulse> 주사하기 때문에 반대 면에서주사할 때와의 차이는 없는 지 알아 보기 위하여 1차 측정 후 다시 반대 면으로 돌려서 측정하였으며, 12개 시료와 표준시료까지 측정한 후 다시 2차로 같은 방법으로 측정하였다.
- 결과이다. 공극률에 대한 두 기기의 정밀도 및 재현성의 문제가없는지 비교해 보기위하여 공극률이 다양한 시료 12 개와 표준시료를 선택하였다.
- 또한 Laser flash method에서 사용한시료를 Divided-bar method에 이용할 때 접촉식이므로 압력을 10 kg血2로 가해주는데 이때 시료가 얇고 약해 잘 부서져 다시 시료 성형을 해야 하는 문제가있었다. 그러므로 실험에 사용된 시료는 암석을 직경25 mm로 코어링하여 Laser flash method를 이용하기 위한 3 mm 두께의 시료와 divided-bar method를 이용할 시료 13 ~ 17 mm 두께 시료를 만들었다.
이론/모형
- Laser flash를 이용하여 암석의 열확산률을 산출하는 원리는 Parker et al(1961)에 의해 제안되었으며, 독일 Netzsch사에서 개발한 LFA-447 (Fig. 1)모델 기기에 대하여 분석하였다.
- 1. Schematic of the LFA-447 based on the laser flash method.
- 8. Porosity versus standard deviation of thermal conductivity values measured by the laser flash method and the divided-bar method.
- 9. Difference between thermal conductivities of the foce and back of samples measured by the laser flash method and the divided-bar method.
- 이번 연구는 한국지질자원연구원 기본사업인 저온지열 열병합 발전에 활용 가능한 심부 지열수 자워 확보 기술 개발 사업(GP2009-16)의 지원으로 수행되었으며, 독일 Netzsch사의 LFA447 사용설명서와 Crustal Heat Flow(Beardsmore & Cull, 2001) 책을 위주로 기기 원리 및 이론을 인용하였다. 끝으로 암석시료 채취에 수고해주신 이병태 선생님께 감사드린다.
성능/효과
- (5) 시료 표면의 가열시간은 열이 시료 표면에서 후면까지 전달되는 시간보다 충분히 짧아야 한다.
- 6은 divided-bar apparatus로 측정한 온도함수WT1+Te 열저항 #의 관계를 나타낸 그래프이다. 각 두께에 대한 온도변화에서 계산된 온도함수에 대한 열저항값을 도시하여 회기분석한 결과 8개의 시료의 선형회귀분석 상관계수(R2)는 0.9998을 보였으며, 1/C= 8.2118, 접촉저항(R)은 0.1347로 계산되었다.
- 9는 암석시료를 1차 측정 후 동일 시료를 위아래를 바꾸어 2차 측정하는 방법으로 2회씩 측정한 결과로 1, 2차 측정값의 차이를 평균한 값을 도시한 것이다. Fig. 9에서 볼 수 있는 바와 같이 Laser flash method에서 측정된 값은 0.001 - 0.140 W/mK 범위로 나타났으며, Divided-bar method에서 측정된 값은0.001 ~ 0.016 WmK 으로 Laser flash method에서측정된 값보다 안정된 값을 보였다. 이는 Laser pulse로 열을 가했을 때 시료 전면부와 후면부의 표면이 광물 조성이나 공극의 분포가 다를 경우 열전달이 반사및 산란 작용으로 인한 오차가 발생할 것으로 판단되며, Divided-lgr method 경우 시료 양면에 밀착되어 열을 전달하므로 laser pulse로 열을 주사하는 것보다 안정된 값을 보이는 것으로 판단된다.
- 지금까지 제주도나 울릉도의 화산암 같이 공극이 큰 암석의 열전도도 측정이 어려웠다. 그러나Divided-bar apparatus를 자체 제작하여 테스트한 결과암석 시료 측정에 적합하다는 결론을 얻었다.
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