[논문]van der Pauw method를 이용한 금속도전율 표준시편 개발

강전홍; 유광민; 이상화

doi:10.5370/kiee.2013.62.11.1617

van der Pauw method를 이용한 금속도전율 표준시편 개발
Development of Conductivity Standards for Metals using the van der Pauw Method 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.11, 2013년, pp.1617 - 1620

강전홍 (Division of Physical Metrology, Korea Research Institute of Standards and Science) , 유광민 (Division of Physical Metrology, Korea Research Institute of Standards and Science) , 이상화 (Division of Physical Metrology, Korea Research Institute of Standards and Science)

Abstract ▼ AI-Helper

The widely-used measurement methods for conductivity of non-magnetic metals are van der Pauw method, Two Point Probe method and Eddy Current method. Among them a more simpler and easier method is the Eddy Current method and an instrument using the method is a Conductivity Meter which can measure a conductivity by contacting its probe on a sample surface. However, conductivity standards are essentially needed to confirm the meter's performance or to calibrate it. In this study, six kinds of the standards which are made of Cu, Al-1, Al-2, brass, Zn and SUS-316 are developed and conductivity ranges for the standards are 2.27 %IACS ~ 101.6 %IACS with measurement uncertainty of less than 0.3 %.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적인 도전율 측정기의 측정범위는 1 %IACS ∼ 110 % IACS이며, 이 측정범위에서 측정정확도와 직선성 특성을 확인하기 위해서는 1 %IACS ∼ 110% IACS 범위에 해당하는 도전율 표준시편이 필요하다. 따라서 본 연구는 Cu, Al-1, Al-2, Brass, Zn, Sus-316 등 6종류의 순도가 좋은 금속시편을 선정한 후, van der Pauw method를 이용하여 도전율 정밀평가 방법에 대하여 기술하였다. 이들 금속시편의 도전율은 국가표준으로부터 소급된 직류 전류원, 직류 전압계, 온도계 및 표준저항과 본 연구에서 개발된 van der Pauw 전극구성장치, 온도조절용 쳄버, 두께 측정장치 등을 사용하여 평가하였다.

제안 방법

따라서 본 연구는 Cu, Al-1, Al-2, Brass, Zn, Sus-316 등 6종류의 순도가 좋은 금속시편을 선정한 후, van der Pauw method를 이용하여 도전율 정밀평가 방법에 대하여 기술하였다. 이들 금속시편의 도전율은 국가표준으로부터 소급된 직류 전류원, 직류 전압계, 온도계 및 표준저항과 본 연구에서 개발된 van der Pauw 전극구성장치, 온도조절용 쳄버, 두께 측정장치 등을 사용하여 평가하였다. 또한 개발된 도전율 표준시편 값에 대한 유효성 확인은 van der Pauw method로 평가된 측정값과 도전율 측정기로 측정한 값을 비교하여 일치도를 확인하였다.

대상 데이터

연구에 사용된 도전율 표준시편용 시료는 99.9 %의 순도를 갖는 6종류(Cu, Al-1, Al-2, Brass, Zn, CUS-316)를 선정하여 약 100 mm × 100 mm × 7 mm 와 비슷한 크기의 정사각형 구조로 정밀 가공하였다. 시편의 두께를 일정하게 가공하여야 식 (1)에서처럼 시편 두께에 따른 측정 불확도를 줄일 수 있다.

데이터처리

이들 금속시편의 도전율은 국가표준으로부터 소급된 직류 전류원, 직류 전압계, 온도계 및 표준저항과 본 연구에서 개발된 van der Pauw 전극구성장치, 온도조절용 쳄버, 두께 측정장치 등을 사용하여 평가하였다. 또한 개발된 도전율 표준시편 값에 대한 유효성 확인은 van der Pauw method로 평가된 측정값과 도전율 측정기로 측정한 값을 비교하여 일치도를 확인하였다.

성능/효과

본 연구에서 개발된 금속 도전율 표준시편은 6종류(Cu, AL-1, AL-2, Brass, Zn, SUS-316)로서 도전율 측정기를 교정하거나 성능을 확인하기 위한 용도로 사용된다. 개발된 도전율 표준시편의 범위는 약 2.268 %IACS ∼ 101.6 %IACS이며, 측정 불확도는 0.2 % ∼ 0.3 %로 평가되었다. 따라서 일반적으로 사용되는 도전율 측정기의 정확도는 0.
3 %로 평가되었다. 따라서 일반적으로 사용되는 도전율 측정기의 정확도는 0.5 %정도이므로 본 연구에서 개발된 도전율 표준시편은 교정용 표준시편으로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 그 동안 교정에 사용되는 도전율 표준시편은 주로 외국의 도전율 측정기 제조사에서 제공되는 시편을 사용하였으나 향후에는 본 연구에서 개발된 표준시편으로 대체할 수도 있다.

후속연구

5 %정도이므로 본 연구에서 개발된 도전율 표준시편은 교정용 표준시편으로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 그 동안 교정에 사용되는 도전율 표준시편은 주로 외국의 도전율 측정기 제조사에서 제공되는 시편을 사용하였으나 향후에는 본 연구에서 개발된 표준시편으로 대체할 수도 있다. 또한 표준시편의 장기안정도와 재현성 등의 주기적인 평가를 통하여 표준 시편에 대한 특성을 추적할 필요도 있다.
또한 그 동안 교정에 사용되는 도전율 표준시편은 주로 외국의 도전율 측정기 제조사에서 제공되는 시편을 사용하였으나 향후에는 본 연구에서 개발된 표준시편으로 대체할 수도 있다. 또한 표준시편의 장기안정도와 재현성 등의 주기적인 평가를 통하여 표준 시편에 대한 특성을 추적할 필요도 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금속 도전율의 표준은?	전력산업에서 고전압 및 대전류 차단기의 스위칭 소재로 주로 사용되는 비철금속은 도전율 특성이 매우 중요시되고 있으며, 가장 많이 사용되는 금속은 구리(Cu)와 알루미늄(Al) 등이다. 금속 도전율의 표준은 시험온도 20 ℃, 길이100 cm, 1 mm2의 일정한 단면적을 가진 구리선의 저항이 1/58 Ω이며, 이때의 비저항(p)은 1.7241 μΩᐧcm 이다. 이것을 100 %IACS (International Annealed Copper Standard)로 정의[1][2]하고, 이 값을 기준으로 구리 외에 각종 금속의 도전율을 평가하며 직류기술[3]을 이용한다.
	비철금속의 평가방법은?	철금속과 비철금속 등 다양한 종류의 금속재료들은 선박 및 항공우주산업, 국방산업을 비롯한 많은 분야에서 널리 사용되고 있으며, 용도에 따라 도전율 특성이 요구된다. 각종 금속의 도전율 특성은 철금속의 경우에는 주로 Two Point Probe method로, 비철금속의 경우에는 시편의 형태에 따라 Two Point Probe method, van der Pauw method, Eddy Current method 등으로 평가한다. 비철금속의 도전율 평가방법중 Two Point Probe method나 van der Pauw method는 시편의 단면적이 도전율 계산시에 곧바로 적용되므로 시편의 두께와 폭을 균일하게 가공하여야 시편의 단면적에 의한 측정 불확도를 줄일 수 있다.

참고문헌 (9)

A. Jones, "Development of Non-ferrous Conductivity Standards at Boeing", Eddy Current Nondestructive Testing, NBS special publication 589, Jan. 1981.
A. Jones, Sr., Eddy-Current Characterization of Materials and Structure, ASTM STP 722, American Society of Testing and Materials, pp. 94-118, 1981.
Michael D. Janezic, "DC Conductivity Measurements of Metals", NIST Technical Note 1531, Jan. 2004.
van der Pauw, "A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape", Philips Res. Rep., Vol. 13, pp.1-9, 1958.
Gert Rietveld, DC Conductivity Measurements in the van der Pauw Geometry, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 52. No. 2, April 2003.

상세보기
Patentee: Jeon Hong Kang, Patent No. 10-0653576 : "METAL CONDUCTIVITY MEASUREMENT ELECTRODE AND TEMPERATURE CONTROLLER USING van der Pauw METHOD"
Patentee:: Jeon Hong Kang, Patent No. 10-0749388, "APPARATUS FOR MEASURING THE THICKNESS OF PLATE AND CIRCLE TYPE SAMPLE",
ISO/IEC GUIDE 98-3:2008, Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995).
EA-4/02, "Expression the uncertainty of measurement in calibration", 1999.

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