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문제 정의
- 본 논문에서는 적외선 검출기 검보정시의 기준기로 사용된 대구경흑체(FABB, full aperture black body)의 설계, 제작 및 검증 과정 및 결과를 기술하였다.
- 하지만, 사용된 적외선 카메라(그림 8)는 ±2 ℃ 또는 ±2 %의 정확도를 갖기 때문에 저항온도센서의 측정 결과에 비해 상대적으로 부정확하며, 온도 분포의 경향을 파악하는 데에 그 목적이 있다.
제안 방법
- 대구경흑체의 온도 분포는 구리판의 두께, 구리판에 용접된 구리 튜브의 치수 및 구리 튜브의 배치 형상에 따라 달라질 수 있으므로, 열유동 해석을 통해 최적의 형상을 도출하였다. 구리판의 두께가 증가하면 온도 균일도는 향상되지만, 열하중이 증가하는 단점이 있다.
- 구리판의 두께가 증가하면 온도 균일도는 향상되지만, 열하중이 증가하는 단점이 있다. 따라서 다양한 구리판 두께에 대해 해석을 수행하여 두께를 결정하였으며, 유동 채널수를 하나로 제한할 경우도 온도 균일도 관점에서 좋지 않기 때문에 유동 채널을 양 쪽 두 곳으로 적용하였다. 또한 공급 유체는 진공챔버 내에서 누설이 발생할 경우에도 광학계를 오염시키지 않아야 하기 때문에 질소 가스를 택하였다.
- 방사율을 최대화하기 위한 흑체의 형태는 육면체에 홀이 있는 암실 형태, V-groove를 원주 방향으로 갖는 판 형태[1], 수직 반사를 피하기 위한 cone 형태, 반사면을 여러 개 두어 빛의 경로를 복잡하게 둔 형태 등 다양하지만, 온도 균일도를 가장 높이면서 공간적인 제약을 최소화할 수 있도록, 판에 하니콤 코아를 부착한 것을 선정하였다.
- 여러 경우에 대한 해석 결과로부터, 8 mm 두께의 구리판에 외경 12.7 mm의 구리 튜브를 용접하고, 온도 균일도 향상을 위해 5 bar(a)의 질소 가스를 양쪽 끝 두 채널에서 cross flow로 공급하는 조건을 도출하였다. NX8.
- 한국항공우주연구원의 광학열진공챔버(직경 4미터, 길이 10미터) 내에 진공환경에 적합하도록 상용 적외선 카메라(FLIR SC305)를 개조한 뒤 설치하여, 대구경흑체의 열광학적 성능을 검증하였다. 1.
- 한국항공우주연구원의 베이크아웃 챔버를 이용하여, 1.33×10 -3 Pa 이하의 압력과 90 ℃ 온도 에서 48시간 이상 베이크아웃을 수행하였다.
대상 데이터
- 1.33×10-4 Pa 이하의 압력에서 대구경 흑체의 온도를 질소 가스를 이용하여 -40 ℃부터 +40 ℃까지 10 ℃ 간격으로 변화시키며 저항온도센서(PT100) 20개(그림 6)와 적외선 카메라를 이용해 데이터를 획득하였다.
- 재질은 표면 온도 균일도를 높이기 위해 열전도율이 높은 구리판으로 선정하였고, 설정 온도의 질소 가스를 흐르게 하여 구리판의 온도를 조절할 수 있도록 구리 튜브를 뒷면에 용접하였다. 앞면에는 표면 방사율을 높이기 위해 알루미늄 하니콤 코아(aluminum honeycomb core)를 구리판에 부착하였으며 앞면 전체에 블랙페인트를 분무하여 도포하였다.
- 진공챔버 내에 설치한 적외선 카메라를 이용 하여 +40 ℃에서 측정 한계인 -20 ℃까지 대구경 흑체에 대한 적외선 이미지를 획득하였다.(그림 10, 11) 표현 온도범위를 4 ℃로 통일한 그림 10으로부터, 상온(20 ℃)에서의 온도 분포가 가장 균일하고, 상온에서 온도가 멀어질수록 온도 균일도가 낮아짐을 확인하였다.
이론/모형
- 적외선 검출기에 대한 검보정은 진공환경에서 수행되기 때문에, 열해석 조건으로 대류열전달은 무시하였다. 경계 조건으로 대구경흑체를 제외한 주변 환경은 모두 상온(20 ℃)을 적용하였으며, 해석 방법으로는 유한요소법을 적용하였다. 열유동해석시 적용한 경계 조건 및 물성치는 그림 3과 같다.
- 앞면에는 표면 방사율을 높이기 위해 알루미늄 하니콤 코아(aluminum honeycomb core)를 구리판에 부착하였으며 앞면 전체에 블랙페인트를 분무하여 도포하였다. 구리 튜브가 용접된 뒷면에는 진공환경에서 열손실을 최소화하기 위하여 MLI(Multi Layer Insulation)를 적용하였다. 대구 경흑체의 구성품 사양 및 형상은 표 2 및 그림 2 와 같다.
- 대구경흑체 표면의 방사율 측정은 ASTM E408-71[2] 문서의 B방법에 준하여 표면에서 복사되는 에너지를 직접 측정하는 방식으로 수행되었다. 대구경흑체에는 항온 순환 수조에서 공급되는 40 ℃의 물을 순환시켜 대구경흑체의 온도를 약 40 ℃에서 균일하게 유지하고, 분광복사기 (CI systems SR-5000)를 사용하여 0.
성능/효과
- 진공챔버 내에 설치한 적외선 카메라를 이용 하여 +40 ℃에서 측정 한계인 -20 ℃까지 대구경 흑체에 대한 적외선 이미지를 획득하였다.(그림 10, 11) 표현 온도범위를 4 ℃로 통일한 그림 10으로부터, 상온(20 ℃)에서의 온도 분포가 가장 균일하고, 상온에서 온도가 멀어질수록 온도 균일도가 낮아짐을 확인하였다.
- 33×10 -3 Pa 이하의 압력과 90 ℃ 온도 에서 48시간 이상 베이크아웃을 수행하였다.(그림 5) TQCM(Thermoelectric Quartz Crystal Micro balance)의 석영 박막을 -20 ℃로 유지하며 측정한 최종 질량흡착률(background 포함)은 1,956 ng/cm 2 /hr로 오염관점에서 문제가 없음을 확인하였다.
- 광학열진공챔버와 적외선 카메라를 이용한 열광학 검증 시험을 통해 한국항공우주연구원 우주 환경시험팀에서 개발한 대구경흑체의 표면방사율, 온도 조절 범위, 온도 균일도 측정 결과가 요구조건을 모두 만족함을 확인하였다. 개발된 대구경흑체는 2013년 5월에 적외선 탑재체에 대한 검출기 검보정 시험시 성공적으로 적용되어 그 목적을 달성하였다.
- 온도질소 공급 채널 중 한 채널은 가장 외각(그림 3의 파란색 화살표)에, 다른 채널은 상대적으로 내부쪽(그림 3의 붉은색 화살표)에 위치하기 때문에 온도 분포는 비대칭을 나타내었다. 대구경흑체 표면 온도에 대한 해석 결과는 중심 80% 영역에서 요구조건인 2 K 이내의 온도 균일도 요구조건을 만족함을 확인하였다.
- 대구경흑체 표면의 방사율 측정은 ASTM E408-71[2] 문서의 B방법에 준하여 표면에서 복사되는 에너지를 직접 측정하는 방식으로 수행되었다. 대구경흑체에는 항온 순환 수조에서 공급되는 40 ℃의 물을 순환시켜 대구경흑체의 온도를 약 40 ℃에서 균일하게 유지하고, 분광복사기 (CI systems SR-5000)를 사용하여 0.975의 방사율 값을 획득하여 요구조건인 0.95 이상을 만족함을 확인하였다.
- 제작이 완료된 대구경흑체에 대하여 15 bar(g)의 질소가스를 이용한 가압시험과 헬륨 가스와 헬륨누설검출기를 이용한 누설 검사를 수행하여 누설 부분이 없음을 확인하였다.
- 하지만, 적외선 카메라를 이용한 온도 분포 측정의 경우, 측정 온도가 카메라의 측정 온도 한계(-20 ℃)에 가까워질수록 저항온도센서 측정 결과와 비교하여 오차가 증가하였으며, 이를 통해 측정 한계 온도에서의 적외선 이미지 측정 결과의 정확도에는 한계가 있음을 확인하였다.
후속연구
- 실제 시험기간 동안 적외선 광학계와 마주보는 대구경흑체에 대하여 베이크아웃(bake-out)을 통해 표면의 오염 물질을 최대한 제거한 후, 최종 탈기체율을 측정하여 오염 관점에서 문제가 없는지 검증하여야 한다.
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