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문제 정의
- 본 연구에서는 100 K 이하의 온도 범위에서 정확한 열 접촉저항을 측정하기 위하여 정상상태법을 이용한 열 접촉저항 측정 장비를 개발하였다. 액체헬륨, 액체질소와 같은 특정한 냉매를 대신하여 극저온 냉동기(모델：CTI 350)를 냉매로 사용하여 보다 넓은 온도 범위에서 측정할 수 있도록 하였고, 또한 접촉 압력을 조절하여 시편의 접촉 압력이 열 접촉저항에 미치는 영향을 알아 볼 수 있도록 하였다.
제안 방법
- 또한 Ruiping Xu et al.(6) 역시 액체질소를 냉매로 사용하여 알루미늄과 스테인리스강의 열 접촉저항을 155～210 K 온도 범위에서 측정하였다. 이처럼 많은 열 접촉저항의 연구들이 액체질소와 상온 사이의 온도범위에서 수행되었다.
- 구리와 구리 사이에 다양한 계면재료를 삽입하였을때 열 접촉저항에 미치는 영향을 알아보기 위해서 인듐시트, 절연시트, 써멀그리스, 그리고 N 그리스를 삽입하여 열 접촉저항을 측정하였다. Fig.
- 극저온 냉동기를 흡열원(Heat Sink)으로 사용하였으며 냉동기의 1단 냉동부는 구리로 만들어진 연결부를 통해 시편 고정용 구리블록 및 시편과 열적으로 연결하였다. 그리고 두 개의 열 차폐층을 설치하고 1단 열 차폐층에는 20장의 MLI(Multiple layer insulation)를 설치하여 외부로부터의 복사열침입을 최소화하여 보다 낮은 온도에서 실험이 가능하도록 하였다. 진공용기의 옆면에는 진공펌프 연결을 위한 포트를 달았고 상판에는 온도측정 및 히터의 전류공급을 위한 진공 커넥터를 설치하였다.
- 1은 열 접촉저항의 측정을 위한 실험장치의 전체적인 개략도이다. 극저온 냉동기를 흡열원(Heat Sink)으로 사용하였으며 냉동기의 1단 냉동부는 구리로 만들어진 연결부를 통해 시편 고정용 구리블록 및 시편과 열적으로 연결하였다. 그리고 두 개의 열 차폐층을 설치하고 1단 열 차폐층에는 20장의 MLI(Multiple layer insulation)를 설치하여 외부로부터의 복사열침입을 최소화하여 보다 낮은 온도에서 실험이 가능하도록 하였다.
- 극저온 냉동기를 흡열원으로 다양한 온도 범위에서 정상상태법을 이용하여 구리와 구리 사이의 접촉면에서 열 접촉저항을 측정하였다. 열 접촉저항은 온도와 접촉 압력이 증가함에 따라 감소하였다.
- 그 다음에 히터 1의 전원을 차단한 후 히터 2를 이용하여 시스템의 온도를 다음 실험을 위한 온도까지 상승시켜 주었다. 마지막으로 시스템의 온도가 정상상태에 도달한 후에 첫번째 단계와 같은 방법으로 다시 히터 1을 이용하여 실험하였다. 각 센서들의 온도 변화가 분당 10 mK이하 일 때 시스템의 온도가 정상상태에 도달하였다고 판단하였다.
- 8 mm, 깊이 6 mm의 6개의 홈이 있다. 보다 정확한 온도측정을 위해서 Varnish(GE-7031)를 이용해 PT 센서(Platinum thermometer sensor)를 홈에 삽입하여 설치하였다. 구리블록과 시편 및 볼트는 조립하기에 앞서 불순물 제거를 위해 에탄올 이용하여 깨끗하게 세척하였다.
- 구리블록과 시편 및 볼트는 조립하기에 앞서 불순물 제거를 위해 에탄올 이용하여 깨끗하게 세척하였다. 시편 사이에는 히터 1을 설치하여 히터의 열량에 따른 시편의 온도 변화를 측정하였다. 또한 구리블록 상단에는 온도조절용 히터 2를 설치하여 보다 넓은 온도 범위에서 측정할 수 있도록 하였으며 시스템의 온도는 구리블록과 시편의 온도를 의미한다.
- 온도센서의 온도측정 및 데이터 수집을 위해서 온도모니터(Lakeshore 218 temperature monitor)를 사용하였다. 실험을 통해 측정된 값은 LabviewTM의 GPIB 통신 모듈을 통해 매 30초 마다 자동적으로 컴퓨터에 저장하였다.
- 본 연구에서는 100 K 이하의 온도 범위에서 정확한 열 접촉저항을 측정하기 위하여 정상상태법을 이용한 열 접촉저항 측정 장비를 개발하였다. 액체헬륨, 액체질소와 같은 특정한 냉매를 대신하여 극저온 냉동기(모델：CTI 350)를 냉매로 사용하여 보다 넓은 온도 범위에서 측정할 수 있도록 하였고, 또한 접촉 압력을 조절하여 시편의 접촉 압력이 열 접촉저항에 미치는 영향을 알아 볼 수 있도록 하였다. 열 접촉저항 측정장치의 구조 및 설계 그리고 온도, 접촉압력, 그리고 계면재료에 의한 열 접촉저항의 변화를 살펴보았다.
- 액체헬륨, 액체질소와 같은 특정한 냉매를 대신하여 극저온 냉동기(모델：CTI 350)를 냉매로 사용하여 보다 넓은 온도 범위에서 측정할 수 있도록 하였고, 또한 접촉 압력을 조절하여 시편의 접촉 압력이 열 접촉저항에 미치는 영향을 알아 볼 수 있도록 하였다. 열 접촉저항 측정장치의 구조 및 설계 그리고 온도, 접촉압력, 그리고 계면재료에 의한 열 접촉저항의 변화를 살펴보았다.
- 6은 시편의 접촉 압력이 7 MPa일 때, 히터 1과 2의 열 부하에 따른 구리블록과 시편의 온도 변화를 보여준다. 측정 방법은 우선 시스템의 온도가 최저온도에 도달한 후 히터 1에 공급되는 열량을 0 부터 1 W까지 0.2 W의 간격으로 조절하였다. 그 다음에 히터 1의 전원을 차단한 후 히터 2를 이용하여 시스템의 온도를 다음 실험을 위한 온도까지 상승시켜 주었다.
- 2 W의 간격으로 시편에 열을 공급하였다. 히터 2 역시 소형 직류 전원 공급기(Agilent Technologies N5772A)를 이용하여 열량을 조절하였으며 시스템 온도를 35～100 K으로 조절하였다. Fig.
대상 데이터
- 3은열 접촉저항 측정을 위한 시편과 구리블록 히터 그리고 온도 센서가 조립된 사진이다. 온도 측정과 데이터 획득을 위한 계측선으로 낮은 열전도도를 갖는 망가닌선을 사용하였다. 비록 망가닌선의 열전도도가 낮지만 그 수가 많고 히터는 구리선으로 연결되어 있기 때문에 구리블록의 상판에 중간 냉각을 위한 앵커를 설치하여 계측선에 의한 열 침입을 최소화 하였다.
- 히터는 비교적 높은 저항값을 갖는 니크롬선을 이용하여 제작하였다. 히터 1은 소형 직류 전원공급기(Extech instruments 382202)를 이용하여 열량을 조절하였으며, 0 W부터 1 W까지 0.
이론/모형
- Dongmei Bi 등의 연구(3)에서는 스테인리스강, 구리 그리고 AIN(Aluminum Nitride)를 시편으로 과도상태법의 하나인 LPM(Laser Photothermal method)방법을 이용하여 열 접촉저항을 측정하였으며 Tetsuya Baba et al.(4)은 유리 탄소(Glass carbon)의 열 접촉 저항을 레이저 플래시 방법으로 측정하였다. 과도상태법을 사용한 열 접촉저항 측정실험은 정상상태법과 비교하여 비교적 짧은 시간에 실험할 수 있다는 장점이 있지만 열 공급을 위한 발열부가 시편과 직접적으로 접촉되어 있지 않기 때문에 정확한 열 부하의 조절이 어려우며 측정값의 정확성과 신뢰도가 정상상태법에 비해 비교적 낮다는 단점이 있다.
- 5는 시편의 접촉압력이 7 MPa 일 때, 열 접촉저항 측정장치 내부의 T1-T6 온도센서의 초기 냉각곡선이다. 시편의 접촉압력은 토크값을 변환식을 이용하여 압력으로 변환하였다(10). T1은 극저온냉동기의 1단 냉동부, T2는 2단 열 차폐층 하단부의 온도를 나타낸다.
성능/효과
- 특히 인듐시트를 사용했을 때 열 접촉저항의 감소율은 계면재료를 사용하지 않았을 때와 비교하여 40 K에서 약 63%로 가장 큰 감소율을 보였다. 또한 온도가 증가함에 따라 열 접촉저항의 감소율 또한 증가하여 액체질소 온도에서는 약 86%의 감소율을 보였다. 이러한 데이터는 극저온 환경에서의 기본적인 열 물성측정 연구에 유용할 것이라고 생각하며, 향후 다양한 극저온 장치의 개발에 사용될 예정이다.
- 88×10-5 m2K/W이었다. 실험을 통해 측정된 데이터와 June Yu의 실험 결과 데이터를 함께 비교하였을 때, 접촉압력이 증가함에 따라 열 접촉 저항이 감소하는 것을 알 수 있다. Fig.
- 써멀그리스, N 그리스 그리고 인듐 시트를 계면재료로 삽입하였을 때 열 접촉저항은 감소하였다. 특히 인듐시트를 사용했을 때 열 접촉저항의 감소율은 계면재료를 사용하지 않았을 때와 비교하여 40 K에서 약 63%로 가장 큰 감소율을 보였다. 또한 온도가 증가함에 따라 열 접촉저항의 감소율 또한 증가하여 액체질소 온도에서는 약 86%의 감소율을 보였다.
- 각 센서들의 온도 변화가 분당 10 mK이하 일 때 시스템의 온도가 정상상태에 도달하였다고 판단하였다. 히터 1과 히터 2에 각각 12 W, 0.2 W의 열량을 공급하여 정상상태에 도달하였을 때 T3과 T6의 온도는 각각 82.39, 82.42 K이었고 T4와 T5는 각각 82.92, 82.99 K으로 히터를 중심으로 시편의 대칭성을 확인하였다. 히터 1의 열량이 커질수록 온도 차이는 증가함을 알 수 있다.
- 2에 자세히 표시하였다. 히터를 중심으로 두 개의 시편이 대칭을 이루고 있어 히터가 외부로 노출 부분이 적기 때문에 시편 한쪽에 히터를 사용할 때보다 외부로의 열손실을 최소화하여 시편으로의 열전달량의 정확성을 높였다.
후속연구
- 또한 온도가 증가함에 따라 열 접촉저항의 감소율 또한 증가하여 액체질소 온도에서는 약 86%의 감소율을 보였다. 이러한 데이터는 극저온 환경에서의 기본적인 열 물성측정 연구에 유용할 것이라고 생각하며, 향후 다양한 극저온 장치의 개발에 사용될 예정이다.
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