극저온에서의 다양한 CFRP 열전도율 측정 및 분석

초록

본 연구는 100 mK ~ 20 K 범위에서 T300, T700, HS40, M55J, IMA 등 9종의 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP) 시료의 열전도율을 새롭게 개발한 분석법으로 측정하였다. 시료의 섬유 종류·함량·배향에 따른 온도 의존성을 제시하고, 기존 문헌과 비교해 HS40·IMA 계열에 대한 최초 데이터베이스를 제공한다.

상세 분석

본 논문은 극저온(100 mK ~ 20 K)에서 CFRP의 열전도율을 정밀하게 측정하기 위해 전용 실험 장치와 데이터 처리 파이프라인을 구축한 점이 가장 큰 특징이다. 실험은 프랑스 파리 사크레 대학교 소속 연구진이 보유한 BlueFors LD400 희석 냉각기를 활용했으며, 냉각판 위에 시료를 고정하고 상·하에 각각 Cernox 온도 센서를 선형 접촉 방식으로 부착하였다. 선형 접촉은 온도 센서 간 거리(L)의 불확실성을 최소화하고, 열전도 경로를 명확히 정의하기 위함이다. 히터는 저저항 10 kΩ 금속 박막을 금도금 구리 블록에 삽입해 시료 상부에 장착했으며, 전류·전압을 Keithley 2602A로 실시간 측정해 실제 투입 전력(˙Q)을 0.1 % 이하의 오차로 확보하였다.

데이터 획득은 전력 단계별(수 nW ~ mW) 온도 상승을 3시간 동안 유지하면서 온도·전력의 시간 상수를 지수함수식(2)로 피팅해 즉시 평형 온도(T₁, T₂)를 추정한다. 이 방법은 전통적인 장시간 평형 대기 시간을 대폭 단축시키면서도 χ² 검증을 통해 피팅 품질을 정량화한다. 또한, 환경에서 유입되는 기저 열(˙Q₀)을 모델에 추가함으로써 초저전력 구간(≤100 nW)에서의 오차를 보정하였다.

열전도율 κ(T)는 Callaway 모델(κ = a T³ /