인광 입자(Sr,Mg)2SiO4:Eu2+를 이용한 액체의 온도장 측정에 관한 연구 :Study on temperature field measurement of fluid using phosphor particle (Sr,Mg)2SiO4:Eu2+

송동진

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자료유형: 학위논문

저자정보: 송동진 (경남대학교, 慶南大學校)

지도교수: 李炫昌

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

인광 입자(Sr,Mg)2SiO4:Eu2+를 이용한 액체의 온도장 측정에 관한 연구

송동진 機械融合工學科 2020.01 학위논문

2019

(Sr,Mg)₂SiO₄:Eu²⁺인광입자를 이용한 유체의 온도장 측정에 관한 연구

송동진 , 이현창 한국가시화정보학회 학술발표대회 논문집 2019.12 학술대회자료

인광입자(Sr,Mg)₂SiO₄:Eu²⁺를 이용한 액체의 온도장 측정에 관한 연구

송동진 , 이현창 한국가시화정보학회지 2019.12 학술저널

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온도 측정은 과학, 공학 및 의학 등 모든 실험 또는 응용분야에서 필수적인 요소이며, 공학 응용 분야에서 자연적으로 발생하는 난류 및 열 유동, 경계층에서의 난류 유동의 구조 및 부력과 난류 간의 상호작용 등을 파악하기 위하여 유체의 온도와 속도를 동시에 측정하는 것이 매우 중요하다.
유체의 온도와 속도를 동시에 측정하는 방법으로 인광 입자를 사용하는 측정법들이 연구되고 있으며, 다양한 인광 입자들의 특성을 파악하여 적합한 실험 방법들을 찾는 연구들이 진행되고 있다. 본 논문에서는 액체의 온도를 추적하는 프로브의 역할로 (Sr,Mg)2SiO4:Eu2+ 인광 입자를 사용하여 유체의 온도장 측정을 위한 특성 및 적합한 실험 방법들에 관한 연구 내용을 기술한다.
본 논문에 사용되는 인광 입자에 대한 온도 추적 특성을 고려하여 입자의 크기 및 현탁액 제작을 진행하였고, 인광 입자의 온도 의존적인 특성을 바탕으로 2색 강도비 측정법을 사용하였다. 이에 따라 온도에 따른 인광 신호를 획득할 수 있는 실험 장치를 구성하였으며, 인광 입자의 스펙트럼 변화 및 에러의 요인들을 고려하여 필터 군을 구성하였다.
또한 획득된 인광 신호 데이터를 바탕으로 유체의 온도장 측정 데이터로 변환해주기 위한 적합한 후처리 방법을 구성하였다.
결과적으로 인광 신호에 영향을 미치는 라만신호, 355nm 산란을 파악하고 이를 제거 및 감소시킬 수 있었다. 추가적으로 인광 신호의 레이저 세기에 대한 영향을 파악하였고 레이저 세기에 따른 영향이 크지 않은 것을 확인할 수 있었으며, 입자의 수농도에 따른 영향이 크다는 것을 정성적으로 파악하였으며 이에 따른 원인과 대응 방안을 확보하였다.
앞선 수행 내용들을 바탕으로 액체의 온도 변화에 따른 강도비를 획득하였고 이를 통하여 교정곡선을 획득할 수 있었으며, 상대오차가 최대 3.39%의 높은 정확도를 가지고 있는 것과 0.65~0.95[%/℃]의 온도 민감도를 확인함으로써, 최종적인 목적인 유체의 온도장을 측정하는 것에 있어 본 논문에서 사용된 (Sr,Mg)2SiO4:Eu2+ 인광 입자의 적합성을 파악할 수 있었다.

Temperature measurement is an essential element in all experiments or applications, such as science, engineering, and medicine, and it is very important to measure the temperature and velocity of the fluid at the same time to identify naturally occurring turbulence and heat flow in engineering applications, structure of turbulent flow in boundary layer, and interaction between buoyancy and turbulence.
Measurement methods using phosphor particles are being studied to simultaneously measure the temperature and velocity of a fluid. and studies are being conducted to find suitable experimental methods by understanding the characteristics of various phosphor particles.
In this paper, the characteristics of phosphor particles and suitable test methods are identified and described using (Sr,Mg)2SiO4:Eu2+ phosphor particles for temperature field measurement of fluids.
The particle size and suspension were fabricated in consideration of the temperature tracking characteristics of the phosphor particles. Also, Two-color ratio method was used based on the temperature dependent properties of the phosphor particles.
Experimental equipment was constructed to obtain phosphorescence signal according to temperature using two color ratio method. The filter group was constructed in consideration of spectral change and error factors of phosphor particles. Then, a suitable post-processing method was constructed based on the obtained phosphorescence signal data to convert the temperature field measurement data of the fluid.
The Raman signal, 355nm scattering, which affects the phosphorescent signal, could be identified and eliminated/reduced. In addition, the influence of the phosphorescence signal on the laser intensity was identified, and the influence of the laser intensity was not significant.
However, it was qualitatively identified that the effect of the number concentration of the particles was large, and the cause and countermeasures were secured accordingly.
As a result, the intensity ratio according to the temperature of the liquid was obtained on the basis of the previous results, and through this the calibration curve could be obtained. The relative error was confirmed to have a high accuracy of up to 3.39% and a temperature sensitivity of 0.65 ~ 0.95%. Therefore, the suitability of SRMG phosphor particles in the measurement of the temperature field of the final fluid was confirmed.

List of Tables = ⅲ
List of Figures = ⅳ
국문 요약 = ⅵ
제 1 장 서 론 = 1
1.1 연구 배경 = 1
1.2 연구 동향 = 3
1.3 연구 목적 = 4
제 2 장 관련이론 = 5
2.1 인광 및 인광 신호 = 5
2.1.1 인광 입자 = 5
2.1.2 빛과 입자간의 상호작용 = 6
2.2 인광 입자의 온도의존성을 통한 측정법 = 7
2.3 액체에서의 입자의 온도 추적 특성 = 11
제 3 장 실험 방법 = 12
3.1 실험대상 = 12
3.2 인광 입자 현탁액 준비 = 13
3.3 실험장비 구성 = 16
3.4 분광 및 필터 = 18
3.5 측정방법 및 후처리 = 21
제 4 장 실험결과 = 23
4.1 라만신호 영향 = 23
4.2 수농도의 영향 = 25
4.3 레이저 세기의 영향 = 29
4.4 교정곡선 및 정확도 = 31
4.5 온도측정시연 = 33
제 5 장 결 론 및 향후계획 = 34
5.1 결 론 = 34
5.2 향후계획 = 35
참 고 문 헌 = 36
ABSTRACT = 38

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