[논문]금속 전기비저항의 정밀측정에 관한 연구

강전홍; 유광민; 김한준; 한상옥; 박강식; 이세현

문제 정의

보다 큰 전류를 공급하여 측정해야 한다. 따라서 본 연구는 FPP방법을 금속의 비저항 측정에 적용하기 위하여 DC 10 A 까지 사용 가능한 probe (probe spacing: 5.0 mm)> 제작하여 dual configuration 기술을 적용하여 비저항을 측정하였다. 측정결과에서 비저항 측정결과는 표 5에 나타냈으며, 측정 불확도 분석 결과를 표 6에 나타냈다.
마지막으로 eddy current 방법은 교류자장에 의해 기전력이 유도되는 원리를 적용한 conductivity meter를 사용하여 비저항(도전율)을 측정하는 방법으로 이것은 재료의 표면효과 및 교류전류 효과로 인하여 측정의 정확도가 떨어지는 단점이 있지만 비자성 금속의 도전율 측정에 가장 간편하고 쉽게 사용되는 방법이다. 따라서 본 연구는 국가표준으로부터 소급성이 유지된 전류원 및 전압계 등의 측정기들을 사용하여 이들 각각에 대한 전기 비저항(도전율) 정밀측정 방법에 대하여 논하고 그 측정 결과를 비교 분석하였다.

가설 설정

1. 시료의 두께는 전기 비저항 측정에 있어서 정말.정확도 및 측정 불확도에 밀접한 관계가 있으므로 정밀 가공이 요구된다.

제안 방법

국가표준으로부터 소급성이 유지된 측정기기(전류원, 전압계, 표준저항 둥)를 사용하여 ASTM 및 KSM의 시험 규격에 따라 금속 전기 비저항을 정밀측정 하였으며, 그 결론은 다음과 같다[5].
전극 C와 D는 시료의 두 지점 전극 길이 (L)의 전위차롤 정확하게 측정하기 위하여 knife edge 전극으로 제작하였고, 필요에 따라 전극의 길이(L)도 좌우로 조절 되도록 하였다. 그리고 knife edge전극이 시료의 표면에 수직방향으로 접촉되도록 설계하여 전위차 측정은 물론 전극 길이(L)를 정확하게 측정할 수 있도록 하였다. 시료의 두께)와 전극의 길이0)는 국가 표준으로부터 소급성이 유지된 gage block을 사용하여 0.
이것은 시료에 공급되고 있는 전류밀도가 고르지 않기 때문에 나타나는 현상으로 추정되며, 전극 C와 D간의 평균 전위차를 측정하기 위해서는 knife edge 전극을 사용하여야 정확한 측정을 할 수 있다. 또한 본 실험에 사용된 모든 측정기는 제작사에서 권하는 예열 시간(4시간)을 준수하여 측정 하였으며, offset에 의한 측정정확도를 줄이기 위하여 전류를 정방향과 역방향으로 시료에 홀려 전극 양단(C, D)에서 전위차를 각각 측정하여 저항을 계산하고 평균값을 취하였다. 또한, 측정윤 10분 간격으로 6회 측정하여 평균값과 표준편차를 구하였으며, 그 측정 결과로부터 전기 비저항온 다음 식 (1)에 의하여 계산된다.
시료의 두께는 전기 비저항과 밀접한 관계가 있으며, 측정 불확도에 미치는 영향이 매우 크므로 시료의 두께를 균일하게 가공하여야 한다. 또한 시료의 두께를 정확하게 측정하기 위하여 0.05 %의 정확도를 갖는 digital micrometer 두 대를 그림 1처럼 시료를 사이에 두고 ball 과 ball 이 접촉하는 원리를 이용하여 제작한 후, 길이의 국가표준으로부터 소급성이 유지된 gage block으로부터 두께측정기를 교정 및 보정한 후 측정하였다.
또한, 4단자 측정방법에서 천극 갈이(L)의 측정은 gage block으로부터 교정된 digital micrometer를 사용하여 측정하였다. DC전류원은 안정된 직류전류를 시료에 훌려주기 위하여 Fluke사의 5720A와 5725A ampler를 사용하였으며, 전류의 정확도는 50A이다.
, 두께 30 , 시료의 길이가 500 이하의 시료에 대하여 실험이 편리하도록 제작하였다. 실험은 전류원으로 부터 전류를 그림 2의 전극A, B 방향으로 공급하고, 전극 C와 D에서 전위차를 측정하여 저항을 구하였다. 전극 C와 D는 시료의 두 지점 전극 길이 (L)의 전위차롤 정확하게 측정하기 위하여 knife edge 전극으로 제작하였고, 필요에 따라 전극의 길이(L)도 좌우로 조절 되도록 하였다.
실험은 제작된 측정 jig에 시료를 넣은 후 각 모서리의 전극을 크기에 맞게 조절하여 고정시키고, 시료의 1 과 2사이에 10 A의 전류를 가해주고 반대 방향의 3과 4 의 위치에서 전위차를 측정하여 저항(R)을 계산한다. 그리고 같은 방법으로 1과 4 사이에 전류를 가해주고 2와 3의 위치에서 전위차를 측정하여 저항(#)을 계산한다.
실험은 전류원으로 부터 전류를 그림 2의 전극A, B 방향으로 공급하고, 전극 C와 D에서 전위차를 측정하여 저항을 구하였다. 전극 C와 D는 시료의 두 지점 전극 길이 (L)의 전위차롤 정확하게 측정하기 위하여 knife edge 전극으로 제작하였고, 필요에 따라 전극의 길이(L)도 좌우로 조절 되도록 하였다. 그리고 knife edge전극이 시료의 표면에 수직방향으로 접촉되도록 설계하여 전위차 측정은 물론 전극 길이(L)를 정확하게 측정할 수 있도록 하였다.
정밀 측정을 위하여 제작된 측정 시스템온 시료의 크기와 형상에 따라 전극의 구성이 용이하도록 하였으며, 이 장치는 폭 50 ., 두께 30 , 시료의 길이가 500 이하의 시료에 대하여 실험이 편리하도록 제작하였다.
전압계 (digital voltmeter)는 Agilent 3458A, Wavetek 1281을 사용하였으며, 100 * range에서의 정확도는 8 "V이다. 직류 전류워에서 흐르는 전류를 정확하게 측정하기 위하여 표준저항(L&N 10 mQ)을 사용하였으며, 정확도는 10이다.

대상 데이터

DC전류원은 안정된 직류전류를 시료에 훌려주기 위하여 Fluke사의 5720A와 5725A ampler를 사용하였으며, 전류의 정확도는 50A이다. 전압계 (digital voltmeter)는 Agilent 3458A, Wavetek 1281을 사용하였으며, 100 * range에서의 정확도는 8 "V이다. 직류 전류워에서 흐르는 전류를 정확하게 측정하기 위하여 표준저항(L&N 10 mQ)을 사용하였으며, 정확도는 10이다.
측정하였다. DC전류원은 안정된 직류전류를 시료에 훌려주기 위하여 Fluke사의 5720A와 5725A ampler를 사용하였으며, 전류의 정확도는 50A이다. 전압계 (digital voltmeter)는 Agilent 3458A, Wavetek 1281을 사용하였으며, 100 * range에서의 정확도는 8 "V이다.
본 연구에서 4단자 측정방법은 시료가 바(bar) 형상이나 봉 형상 모두 정밀축정이 가능하나 본 연구에서는 폭 20 , 두께 10 , 길이 400 의 바(bar) 형태로 가공하여 실험에 사용하였다. 실험온 그림 2처럼 측정회로를 구성하여 시료에 직류(DC) 전류를 공급하고, 시료의 양단 두 지점에서 생기는 전위차를 측정하여 저항을 계산한 후 식 (1)에 의하여 비저항을 구하는 방법이다.
방법이다. 시료는 2 ■ 두께의 사각 형상으로 된 67 mm X 67 mm를 정밀 가공하여 그림 3과 같은 측정 system을 구성하여 비저항을 측정하였다. 시료가 그림 3 의 각 모서리(1, 2, 3, 4 )에 위치하도록 측정 jig를 제작하였으며, 이것은 시료의 크기에 따라 전극 구성이 용이하도록 설계되었다.
실험에 사용된 시료는 STS 316 비자성 금속을 사용하였으며, 실험환경은 온도 (23.0±L0) t, 습도 (50±5) %였다. 시료의 두께는 전기 비저항과 밀접한 관계가 있으며, 측정 불확도에 미치는 영향이 매우 크므로 시료의 두께를 균일하게 가공하여야 한다.

데이터처리

또한 본 실험에 사용된 모든 측정기는 제작사에서 권하는 예열 시간(4시간)을 준수하여 측정 하였으며, offset에 의한 측정정확도를 줄이기 위하여 전류를 정방향과 역방향으로 시료에 홀려 전극 양단(C, D)에서 전위차를 각각 측정하여 저항을 계산하고 평균값을 취하였다. 또한, 측정윤 10분 간격으로 6회 측정하여 평균값과 표준편차를 구하였으며, 그 측정 결과로부터 전기 비저항온 다음 식 (1)에 의하여 계산된다.

이론/모형

6. 본 연구에서 가장 정확한 금속의 전기 비저항 측정방법은 4단자와 van der Pauw 방법으로 평가되었다.
이 측정방법은 비접촉식 측정방법으로 비파괴적이며, eddy current 원리에 의한 측정기술을 적용하여 만든인ectrical conductivity meter를 사용하여 4단자와 van der Pauw 방법으로 측정된 값을 기춘으로하여 비교 측정하였으며, 그 측정결과는 표 7과 같으며, 불확도 분석결과를 표 8에 나타냈다.

성능/효과

2. 4단자와 van der Pauw 방법으로 측정된 비저항은 각각 75.86 112-(3(2.273 %IACS), 75.80 M2.275 IACS)으로 유사하게 나타났으며, 측정 불확도는 0.25 %었다. 3.
25 %었다. 3. 4-Point Probe(FPP)방법을 적용한 금속 비저항은 75.36 HQE2.288 %IACS), 측정 불확도는 0.45 %로 나타났다.
4. 상기의 측정 방법 모두 자성 및 비자성 금속에 모두 적용할 수 있는 장점이 있다.
Eddy current method는 산업현장에서 가장 쉽고 편리하게 사용할 수 있는 장점이 있으나 비자성 금속에 국한하여 사용되는 단점이 있다. 또한 측정된 비저항은 76.63 UQM2.25 %IACS)였으며, 측정 불확도는 0.64 %로서 전기 비저항 측정방법 중 가장 크게 나타났다.

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