기계재료 열화손상과 박막 특성평가를 위한 초음파 비파괴 진단 기법 연구

김동열 성균관대학교 일반대학원 2011 국내박사

본 연구에서는 초초임계압 발전설비에서 사용되는 재료의 열화손상과 기계구조용 다이아몬드 박막특성을 평가하기 위한 초음파 비파괴진단 기법을 개발하였다. 이를 위해 발전 설비에 사용되는 P92강과 P122강을 실제 가동 년수 의 증가에 따른 열화 손상과 동일한 가속 열화 시험편을 제작하고, 다양한 증착조건 하에서 다양한 기계적 특성을 나타내는 CVD 다이아몬드 박막을 제작하였다. 제작된 열화손상 시험편과 CVD 다이아몬드 박막 시험편에 대하여 광학현미경, SEM 등을 이용하여 미세조직을 관찰하고, 크리프 파단 실험 등의 금속조직학적인 결과를 도출하였으며, 본 연구를 통해 개발된 초음파 비파괴 진단 기법과의 비교/분석을 통한 기법의 정확성을 검증하였다. 1. 기계재료의 물성 평가를 위한 초음파 비파괴 진단 이론 기계재료의 물성을 평가하기 위하여 초음파 비파괴 진단 인자 및 그 적용 원리에 대하여 정리하였다. 재료의 물성이 변화함에 따라 초음파 전파 속도 및 감쇠계수, 그리고 Rayleigh 임계각 등 초음파 진단 인자의 값이 변화 하는데, 이러한 초음파 진단 인자를 기계재료의 물성변화 평가에 적용할 수 있는 가능성을 타진하고, 적용 이론에 대하여 정리하였다. 2. 기계재료의 열화손상 평가를 위한 초음파 비파괴 진단 기법 개발 초초임계압 발전설비용 소재인 P92강과 P122강의 열화손상 평가를 위하여 초음파 속도 및 감쇠계수와 재료의 경도변화 및 석출물 분율과의 상관관계를 도출하고 열화 손상에 따른 재료의 물성 변화를 평가할 수 있는 기법을 연구하였다. 광학현미경과 SEM을 이용하여 열화손상에 따른 재료의 미세조직변화를 관찰하였으며, 초음파 속도 및 감쇠계수를 측정한 결과 열화 손상도와 초음파 실험 결과 간에 상관관계가 존재함을 확인하였다. 이러한 상관관계를 이용하여 초음파 속도와 감쇠계수를 이용하여 크리프 손상에 따른 재료의 잔존 수명을 예측할 수 있는 관계식을 도출하였다. 3. 기계재료의 박막특성 평가를 위한 초음파 비파괴 진단 기법 개발 다양한 증착조건 하에서 제작된 CVD 다이아몬드 박막 시험편을 이용하여 표면의 물성변화 및 모재와 박막의 접합 특성을 비파괴적으로 평가할 수 있는 최소반사율 기법을 개발하였다. 재료의 표면 물성 변화에 따라 달라지는 Rayleigh 임계각을 이용하여 이를 측정할 수 있는 알고리즘과 진단 시스템을 개발하고 기계구조용 박막을 평가하는 기법을 개발하였다. 개발된 최소반사율 기법을 이용하여 다이아몬드 박막의 두께, 생성된 다이아몬드 박막의 형태 변화등의 표면 물성 변화를 평가하였으며, 박막과 모재와의 접합강도를 평가하기 위하여 박막 증착시 상이한 조건 하에서 박막 시험편을 제작하고, 실험을 통해 모재와 박막의 접합 강도를 평가할 수 있음을 확인하였다. 9Cr-2W and 12Cr-2W materials were widely used as structural materials of high temperature and pressure components in power plant. The components can be degraded as increasing their operation time. Since the isothermal aged materials are subject to precipitation or cavities between grain boundaries, it is one of major cause of early breakage of these component. Therefore, the quantitative NDE method for evaluating the microstructural changes in thermal aged steels and thin films is strongly needed to insure structural reliability of the components used in high temperature. Thin films of CVD diamond coating are being utilized for the wide ranging industrial application because of outstanding mechanical properties such as high hardness, low friction, high wear resistance and low thermal expansion coefficient. However, the CVD diamond coating could be affected by various deposit conditions such as surface roughness of substrate, kinds of substrate material, deposition time, and deposition temperature. These conditions make the quality influenced in the destabilizing factor of deposition process, and the film after deposition. In this study, thermal damaged specimems(P92 steel and P122 steel) and the CVD diamond coating specimens with various deposit conditions were prepared. In order to evaluate these specimens, this study aims at focusing a new ultrasonic nondestructive diagnostic method. To evaluate thermal aged steels, ultrasonic parameters: ultrasonic velocities and attenuation coefficients were measured by using a high frequency ultrasonic transducer. From the measured data, the relation between attenuations and area of precipitates and relation between velocities and hardness were calculated. Using these relations, the residual life times was predicted in thermal damaged specimens. To evaluate thin films, a new ultrasonic method was proposed, named as “minimum reflection profile” which measures energy variation of reflected waves from the surface of the specimens as changing the angle of incident wave from normal to beyond Rayleigh angle in a pitch-catch immersion setup. Using the minimum reflection profiles, changed material properties and bonding quality of thin films were evaluated.

대형 및 고출력 기계의 소음평가와 저감 대책에 관한 연구

이영욱 圓光大學校 2020 국내박사

기계 산업의 발달로 플랜트 산업현장의 기계가 대형화되고 빠른 속도와 고출력으로 가동이 이루어짐에 따라 현장에서 종사하는 근로자들은 고 소음과 충격소음에 노출되어 청력손실의 위험이 증가하고 있다. 또, 이러한 문제로 인해 산업현장의 근무 환경은 점점 열악해지고 산업재해로 피해자들이 날로 늘어가고 있는 실정이다. 따라서 이러한 피해를 최소화하기 위해 생산시설 대형기계의 소음을 저감하고자 하는 많은 노력을 기울여왔다. 그러나 대부분의 플랜트 현장의 대형기계는 해외에서 설계⋅제작되어 기본적인 정보의 접근이 어려운 상황이고 이러한 기계들에 대한 규제기준이나 관리방안, 측정방법이 미흡하며 설치된 소음저감 장치를 보수하거나, 플랜트 설계 시 소음저감 장치에 대한 정보의 획득이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 소음의 주체인 대형 및 고출력 기계의 소음을 평가하고 저감 대책을 수립하기 위해 다음의 내용을 연구하였다. 먼저 소음관련 이론적 고찰과 소음평가 및 저감 관련 선행연구사례를 검토하였고, 국내 플랜트 현장에 설치된 대형기계 소음도 발생 실태를 조사, 산업안전보건법 기준의 방음 설계와 플랜트에 설치된 대형기계의 복합소음에 대한 방음설계 등을 조사하여 플랜트 설계업체의 설계기준을 마련한다. 또, 소음 영향도를 예측하고 제조사의 기계별 소음도를 측정하며 소음의 저감에 필요한 정보를 획득하고 소음 업체를 효과적으로 관리하기 위해 소음지도 전용프로그램을 이용하여 산업체의 소음실태를 조사한다. 향후, 소음 저감과 관련한 연구와 플랜트 설계의 기준을 확보하기 위한 자료를 데이터베이스화 한다. 현행 기계소음 측정방법과 소음 모니터링 시스템 적용방안을 검토하여 소음개선과 관리방안을 제시한다. 대형 생산시설 공정의 소음 평가와 저감에 관련한 선행연구는 다음과 같이 조사되었다. 먼저 외국의 사례들로 유럽직업소음제어지침(European Occupational Noise Control Directives) 에서는 소음에 노출된 작업자를 보호하기 위하여 작업자의 청력을 점검하고, 저소음 기계를 사용하며 작업자에게 청력 보호구를 착용하게 하였다. 또한 기계류의 소음레벨이 최소화될 수 있도록 기계류의 사용설명서나 기술보고서에 소음레벨을 표기하도록 규제하였다. 미국직업소음협회(Occupational Noise in the USA) 에서는 제조 기계로부터 1m 이내에서 85dB(A)를 초과하는 경우에는 작업자의 청력보존 프로그램에 의거 작업자 보호에 대한 중요성을 설명했고, 작업장 소음에 대한 상한성 기술평가(Technical Assessment of Upper Limites on Noise in the Workplace)에서는 1990년대, 사업장의 높은 소음 레벨을 저감하기 위해서는 경제적, 사회적으로 많은 비용이 소모되는 것을 인식시키는 등 소음에 대한 문제와 대책들을 제시하였다. 국내 사례를 보면, 여러 종류의 기계장치에서 발생되는 소음을 음의 팽창, 간섭, 공명 및 흡수의 원리로 소음을 감소시키는 소음기와 소음기의 저주파수 영역에서의 일반적인 소음저감 성능은 음파진행 단면의 기하학적 형상을 이용한 음의 팽창, 간섭 및 공명의 이용 등에 대해 제시했다. 또, 변압기의 소음을 효과적으로 차단하기 위해 저주파수 영역에서는 음향 공명기 등에 대한 원리와 효과를 제시하였다. 저소음 팬 설계를 위해 효율적인 유동 해석 툴과 소음 해석 툴을 개발하여 적용시켰고 그 효과에 대해 제시하였다. 국내 플랜트 현장 대형기계 소음도 발생실태조사는 화학제품, 금속제품, 펄프지류, 전자제품, 수송용기계기구 등의 제조업체와 화력발전소를 대상으로 측정을 실시하였다. 소음레벨의 측정은 소음원의 발생 시간을 충분히 고려하였다. 즉 소음원이 일정 시간동안 반복적으로 소음을 발생한 후 규칙적인 소음을 발생하는 경우에 한하여 소음을 측정하였다. 소음원에 대한 규명은 선형 주파수 분석을 통해 실시하고 있기 때문에 청감보정 특성을 고려하지 않았다. 조사한 대형기계와 고출력 기계의 소음원들은 대부분이 90dB 이상을 상회하고 있고, 향후 기계장치의 노후를 감안할 때 점점 소음도는 증가할 것으로 예상된다. 플랜트 설계업체의 설계기준 조사는 방음에 대한 부분으로 산업안전보건법 기준에서는 운반의 용이성과 흡음과 차음에 대한 문제와 방음 상자에 소음기를 설치하여 소음의 저감효과를 향상시킬 수 있는 방법을 조사하였고, 방음상자의 설치 효과는 15∼20dB(A) 로 조사되었다. 플랜트에 설치된 대형기계의 복합소음에 대한 방음설계에 대한 조사에서는 사업장 내부공간에 설치하는 흡음재, 기계별 칸막이, 방음카바 등을 이용한 복합소음 차단 등의 요소들이 조사되었다. 제조사의 기계별 소음도 예측 및 측정에서는 KS A ISO 측정방법 중 하나인 음향-음압법에 의한 소음원의 음향 파워 레벨 측정 방법-반사면상 준 자유 음장에서의 실용 측정방법을 적용하여 측정했고, 소음지도 전용프로그램을 이용하여 실내·외 대형기계 및 고출력 기계별 소음의 분포와 영향도를 예측하였다. 기계 형식 및 출력에 따른 소음정보의 데이터베이스화를 위하여 기계 형식 및 출력에 따른 소음측정 자료와 각종 조사자료, 소음지도 전용프로그램을 이용하여 분석된 자료들을 데이터베이화 하여 산업체 밀집 지역의 소음관리와 플랜트 시설 설계 시 소음저감에 대한 설계 자료로 활용될 것으로 보며, 기계소음 개선과 관리를 위해 현행 측정방법의 적정성을 검토하고 모니터링 방법 적용방안을 검토하였으며, 각종 저감장치의 설계를 통해 소음의 개선과 관리방안을 제시하였다. With the development of the mechanical industry, the machines on the site of the equipment industry have become large-scale, fast and high power output operation, and workers in the field are exposed to high noise and impact noise, increasing the risk of hearing damage. In addition, due to such problems, the working environment of the industrial site is getting worse and the victims of industrial disasters are increasing. Therefore, in order to reduce these damages, efforts should be made to reduce the noise of large machines in production facilities. However, most of the plant's large-scale machines are designed and manufactured overseas, so it is difficult to access basic information. The regulatory standards, management plans and measurement methods for these machines are insufficient. It is necessary to obtain information about the noise storage devices installed for warranty and the noise reduction device when designing the equipment. Therefore, in this study, the following contents were studied to evaluate the noise of large production facility process and to establish the countermeasures. First of all, the theoretical considerations related to noise and previous research cases related to noise evaluation and reduction were reviewed. Investigation of the occurrence of large-scale machine noise at domestic plant sites was conducted. The sound insulation design of the industrial safety and health care law benchmark and the large-scale machine compound noise design of the equipment are carried out. In addition, to predict the impact of noise, to measure the noise level of the manufacturing company, to obtain the information necessary to reduce the noise, and to effectively manage the noise company, the noise status of the industry is investigated using the noise map dedicated program. In the future, the database for research on noise reduction and securing the standard of plant design will be made. The current system noise measurement method and noise monitoring system application plan are reviewed and the noise improvement and management plan is suggested. Previous studies related to noise evaluation and reduction of large production plant processes were investigated as follows. First, in the case of foreign countries, the European Occupational Noise Control Directives check the worker's hearing, use low-noise devices, and put the worker wear hearing protection to protect workers exposed to noise. In addition, in order to minimize the noise level of machinery, it was regulated to indicate the noise level in the manual or technical report of machinery. Occupational Noise in the USA under the Workers' Hearing Preservation Program described the importance of worker protection when the manufacturing machine noise exceeding 85dB(A) within 1 meter. In 1990's Technical Assessment of Upper Limites on Noise in the Workplace costs a lot of money in economy and society to reduce the high noise level of workplaces, and puts forward the problem and countermeasures against noise. In the domestic case, the general noise reduction performance in the low frequency region of the silencer and silencer that reduces the noise from various kinds of machinery by the principle of sound expansion, interference, resonance, and absorption is the geometric shape of the sound wave propagation cross section. The use of sound expansion, interference and resonance is presented. In addition, in order to effectively block the noise of the transformer, the principle and effect on the acoustic resonator are presented in the low frequency region. An efficient flow analysis tool and noise analysis tool have been developed and applied for the design of low noise fan and its effects are presented. The survey on the noise generation of large machinery in domestic plant sites was conducted for manufacturers of chemical products, metal products, pulp paper, electronic products, transportation machinery, and thermal power plants. The measurement of the noise level fully considered the generation time of the noise source. That is to say, the noise is measured only when the noise source repeatedly generated noise for a certain time and then produced regular noise. The identification of the noise source was carried out through linear frequency analysis, so the auditory compensation characteristics were not considered. Most of the noise sources of large and high-powered machines surveyed are more than 90dB. Considering the aging of the mechanical equipment in the future, the noise will gradually increase. The survey of design standards of plant design enterprises is the part of sound insulation. In accordance with the Industrial Safety and Health Act, we investigated the ease of transportation, the problems of sound absorption and sound insulation, and the method of improving the noise reduction effect by installing a silencer in the soundproof box. It was investigated that the installation effect of sound insulation frame is 15-20dB (A). In the investigation of the sound insulation design for the compound noise of the large machine installed in the plant, the factors such as the sound absorbing material installed in the workplace, the partition of each machine, and the compound noise blocking using the soundproof cover were investigated. In the manufacturer's noise level prediction and measurement, the sound power level measurement method of the noise source by the acoustic-sound pressure method, one of the KS A ISO measurement methods, was measured by applying the practical measurement method in the quasi-free sound field on the reflecting surface. The program was used to predict the distribution and influence of noise by indoor and outdoor large machines and high power machines. The database of noise information in machine format and output is based on noise measurement data and various investigation data caused by machine format and output. Using the data of noise guidance special program analysis, it will be used for noise management in industrial intensive areas and design data of low noise sense in equipment design. In order to improve the noise and management of the machine, the scheme of the applicable method of the current measurement method is reviewed, and the improvement and management scheme is put forward through the design of various low sensing devices.

폴리머의 기계적 강도에 따른 나노필라 구조의 항균효과

장민준 원광대학교 일반대학원 2025 국내석사

Contamination by bacteria is considered an important issue in various industries, including the medical, marine, and food industries. This contamination can lead to secondary infections and economic losses, so research is being conducted to sterilize bacteria through various methods. In general, there are chemical and mechanical approaches to sterilizing bacteria. Chemical sterilization can be most effective when using antibacterial agents, but there are limitations due to the stability of the antibacterial agents and the risk of developing resistant bacteria. On the other hand, mechanical sterilization can physically sterilize bacteria without the risk of antimicrobial resistance by mimicking the nanostructures on the wings of a dragonfly or a cicada, and by physically interacting with the surface of the bacteria. This advantage is promoting research on fabricating nanostructures through various materials. Research on mechanical sterilization through nanostructures is generally focused on sterilizing bacteria based on the shape of the nanostructures (diameter, height, spacing, etc.). However, polymer-based nanostructures have low mechanical strength, which can cause deformation of the nanostructures due to interaction with bacteria. Such deformation can affect the sterilization effect, but research on antibacterial activity based on mechanical strength of the same structure is less reported compared to studies on sterilization effects by parameters. Therefore, in this study, films with nanostructures were fabricated using polymer materials with different mechanical strengths, and the mechanical properties, surface properties, and antibacterial activity of the materials according to their mechanical strength were evaluated. The surfaces with nanostructures were made using polydimethylsiloxane (PDMS), low-density polyethylene (LDPE), polyurethane acrylate (PUA), and polylactic acid (PLA). Nanostructured surfaces were fabricated using soft lithography, ultraviolet (UV) lithography, and thermal nanoimprint lithography techniques, considering the properties of each material, to produce cylindrical nanostructured films with a diameter of 500 nm, height of 500 nm, and spacing of 500 nm. The films were then produced in the form of film specimen samples (25 × 100 mm) for mechanical property analysis, and the modulus of elasticity, maximum tensile strength, and elongation at break were analyzed using a universal testing machine according to the ASTM D882 method (American Society for Testing Materials, 2002). The antibacterial effect of the films according to their mechanical strength was evaluated by incubating the film samples in 2000 μl of E. coli suspension for 18 hours. The antibacterial effect was qualitatively analyzed using fluorescence microscopy and quantitatively analyzed using colony formation unit (CFU) analysis to compare and evaluate the antibacterial ability of the same nanostructure based on mechanical strength. Afterwards, the morphology of bacteria and the shape of the nanostructure were compared and analyzed on nanostructure surfaces with different mechanical strengths using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). Finally, the fabrication of nanostructure films using polymer materials with different mechanical strengths confirmed that the deformation of the nanostructures decreased on surfaces with higher mechanical strength, enhancing the sterilization effect. This shows the potential for application in industries that require physical sterilization. 박테리아에 의한 오염은 의료, 해양, 식품산업 등 다양한 산업에서 중요한 문 제로 여겨지고 있다. 이러한 오염은 2차 감염 및 경제적 손실을 유발할 수 있어 다양한 방법을 통해 박테리아를 살균하는 연구가 수행되고 있다. 일반적으로 박 테리아를 살균하기 위한 전략으로 화학적 및 기계적 접근이 있다. 화학적 살균은 항균제를 사용해 가장 효과적으로 살균할 수 있지만, 항균제의 안정성 문제와 내 성 박테리아의 발생 위험이 있는 한계가 있다. 반면 기계적 살균은 매미나 잠자 리 날개 표면의 나노구조를 모방하여, 표면과 박테리아 간의 물리적 상호작용에 의해 항균제의 내성 없이 박테리아를 물리적으로 살균할 수 있다. 이러한 이점은 다양한 소재를 통해 나노구조를 제작하는 연구를 촉진하고 있다. 하지만 나노구 조를 통해 기계적 살균을 달성하기 위한 연구는 일반적으로 나노구조의 형상(지 름, 높이, 간격 등)에 의해 박테리아를 살균하는 것에 집중되어 있다. 하지만 폴 리머 기반의 나노구조는 낮은 기계적 강도를 지니고 있어 박테리아와의 상호작용 으로 인해 나노구조의 변형이 야기될 수 있다. 이러한 변형은 살균효과에 영향을 미칠 수 있지만 기계적 강도에 따른 같은 구조에서의 항균 연구는 나노구조의 형 상 매개변수에 의한 살균효과 연구와 비교하여 많이 보고되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 기계적 강도가 각기 다른 고분자 소재를 사용하여 나노 구조를 갖는 필름을 제작하고 제작된 필름의 기계적 특성 및 표면 특성과 소재의 기계적 강도 에 따른 박테리아의 항균 활성 평가를 진행했다. 나노구조를 갖는 표면은 폴리디 메틸실록산 (Polydimethylsiloxane; PDMS) , 저밀도 폴리에틸렌(Low density Polyethylene; LDPE) , 폴리우레탄아크릴레이트(Polyurethane acrylate; PUA), 폴리 젖산(Polylactic acid; PLA)을 사용했다. 나노 구조를 갖는 표면은 각 소재의 특성을 고려하여 소프트 리소그래피(Soft lithography) , 자외선 리소그래피 (Ultraviolet; UV lithography) , 열 나노임프린트 리소그래피(Thermal nanoimprint lithography) 기법을 활용하여 지름 500 nm, 높이 500 nm, 간격 500 nm의 원기둥 모양의 나노구조 필름을 제작했다. 이후 제작된 필름은 기계적 특성 분석을 위해 필름 시편 샘플(25 × 100 mm) 형태로 제작하였고, ASTM D882 방법(American Society for Testing Materials, 2002)에 따라 만능재료시험 기(Universal testing machine)를 사용하여 탄성 계수, 최대 인장 강도, 파단 연 신율을 분석했다. 기계적 강도에 따른 박테리아의 항균효과는 대장균 현탁액 2000 μl에 필름 샘플을 침전시킨 후 18 시간동안 배양했다. 그리고 필름의 항균 효과를 평가하기 위해 형광 현미경을 통해 정성적으로 분석하였고, 집락형성단위 (Colony formation unit; CFU) 분석을 통해 정량적인 분석을 진행하여 기계적 강 도에 따른 같은 나노구조에서의 항균 능력을 비교 및 평가를 진행했다. 이후 기 계적 강도가 다른 나노구조 표면에서 박테리아의 형태 및 나노 구조의 형상을 비 교 및 분석하기 위해 전계방사형주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope; FE-SEM)을 이용하여 평가했다. 최종적으로 기계적 강도 가 다른 고분자 소재를 통해 나노구조 필름을 제작하여 기계적 강도가 높은 표면 에서 나노구조의 변형이 감소하고 항균효과가 향상됨이 확인되었으며, 이는 물리 적 살균이 필요로 하는 산업분야에 적용 가능성을 보여주었다.

DED 공정을 이용한 AISI 1045 기저부위 AISI 1045 분말 대체적 적층시 적층부와 기저부 형상이 적층부 인근 열-기계 특성에 미치는 영향 고찰

임성훈 조선대학교 대학원 2022 국내석사

Recently, due to environmental and resource depletion concerns, researchers around the globe are actively involved in research and development of new methodologies to reduce impact of industrial activities on environment. The interest in the field of additive manufacturing (AM) is exponentially increasing due to its repair and remanufacturing capabilities. Repair and remanufacturing of damaged machine tool parts by AM can lower the operational cost by extending the life cycle of the metal parts. Directed energy deposition (DED) is a metal AM process. DED process can deposit metal on straight and inclined surfaces along the arbitrary trajectory. Hence, DED is suitable for repairing and remanufacturing of irregular shape machine parts. However, localized rapid temperature changes occur during deposition process due to high density energy source. The temperature gradients cause residual stress and displacement in remanufactured parts. The aim of this study is to investigate the effect of shape of deposition region, shape of the substrate, deposition strategy and pore location on thermo-mechanical characteristics in the vicinity of repaired region by DED. Finite element analysis (FEA) according to the substrate shape and shape of deposited region was performed in order to analyze thermo-mechanical characteristics of repaired metal parts. Various substrate shapes and deposition region shapes including the angle of inclination of the deposited region, the shape of the substrate with various space at the edge of deposited region, the shape of deposited bead with various width and inner radius of substrate were selected to predict residual stress and displacement in the vicinity of deposited region. Subsequently, FE analysis of deposition strategy was performed. Proper deposition pattern, interlayer time and interpass time were selected according to residual stress and displacement results. Occurrence of the pores during deposition by DED was considered in this study. Analysis models according to pore location was generated. Thermo-mechanical characteristics depending on pore location were predicted. Finally, proper parameters such as suitable substrate shape, shape of deposited region and proper process parameters were proposed.

DED 공정을 이용한 SCM440 기저부 위 G6 분말 적층시 기저부 형상과 적층 전략이 적층 영역 열-기계 특성에 미치는 영향

양지완 조선대학교 대학원 2023 국내석사

Directed energy deposition (DED) processes can create three-dimensional metallic parts through layer-by-layer deposition of metallic materials with types of powder and wire on the metallic substrate. A rapid temperature change is taken place in the vicinity of the deposited region for the deposition. The rapid temperature change subsequently provokes an excessive residual stress in the vicinity of the deposited region. Especially, in the section where the deposition shape changes rapidly, the stress concentration phenomenon occurs and the deformation and cracking tend to intensify. The goal of this study is on the influence of the substrate shape and the deposition strategy on thermo-mechanical characteristics of the deposited region to deposit G6 powders on SCM440 substrate using a DED process. In addition, we would like to select an optimal substrate shape and the deposition strategy to reduce residual stress. Characteristic data related to the formation of the deposited region and corresponding deposition conditions for the FE model are provided by DN solutions Inc.. To select a finite element analysis model according to substrate shape, candidates were selected for substrate inclination angle, deposition height, and deposition length, and a 2D analysis model for straight lines and curves was designed according to the Z-axis direction. The validity of the two-dimensional interpretation was derived through the comparison of two-dimensional and three-dimensional interpretations. Temperature-dependent thermo-mechanical properties of G6 and SCM440 considering phase changes are obtained from JMat Pro. Software. The laser beam is assumed to be moving volumetric heat source with gaussian intensity distribution in a plane and penetration depth. Residual stress was predicted and compared according to substrate shape through thermal-mechanical analysis, and the reason for high residual stress was investigated through thermal history. For two-dimensional analysis according to the deposition strategy, the residual stress distribution was confirmed and the displacement was compared through thermal-mechanical analysis by adjusting the deposition path, interpass time, interlayer time, and distance to the reference point. Finally, a finite element analysis model was created according to the pores generated between deposition, and the changes in internal stress during product damage were compared and analyzed by comparing the existing analysis model and thermal-mechanical characteristics.

빌트인 냉장고의 기계실 소음저감 설계에 관한 연구

윤준호 계명대학교 대학원 2013 국내석사

본 연구에서는 실험적 방법을 이용하여 빌트인 냉장고의 기계실의 주요 소음원을 규명하고, 기계실 내부에 다공판 시스템을 적용하여 소음을 저감하였다. 첫째, 빌트인 냉장고의 소음특성을 분석하기 위하여 기존의 양문형 냉장고와 빌트인 냉장고의 소음현상을 비교하였다. 기계실이 상부에 위치한 빌트인 냉장고가 기존 양문형 냉장고보다 전방에서 소음이 우세한 것을 확인하였다. 기계실의 소음을 평가하기 위하여 기계실 내부에서 소음을 측정하였다. 실험결과에서 기계실 소음의 주요 주파수는 100~400 Hz 영역인 것을 확인하고, 기계실 부품의 소음기여도 평가를 실시하여 냉각팬이 기계실의 주요 소음원임을 규명하였다. 둘째, 냉각팬의 소음을 저감하기 위하여 기계실의 공간을 이용하여 다공판 시스템을 설계하였다. 전달행렬법으로 계산한 흡음계수를 활용하여 다공판 시스템의 설계변수인 공극률과 공극지름을 결정하고, 설계변수에 따른 다공판 시스템의 흡음성능을 평가하였다. 실험 결과에서 다공판 시스템의 흡음성능이 200~400 Hz 이하에서 우수하다는 것을 확인하였고, 소음저감 효과가 가장 우수한 공극률 1.2 %, 공극지름 2 mm의 다공판 시스템 모델을 도출하였다. 도출된 다공판 시스템 모델은 냉장고 운전 조건인 기계실 내부에서 3.1 dB의 소음저감 효과가 있는 것을 확인하였다. 마지막으로 무향실에서 다공판 시스템의 소음저감 효과를 검증하였다. 실험결과에서 전·후방 각각 1.8, 0.6 dB의 소음저감 효과를 얻을 수 있었다. This study presents the design and analysis of a perforated panel system (PPS) that is installed in the machine room of a built-in household refrigerator to achieve noise reduction performance. The design process in this study includes the analysis of the noise characteristic of the built-in refrigerator under consideration, followed by the design of a PPS and the evaluation of the noise reduction performance of the proposed PPS. First, the noise characteristic of a built-in refrigerator is analyzed through a comparison of noise levels between side-by-side and built-in refrigerators. It is observed from the analysis that the noise level of the built-in refrigerator is higher to that of the side-by-side refrigerator due mainly to the machine room in the built-in refrigerator being located in the front and upper side. The noise level in the machine room is measured. The major noise source is found to be a cooling fan inside the machine room and its frequency range is identified to be 100~400 Hz. Second, a PPS is proposed to reduce the noise of the cooling fan by using the partial cavity in the machine room. The design parameters of the PPS, such as porosity and hole diameter, are determined to maximize the absorption coefficients of the PPS by a transfer matrix of the four pole parameter method. Some sets of design parameters are also tested experimentally by applying them to PPS in the machine room to find the proper sets of parameters that are expected to give the best noise reduction performance. It is observed that a PPS with a porosity of 1.2% and hole diameter of 2 mm has an excellent performance in the frequency range of 200~400 Hz, and reduces the noise level inside the machine room up to 3.1 dB. Finally, the evaluation of the PPS, which is adopted in the machine room of the built-in refrigerator, is made in an anechoic room to prove its noise reduction capability. It is found that the noise reduction levels are 1.8 dB and 0.6 dB in the front and rear sides of the refrigerator, respectively.

Mechanical characterization of protein materials at multiple spatial scales

윤권찬 Graduate School, Korea University 2012 국내박사

Proteins are designed to perform mechanical functions for maintain the life of livings, and it can be possible to design the biomaterials through mimicking the protein function. Moreover, the protein causes some fatal disease when the proteins are mis-produced in the phenomenological condition, so it is important to understand the protein’s function, which is related to the structure and property of proteins. Recently the characterization methods help to investigate the structure-property relation of proteins in the multiple length scale form atomic to macro scale, and it can help to understand diverse functions of proteins. In this dissertation, the state-of-art of the characterization methodology for biomaterial is introduced, and the structure-property-function relationship of the protein materials is investigated in multiple hierarchical structures of proteins such as single bond, protein domain, and protein fibrils. Furthermore, diverse in silico characterization methodologies are suggested which are proper to each hierarchy of protein materials. It is believed that the result from mechanics-based studies about the protein materials in this dissertation can positively inspire engineers who participate to the interdisciplinary fields. 단백질은 생체 내에서 여러가지 기능을 담당하도록 설계되었는데, 그 중 기계적인 것과 관련된 기능을 하는 단백질이 몇 가지 있다. 예를 들어 거미줄의 spider silk protein 과, 근육의 muscle protein 은 아주 중요한 기계적 기능을 담당하고 있다. 최근 들어 이 단백질들을 생산하고, 또한 모방하여 인공 생체 재료를 만드는 연구가 활발히 진행 중에 있으며, 그것의 설계 원리에는 단백질의 구조-물성 관계가 큰 역할을하고 있다. 또한 단백질이 변성됨으로써 질병을 유발하는 경우가 있는데, 그 예로 알츠하이머병, 파킨슨병, 당뇨병 등이 있다. 이 질병들의 공통점은 질병의 원인이 인체 조직내에 아밀로이드라는 단백질이 형성되어 자리 잡아 정상적인 조직을 밀어내기 때문이다. 그리고 최근 연구에 의하면 이 아밀로이드 단백질은 탄성계수가 수십 GPa에 육박하는 견고한 물질임이 밝혀진 바 있다. 이처럼 기계적인 물성은 단백질의 변성과 관련된 질병의 특징을 대표하는 중요한 지표가 될 수 있다. 더 나아가 이 아밀로이드 단백질을 이용하여 새로운 나노 소재로 이용하려는 움직임도 있는데, 이를 위해서는 단백질 재료의 설계 원리, 즉, 구조-물성 관계가 정립되어야 할 필요가 있다. 단백질은 아미노산이라는 단위 분자가 사슬처럼 연결되며, 이 사슬이 3차원의 접힌 구조를 갖는다는 것이 큰 특징이다. 그리고 이 3차원의 접힌 구조가 모여 나노 섬유 형태를 이루고, 이것들이 모여 조직을 형성하는 계층적 구조를 가지고 있다. 기술 의 발전으로 단백질의 계층적 구조가 점점 밝혀지고 있으며 그 결실을 맺고 있는데, 최근 들어서는 가장 하위 계층인 아미노산을 조작하여 상위 계층의 3차원의 접힌 구조를 만들고, 그것을 모아 원하는 물성을 가진 재료를 만드는 Bottom-up 방식의 재 료 설계 방법이 성공적으로 제시되었다. 이러한 흐름으로 볼 때 단백질의 각 계층 구조와 기계적인 물성의 관계를 정립하는 것은 매우 의미 있는 연구라고 할 수 있다. 본 학위 논문의 1장에서는 위에서 설명한 것과 같이 단백질의 기계적 물성 파악이 중요한 이유와, 1990년대부터 현재까지 단백질의 기계적 물성을 파악하는 실험과 시뮬레이션에 관련된 것을 정리했다. 특히, 마지막에 정리된 Coarse-grained method 는 본 논문에서 사용한 해석 기법으로, 계층적 구조를 가지는 단백질의 기계적 특성을 파악하기에 매우 효율적인 시뮬레이션 기법이라고 할 수 있다. 2장에서는 단백질의 가장 하위 계층인 단일 결합의 기계적인 특성을 정리하였다. 특히 단일 결합에 외력이 작용하여 결합이 깨질 때 발생하는 힘이 인장 기구의 강성과 어떤 관련이 있는지를 연구하였다. 3장에서는 단백질의 그 다음 상위 계층인 secondary structure 의 기계적인 특성을 파악했다. 그 중 단백질의 3차원 구조 중 기본이 되는 ┒-helix 구조와 ┑-hairpin 구조, 그리고 이방성의 특징을 지니는 ubiquitin에 대해 연구하였다. 4장에서는 단백질의 그 다음 상위 계층인 fiber 형태를 이루는 단백질의 기계적물성을 파악하였다. 본 연구의 차별성은 fiber 형태의 단백질 전체를 해석하지 않고, 전체 구조를 대변하는 대표 체적 요소를 사용하여 전체 fiber의 기계적 물성을 파악하였다는 것에 있다. 5장에서는 질병과 관련된 단백질에 대한 기계적인 물성을 파악하였다. 또한, 앞에서 소개한 아밀로이드 단백질의 구조-물성 관계를 정립함으로써, 질병을 더 이해하고, 아밀로이드 관련 단백질 소재의 설계 원리를 제안하고자 하였다. 마지막으로 6장 에서는 결론을 지었다. 이 논문은 나노 바이오 분야의 줄기 중 하나인 생체 나노 소재와 관련된 연구이다. 특히, 생체 나노 소재 중 생체 내에서 각종 기능을 담당하는 단백질의 기계적인 물성을 파악함으로써 단백질 재료의 구조-물성 관계를 정립한 것에 본 논문의 의의가 있다. 본 논문이 향후 나노 바이오 분야와 더불어 학제간 융합 연구를 하는 연구자들에게 도움이 되기를 기대한다.

배터리 셀 개수에 따른 기계적 거동과 전기화학적 성능 평가 및 분석 연구

임현우 국립한밭대학교 대학원 2025 국내석사

배터리 셀 개수에 따른 기계적 거동과 전기화학적 성능 평가 및 분석 연구 논문제출자 임 현 우 지 도 교 수 송 지 환 리튬이온 배터리는 구동 과정에서 리튬이온의 (de-)intercalation 에 의한 기계적 거동을 보이며, 사이클이 반복됨에 따라 SEI 층의 성장, 가스 생성 등에 의해 비가역적 두께 성장이 발생한다. 특히, 멀티 셀로 구성된 모듈 또는 팩은 단일 셀과는 다른 전기화학적/기계적 거동을 보일 것이라 예상되며, 이는 모듈 또는 팩의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 멀티 셀에 대한 평가 기법을 활용하여 배터리의의 기계적 거동 및 전기화학적 성능 분석이 필요하다. 본 연구에서는 리튬이온 배터리의 멀티 스케일 평가를 수행하고, 기계적 전기화학적 분석이 수행되었다. 실험 조건은 각각 배터리 셀의 개수와 구동 온도에 따라 구성되었으며, 100 사이클 동안의 기계적 변형 및 응력과 전기화학적 성능 측정 실험을 수행하였다. 이 과정에서 멀티 셀로 구성하였을 때 셀의 개수에 비례한 값보다 큰 변형이 나타나는 특성을 발견하였다. 이러한 현상의 원인을 분석하기 위해 동일한 압력이 가해질 때 셀 개수에 따라 발생하는 압축 특성을 분석하였다. 이를 통해, 셀의 개수가 증가함에 따라 하나의 셀에서 발생하는 압축양이 감소하는 양상이 확인되었으며, 단일 셀과 비교하여 더 큰 압력이 생성되는 멀티 셀 조건에서 더 빠른 용량 퇴화가 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 압축 특성 차이로 인한 배터리의 변형 양상의 차이의 발현 현상을 확인하기 위해 추가적으로 셀 개수에 따른 압축 특성이 고려된 전기화학적 반응 역학 기반의 두께 변화 예측 모델을 개발하였다. 시뮬레이션 결과, 셀 개수에 따른 압축 특성을 고려한 경우가 그렇지 않은 경우에 비하여 실제 실험과 유사한 기계적 특성을 보이는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 보다 정확한 모듈 또는 팩 설계 및 두께 예측 모델 개발에 배터리 셀 개수에 따른 압축 특성이 고려되어야 함을 시사하고자 한다. 더 나아가, 본 연구 결과는 배터리의 기계적 안정성 및 전기화학적 성능 최적화를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이라 기대한다.

고성능 칼륨 이온 배터리를 위한 멀티스케일 설계 시스템 개발

김수빈 국립한밭대학교 대학원 2025 국내석사

칼륨 이온 배터리는 풍부한 칼륨의 자원 , 낮은 산화환원 전위 , 그리고 작은 용매화 이온과 같은 장점으로 인해 리튬 부족 문제를 해결할 수 있는 유망한 대체재로 주목받고 있다 . 하지만 칼륨 이온의 큰 이온 반지름으로 인해 칼륨 이온의 삽입 및 탈리 과정에서 전극에 비가역적인 기계적 열화가 초래되어 낮은 전기화학적 성능을 갖는 한계점이 존재한다. 이러한 한계점을 극복하기 위해서는 칼륨 이온 배터리의 전기화학적-기계적 거동을 정확하게 해석하고, 이를 바탕으로 설계하는 것이 필수적이다. 기존 연구들은 칼륨 이온 배터리의 전극 재료 물성 조사에 초점을 맞춰왔지만, 칼륨 이온 농도를 고려하지 않아 칼륨 이온 배터리의 충/방전 과정 동안 변화하는 재료 물성을 조사할 수 없었다. 또한, 배터리의 정확한 전기화학적-기계적 거동 해석을 위한 멀티스케일 설계 시스템 개발 연구는 주로 리튬 이온 배터리에 초점을 맞춰왔으며, 칼륨 이온 배터리를 위한 멀티스케일 설계 시스템은 아직 보고된 바가 없다. 본 연구에서는 칼륨 이온 배터리를 대상으로 원자 수준 계산을 통해 재료 물성을 얻고 이를 이용하여 전극 수준의 전기화학적-기계적 거동까지 체계적으로 분석 할 수 있는 멀티스케일 설계 시스템을 제안한다. 밀도 범함수 이론을 통해 재료 물성을 조사하였고, 그 결과, 흑연 전극의 확산계수와 기계적 물성은 흑연 내 삽입된 칼륨 이온 농도에 크게 의존한다는 것을 확인하였다. 더 나아가, 이들을 전극 수준에서의 3D particle network model에 적용하여 칼륨 이온 배터리의 전기화학적-기계적 거동을 해석하였다. 그 결과, 멀티스케일 설계 시스템에 적용된 재료 물성의 칼륨 이온 농도 의존 여부에 따라 전기화학적-기계적 거동 해석 결과에 차이가 발생하였고, 이는 칼륨 이온 배터리의 정확한 전기화학적-기계적 거동 해석을 위해서는 칼륨 이온 농도에 따른 전극 재료 물성의 면밀한 분석이 중요하다는 것을 시사한다. 제안된 멀티스케일 설계 시스템은 원자 수준에서의 칼륨 이온 배터리의 전극 재료 물성부터 전극 수준에서의 칼륨 이온 배터리의 전기화학적-기계적 거동 해석까지의 포괄적인 이해를 제공하며, 고성능 칼륨 이온 배터리를 위한 이론적인 토대를 마련할 것이다.

3축 및 5축 머시닝센터의 정밀도 분석 및 오차보상에 관한 연구

김기환 대구대학교 2015 국내석사

Recently, as required parts precision rises, the machine tool accuracy is becoming very important. Hence it is essential to maintain machine tool accuracy and to remove various kinds of error source. Generally, error sources of machine tool are classified into 3 groups such as geometrical error, thermal error and machining error. In the case of geometrical error, KS/ISO standards defines the geometric errors and their measuring method. However, geometric errors or evaluation items for 5-axis machine tool are insufficient to define the machine tool accuracy exactly. This study analysed the evaluation items to check the geometric accuracy of 3-axis and 5-axis machine tools, and proposed new evaluation items. And also, this study proposed new 5-axis test workpiece to analyse the machine accuracy and verify the error sources. In order to verify its effectiveness, measurements of geometrical error of 3-axis and 5-axis machine tool are performed and 5-axis test workpiece is machined and its machining accuracy are measured by CMM. As a result, the machined accuracy of the test workpiece is correlated well with the machine accuracy, and newly developed 5-axis test workpiece could effectively check the machine tool accuracy and confirm the error sources. On the other hand, thermal and machining error(tool deflection error) were measured using simple diamond-shaped test workpiece in this study. In order to get the error profile curve of 4 sides, eddy current type sensor was used and geometrical, thermal and machining errors are compared quantitatively. As a result, thermal and machining error are generally much bigger than geometrical error, and these error should be compensated properly. For compensation of 3 error sources of machine tool, the error compensation matrix was proposed by the use of measured error value and angular. As a result, total error is reduced to 10% after error compensation. As a result, this study classified machine tool error as geometrical, thermal and machining error, and compared the magnitude of these three errors. Finally, it is shown that the machine tool accuracy can be compensated and maintained properly.