수렴 열파법에서 파라메터 추정에 의한 금속박의 열확산도 분석 = Analysis of the Thermal Diffusivity of Metal Foils by Using a Parameter Estimate in the Converging Thermal-Wave Technique

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The in-plane thermal diffusivity of several kinds of metal foils was measured by
the converging thermal-wave technique. This is a typical technique which can
obtain the thermal diffusivity by taking the temperature evolution at the center of
pulsed annular laser beam when the beam irradiates the surface of the samples.
The thermal diffusivity is normally calculated using the half-maximum time
$t_{1/2}$ or maximum time $t_m$ when the temperature evolution is half and
maximum, respectively, however the rapid temperature increase and the nonlinearity
of the infrared detector in the earlier part, convection heat loss from the sample
surface, and some times the low signal to noise ratio can produce errors. In this
study, a nonlinear least-square regression was performed to estimate the optimal
values of several separate parameters by fitting the data to the theoretical
equation. The thermal diffusivity of the samples obtained from the optimal values
of the estimated parameters was compared with the values from $t_{1/2}$ and
$t_m$, and the reference values, and it shows that the thermal diffusivity obtained
by this parameter estimation technique agrees quite well with the reference data
within 3.4 \% at maximum and the same materials have nearly the same values
within 4.4 \% for different thicknesses.

국문 초록 (Abstract)

두께가 각각 50 $\mu$m과 100 $\mu$m인 몇 가지 금속박들의 면 방향으로의
열확산도를 수렴열파법으로 구하였다. 이 방법은 원형고리 모양의 펄스레이저광을
시편표면에 조사하고 그 중심부의 시간에 따른 온도변화를 측정하고 이로부터
열확산도를 구하는 전형적인 방법이다. 보통은 이 온도변화 곡선이 최대가 되는
시각인 $t_m$ 혹은 최대의 반이되는 시각인 $t_{1/2}$를 실험적으로 구하여
열확산도를 계산하지만 곡선 초기의 빠른 온도 상승과 적외선 검출기의 비선형성
그리고 시편표면에서의 대류에 의한 열손실 및 낮은 신호대 잡음비 등이 많은
오차를 유발한다. 본 연구에서는 비선형 최소자승법을 사용하여 실험치를 이론식에
가장 잘 맞게 하는 최적 파라메터들을 추정하는 방법을 사용하여 열확산도를
구하고 $t_m$와 $t_{1/2}$를 이용하여 얻은 결과 및 문헌 값과 비교하였다. 그 결과
파라메터 추정법에 의해 구한 열확산도가 최대 3.4 \% 이내에서 문헌치와 일치하고
같은 물질에서는 두께 차이에 따라 최대 4.4 \% 이내에서 일치함을 확인하였다.