고에너지 밀링 및 반응 합성에 의해 제조된 Fe-TiC 복합재료분말의 소결에 관한 연구

이용희 울산대학교 대학원 2013 국내석사

TiC is a refractory compound with excellent hardness, thermal and corrosion resistance and chemical inertness. TiC-reinforced Fe-based matrix composite is a potential candidate to be responsible for costly WC-Co cements in applications of cutting tools and high-performance wear-resistant parts. Fe-TiC composite produced by various processes have been performed. Most of them were produced by the in-situ technique that reinforcements are formed in-situ and distributed in the Fe-based matrix by the chemical reaction between elements or their compounds during the fabrication process. The outstanding advantages of in-situ composites vs. ex-situ ones composed of uniform distribution and finer particles size of reinforcement, especially reinforcement-matrix agglutination is very good. Milling the pure Fe and TiC powders is conventional route to fabricate Fe-TiC composite powder. Fabrication of uniformly compound micro powder is expected to reduce of raw material cost by using the FeO, Carbon and TiH2 powders. In this study, Fe-TiC composite was prepared with three powder fabrication process. The first process includes Milling of precursors, and then Reduction & Synthesis are performed in a tube furnace. The FeO and 1.75 at% C powders were ground in a high-energy mill (AGO-2 mill) followed by a heat treatment process to reduce FeO by Carbon and the mixture would be Fe?0.75at%C powder after the reduction. In next step, this mixture would be added with sufficient amount of TiH2 powder to be expected to form a final product of Fe?30wt%TiC composite. The Fe?0.75at%C-TiH2 mixture was then milled again before synthesized in a tube furnace and sintering by the mean of SPS facility. In the second process, the Fe?0.75at%C-TiH2 mixture after milling again was synthesized and sintered simultaneously in a SPS chamber. Third process was performed on Fe and TiC precursor powders to fabricate an ex-situ Fe?30wt%TiC composite in order to compare with that of two processes above. It was a simple process by milling a mixture of Fe and TiC stating powders in the same mill, AGO-2 mill, and then the milled mixture was sintered by SPS facility. The optimal condition of first and second milling for high-energy planetary mill is 500 rpm for 1h. 10g of mixed powder is loaded into a jar with steel ball (Φ5)and the ball to powder ratio was kept at 20:1 in all milling processes. The jars were evacuated and filled with 0.3MPa pure Ar gas before each running to prevent oxidation during processing. Reduction & Synthesis processes both are carried out in the horizontal tube furnace, Therm Vac, working temperature 1750℃. Powder mixture is filled into a corundum boat and Ar gas is flowed in the furnace (180ml/min). The heating rate was 5℃/min, and the temperature was set at 900℃ for reduction and 1000℃ for synthesis. It should be maintain for 1hour and cool down. To examine the powder characteristic do FE-SEM shape observation, X-ray mapping analysis, LPSA particle size analysis, EDS composition analysis and XRD phase analysis. Those analysis results of M powder showed fine and uniform distribution (average size is 0.53㎛) The fabricated three type of Fe-TiC composite powder was densified by SPS system (Spark Plasma Sintering, 515S model) under the following condition; Sintering temperature of 1070℃, sintering pressure of 70MPa, heating rate of 50℃, holding time of 10 minutes and vacuum gauge of 1.33×10-5MPa. Using the data that comes from SPS draw the shrinkage curve and densification rate curve. Through the characteristic analysis, sintering behavior is identified with each section. M-R powder is the best properties which are fine particle size, uniform distribution and SHS effect among the powders. It is recognized from the sintering behavior. The relative density of sintered composite compounds are 91.6%(M process), 96.2%(M-R-S), and 98.9%(M-R), which means M-R sintered composite has a good characteristic. Microstructure observation showed that fine TiC particles with retained submicron<less than 1μm> size were uniformly distributed in Fe matrix. Vickers hardness of 720Hv10 was measured and expected composition was Fe-30wt%TiC. M-R powder which has the best characteristics was fabricated by pressureless sintering with stainless steel mould. After the compression molding, it is placed on horizontal tube furnace. The condition of sintering process is same as previous synthesis process. The result of pressureless sintering is relative density of 74.8% ~ 84.1%. 마이크론 크기 이하의 입자가 분산된 세라믹스 강화 재료는 WC 재료를 대체할 수 있는 공구재료로 각광받고 있다. WC의 경우 높은 녹는점을 가진 재료이며 고온에서의 고경도를 가지고 내마모성을 가진 재료이다. 하지만 가격이 비싸고 가공성이 좋지 않아 비슷한 성능을 가질 수 있는 대체 재료로 Fe계 세라믹스 분산강화재료가 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다. 그 중 Fe-TiC 복합재료는 높은 경도와 융점을 가지며, 내마모성과 열 및 화학적으로 안정한 대표적인 금속기지 복합재료로 알려져 있어 절삭공구 및 내마모 부품과 같은 첨단산업분야에 널리 사용되고 있다. 우수한 기계적 특성과 열적 안정성을 얻으면서, 동시에 WC 재료의 단점을 보완하기 위한 방법으로 Fe 기지상에 미세하고 균일한 크기의 TiC 입자를 강화상으로 균일 분산시키고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 분말공정에서는 순수 Fe 분말에 TiC 분말을 밀링하여 Fe-TiC 복합분말을 제조하였으나, FeO와 Carbon, TiH2 분말을 이용하면 원재료 단가의 감소와 함께 밀링 효과를 제고시킬 수 있어 균일혼합 미세분말 제조가 가능할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 다음과 같은 세 가지 분말 제조공정을 사용하여 Fe-TiC 복합재료 분말을 준비하였다. 첫 번째 공정은 기존의 일반적인 분말야금에서 사용하는 단순 혼합 밀링(Milling; M)법으로 Fe 분말과 TiC 분말을 칭량하여 고에너지 밀링하는 방법이다. 두 번째 공정은 밀링, 환원 및 합성(Milling, Reduction & Synthesis; M-R-S)법이다. FeO 분말과 carbon 분말을 칭량하여 고에너지 밀링법으로 1차 밀링하고 환원하여 Fe + C 혼합분말을 만든다. 그 후에 이 혼합분말과 TiH2 분말을 함께 칭량하여 2차 밀링을 한 뒤, TiC로 합성하여 분말을 제조한다. 세 번째 공정은 밀링 및 환원(Milling&Reduction; M-R)법이다. M-R-S 방법과 2차 밀링공정까지 동일하며, TiC로의 합성은 하지 않고 소결과정에서 합성반응 시키는 방법이다. 1차 밀링 및 2차 밀링 조건은 고에너지 밀링장치(Planetary mill; P-100)를 이용하여 500rpm으로 1시간동안 밀링하였는데, 밀링 시 장입하는 분말의 총 양은 10g이고, 분말과 함께 강구(φ5)를 함께 용기에 장입한다. 용기와 강구의 재질은 stainless steel이며 분말과 강구의 장입 비율은 1 : 200 이다. 밀링 시 높은 에너지가 가해지게 되는데 이때 산화가 될 수 있으므로 분말 장입 후 용기 내에 Ar gas를 함께 주입하여 분위기를 치환해주었다. 1, 2차 밀링 후 환원공정 및 합성공정을 실시하였는데, 두 공정 모두 수평관상로를 이용하여 실험을 진행하였다. 분말을 세라믹 보트에 담아 관상로에 넣고, 산화를 막기 위하여 10분간 Ar gas 분위기로 치환하고 실험이 진행되는 동안 180ml/min의 속도로 흘려주었다. 승온 속도는 5℃/min이며, 환원 시 900℃까지, 합성 시 1000℃까지 승온한 뒤 1시간 유지 후 노냉하였다. 분말 특성을 조사하기 위해 FE-SEM 형상 관찰과 X-ray mapping 분석, LPSA 입도 분석, EDS 조성 분석 및 XRD 상 분석을 실시하였고, M 분말이 평균입도 0.53μm의 미세하고 균일 분포를 가진 분말이라는 것을 확인할 수 있었다. 준비된 세 가지 Fe-TiC 복합분말을 이용하여 방전플라즈마소결(Spark Plasma Singering; SPS)하여 시편을 제조하였다. 소결온도는 1070℃, 소결압력은 70MPa, 승온속도는 50℃/min, 유지시간은 10분, 진공도는 1.33×10-5MPa의 진공 분위기에서 소결을 진행하였다. 분말을 장입한 몰드와 펀치는 흑연재질이었다. 분말 장입 시 전기 전도의 상승 및 소결 후 몰드와 쉽게 분리하기 위하여 윤활제 역할을 하는 Carbon paper를 분말과 몰드 사이에 넣어 분리시켰다. 시편은 1.4g의 분말로 제조하였으며, 직경은 10mm, 높이는 2~4mm로 제조하였다. 방전플라즈마 소결 시 수축률 곡선 및 치밀화 속도곡선을 얻기 위하여 SPS 장비 내 프로그램을 이용하여 5초에 1회씩 수축량을 측정하고, 그 데이터를 이용하여 수축률 곡선 및 치밀화 곡선을 구하였다. 치밀화 속도 변화 구간을 구분하여 각 온도 범위의 시편을 제조하고 FE-SEM 형상 분석과 XRD 상 분석, EDS 조성 분석 및 경도 분석과 같은 특성분석을 실시하였으며, 각 구간별 소결거동을 확인하였다. 그 결과 M-R 분말이 미세하고 균일한 분포의 분말을 가지면서 자전합성반응에 의해 가장 특성이 높은 소결체를 제조하는데 성공하였고 소결거동에 관해 논하였다. 세 가지 공정으로 제조된 M, M-R-S, M-R 분말의 소결체는 각각 91.6%, 96.2%, 98.9%의 상대밀도를 나타내었으며, M-R 분말의 소결체가 가장 좋은 특성을 나타냄을 확인하였다. M-R 분말 소결체는 1μm 내외의 TiC 입자들이 Fe 기지 내에 균일 분포한 형상을 나타내었으며, 상온에서의 비커스 경도는 720Hv10, 조성은 기대 조성인 Fe-30wt%TiC 임을 확인하였다. 가장 높은 특성을 가진 M-R 분말을 이용하여 상압소결을 실시하였다. Stainless steel 재질의 직경 10mm 시편을 제작할 수 있는 몰드에 M-R 분말을 각각 1.4g을 장입한 후 가압성형하고 이를 수평관상로에 넣어 상압소결체를 제조하였다. 소결조건은 합성공정과 동일한 조건으로 실시하였다. 즉 승온속도 5℃/min, 유지시간 1시간, Ar gas 분위기에서 실시하고 노냉하였다. 그 결과 상대밀도 74.8 ~ 84.1%를 갖는 소결체를 제조하였다.

유성 볼밀링으로 제조된 TiB2 입자강화 Fe 기지 복합재료 분말의 방전플라즈마소결

배선우 울산대학교 대학원 2016 국내석사

현재 마이크론 크기 이하의 세라믹스 입자가 분산된 강화 재료는 초경(WC-Co) 대체 재료로서 주목받고 있다. 초경재료는 높은 경도와 융점, 고 내마모성을 가지는 재료이지만, 가격이 비싸고 가공성이 비효율적인 이유로 Fe계 세라믹스 분산강화재료를 개발하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. Fe-TiB2 복합재료는 내마모성, 열적 안정성 등 우수한 특성의 TiB2 세라믹스 입자를 강화재로 사용하는 금속기지 복합재료이며, 초경재료와 비견되는 높은 경도와 융점을 가지지만 가격이 저렴하며 가공성이 용이하다. 일반적으로 금속기지 세라믹스 강화입자 복합재료 제조방법은 분말야금법이 많이 사용되는데, 우수한 기계적 특성과 열적 안정성을 위해서는 금속 기지상의 연결과 세라믹스 입자의 미세 균일 분포가 중요하다. 분말야금 중 고에너지 볼 밀링 공정은 미세하고 균일 분산된 복합분말을 제조할 수 있는 방법으로 알려져 있다. 본 연구에서는 유성 볼밀을 사용하여 서로 다른 두 가지 Fe-TiB2 복합재료 분말을 준비하였다. 첫 번째 복합분말은 기존의 일반적인 분말야금에서 사용하는 단순 혼합 밀링법으로 Fe 분말과 TiB2 분말을 혼합한 FT 분말(ex-situ기법), 두 번째 복합분말은 FeB 분말과 TiH2 분말을 혼합 및 분쇄시킨 후 TiB2 합성온도에서 열처리한 FBT 분말(in-situ기법)이다. 분말 분석 결과, FT 분말의 평균입도는 1.1μm, FBT는 1.4μm로 두 가지 분말 모두 미세한 분말이 제조되었으나, 서로 다른 미세조직을 나타내었다. 두 복합분말 모두 등축상의 형상을 보였으나, FT 보다 FBT 분말의 입도 미세화, 입자 균일성, TiB2 분산성이 우수하였다. 소결 조건을 찾기 위해 제조된 복합분말들을 방전플라즈마 소결하여 수축률 곡선과 치밀화 곡선을 구하였으며, FT분말은 1150℃, FBT분말은 1080℃에서 수축이 더 이상 일어나지 않는 것을 확인했다. 치밀화 거동을 살펴보기 위해 각 온도별 구간을 정하여 소결체의 파단면을 조사하였다. 상대밀도는 FT 분말 소결체의 경우 1150℃에서 99.6%, FBT 분말 소결체의 경우 1080℃에서 99.8%이었다. 소결체 미세조직에서 FT 분말 소결체는 수 μm 이상의 조대한 TiB2 입자들이 Fe 기지 내에 불균일 분산되어 있으며, 반면에 FBT 분말 소결체는 아주 미세한 TiB2 입자들이 Fe 기지 내에 균일 분산되었다. 상온에서의 비커스경도는 각각 1821 Hv10, 1998 Hv10으로 FBT 분말 소결체가 더 우수한 결과를 보였다.

치과용 수복재 PAEKs(polyaryletherketones)의 임상적용에 관한 연구

우창우 배재대학교 2016 국내박사

치과용 수복재 PAEKs(Polyaryletherketones)의 임상적용에 관한 연구 최근 치과보철물에 사용되는 재료들이 새롭게 개발되어지고 출시되고 있으며 특히 치과 분야에 소개된 PAEKs(Polyaryletherketone s)은 치과 보철물로서 우수한 강도와 자연치와 유사한 물성을 가지고 있는 물질이다. PAEKs는 high-performance semicrystalline thermo plastic resin으로 keto-와 ether-group의 비율에 따라 다른 family member들로 나뉜다. 고성능 열가소성 플라스틱 소재인 PAEKs는 열에 의해 성형된 이후 고온에 노출된 상태에서 물리적, 화학적인 성질이 유지되는 항구적 물성 유지와 우수한 기계적 강도와 경도를 가지고 있으며 난연성으로 항공분야의 구조재로 고성능 분야에서도 활용하 는 재료이다. 또한 매우 낮은 수분 흡수력과 전기절연성 또한 가지고 있다. 이러한 특성은 반도체, 전기부품, 각종 정밀기기부품 등에 사용가능하다. 치과분야 이전에 의료분야 전반과 항공우주 산업 등 다양한 용도로 사용되어져 왔던 소재이고 유럽에서는 이 소재와 관련된 연구를 오래전부터 진행해 왔다. 특히 독일의 일부 회사에 의해 제품이 출시되어 최근 치과시장에 사용되어져 왔다. 우리나라에서도 최근 식약처(Korea Food and Drug Administration)로 부터 승인을 받아 치과보철 수복재료로 사용되고 있다. 또한 PAEKs 소재가 치과재료로서의 우수한 특징은 자연치의 상아질과 유사한 탄성계수(Modulus of Elasticity)를 가지고 있다는 것이다. 자연치의 구조는 법랑질과 상아질로 구성하고 있으며 단단한 법랑질과는 다르게 상아질은 낮은 탄성계수를 가지고 있어 Periodontal ligament와 함께 구강 내에서 발생되는 저작시의 충격으로부터 자연치를 보호 유지를 할 수 있다. 특히 단단한 치조골에 고정되어 있는 임플란트 보철에서 기존의 높은 수치의 탄성계수를 가지고 있는 보철재료 대신에 자연치와 유사한 낮은 탄성계수의 수치를 가지고 있는 PAEKs소재의 사용은 교합력에 대한 Shock absorbing을 할 수 있다. 앞으로 치과시장에 출시되는 보철재료는 자연치와 유사한 광학적인 특성과 물성을 가지고 있는 재료로 발전할 것이다. 고분자재료인 PAEKs은 자연치와 유사한 물성을 가지고 있어 앞으로 치의학분야에서 치과보철 수복재료로 많은 활용이 기대되는 재료이다. 본 연구에서는 PAEKs(Polyaryletherketones)군에 속해 있는 PEKK(Polyetherketoneketone)에 대한 임상적합도와 관련하여 Composite resin과의 결합력, CAD/CAM을 이용하여 밀링 후 보철물의 내면의 적합도, 그리고 생체적합성에 대해 연구하고자 한다.

전하 캐리어 거동 분석 및 균형 최적화를 통한 양자점 발광 다이오드의 고성능화

김동진 순천향대학교 대학원 2022 국내박사

A quantum-dot light-emitting diode (QLED) is an electroluminescence (EL) device using colloidal quantum dots (QDs). QLEDs have the advantages of high color purity, wide viewing angle, and no need for a separate light source (BLU: Back-Light Unit). For the past several years, research has been conducted to improve the efficiency and lifetime of QLEDs. However, there still remain unsolved issues. Among them, imbalanced injection of holes and electrons is one of the major issues. The degradation due to the imbalanced injection results in the decreased efficiency and lifetime of QLED. QLEDs have a structure in which the light-emitting layer (EML) is sandwiched between an electron-transporting layer (ETL) and a hole-transporting layer (HTL). This stacking structure is similar to that of organic light-emitting diodes (OLEDs), and the light emission mechanisms of QLEDs and QLEDs are similar to each other. The charge injection balance of QLEDs depends on the material properties of the electron and hole transport layers such as the interface properties and carrier mobilities. Analysis and understanding of the charge carrier behaviors is important to improve the injection balance. Conventional analysis methods of the charge carrier behaviors mainly on the examination of the relations between the driving characteristics of the light-emitting devices and the material properties. However, the selection of the charge transporting layer material is limited by the fabrication technologies and material properties. Furthermore, it is difficult to improve performance due to insufficient technologies to understand and analyze the charge carrier behaviors of light-emitting devices and the difficulties in the fine control of the properties of charge transporting materials. In this study, an impedance spectroscopy method is used to understand the QLED charge carrier behaviors more directly than before. To change the charge injection characteristics, devices with various QD EML thicknesses and with various organic and inorganic HTL materials were designed and fabricated. In addition, the device current efficiency improved from 0.9 cd/A to 7.0 cd/A as a 10-nm organic inter layer was inserted between the inorganic HTL and QD EML. The QLED structure is ITO/ZnO NPs/QD/HTL/WOx/Ag. In addition, the changes in charge behaviors were analyzed by comparing the capacitance-voltage (C-V) results obtained from impedance spectroscopy measurements and the driving characteristics of the QLED. In order to overcome the limit of the charge balance improvement, a hybrid quantum dot EMLs fabricated by mixing a HTL material and QDs were applied to the QLED. In this, the charge balance was optimized by adjusting the organic material ratio in the hybrid quantum dot EML; in addition, the charge balance could be improved further by applying an organic HTL or an organic/inorganic double HTL. To understand the charge carrier behavior, and driving characteristics of the QLED were analyzed and compared with the conventional charge injection balance analysis methods such as energy band diagram and single charge only devices analysises. To optimize the charge balance, both HTL and ETL were used in combination with hybrid QDs, then the charge transport layer thicknesses were adjusted. The combination of a hybrid QD EML and a TAPC HTL resulted in the best performance; the QLED maximum current efficiency was 44 cd/A and maximum luminance 80,000 cd/m2. Also, a QLED equivalent circuit was designed to interpret the IS results. This gave the capacitance and resistance values of the EML and the charge-transporting layer at the same time, and revealed the relationships between these values and charge carrier behaviors in the QLEDs. Through my works, QLED performance can be improved greatly and the methods for analyzing and understanding charge carrier behaviors in QLEDs are provided. 양자점 발광 다이오드 (QLED: Quantum Dot Light-Emitting Diode)는 스스로 빛을 내는 콜로이드 양자점 (QD: Quantum Dot)을 이용한 전계 발광 소자로, 별도의 광원 (백라이트)이 필요 없고, 높은 색 순도, 넓은 시야각 등의 장점을 가진다. 지난 수년 동안 QLED의 효율과 수명 향상을 위한 연구가 진행되었다. 하지만 여전히 극복해야 할 문제들이 존재하며, 그중 정공과 전자의 불균형 주입은 소자의 효율 저하와 열화에 의한 수명 저하를 유발한다. QLED는 유기 발광 다이오드 (OLED: Organic Light-Emitting Diode)와 유사한 적층 구조 및 발광 원리로, 발광층 (EML: Emission Layer)이 전자수송층 (ETL: Electron Transporting Layer)과 정공수송층 (HTL: Hole Transporting Layer) 사이에 끼워진 샌드위치 구조이다. 따라서 양자점 발광 다이오드의 전하 주입 균형은 전자 및 정공수송층의 계면 특성 및 이동도와 같은 재료 자체가 갖는 특성에 의해 결정된다. 이를 개선하기 위한 기존의 전하 캐리어 거동에 대한 이해와 연구 방법은 재료의 전기적 광학적 특성의 이해와 함께 발광 소자에 재료를 적용하고 구동 특성을 비교하여 전하의 거동을 추론하는 방법으로 연구되어왔다. 하지만, 공정 기술 및 재료 특성에 따라 전하수송층 재료의 선택이 제한적이고, 주입 균형 개선을 위해 전하 수송 재료의 특성을 세밀하게 제어해야 하는 기술적 난이도와 함께 발광 소자의 전하 거동을 이해하고 분석하는 기술의 부족으로 성능 향상 연구에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 기존에 비해 보다 정확한 양자점 발광 다이오드의 전하 캐리어의 거동을 이해하기 위해서 임피던스 분광법을 이용하였다. 전하 주입 특성의 변화를 위해 양자점 발광층 두께에 따른 소자, 유기 및 무기 정공수송층 재료에 따른 소자를 설계하였다. 또한 무기 정공수송층과 양자점 사이에 유기 중간층을 적용하여 소자의 전류 효율 성능을 0.9cd/A에서 7.0cd/A까지 향상시켰다. 설계된 구조는 ITO / ZnO NPs / QD / HTL / WOx / Ag이다. 이에 따른 전하 거동의 변화는 임피던스 분광법을 이용하여 얻은 정전용량-전압과 발광 소자의 구동 특성을 대조하여 분석하였다. 전하 수송층의 재료 변화에 의한 전하 주입 균형 개선의 한계를 극복하기 위해서 전하 수송 재료와 양자점을 섞은 하이브리드 양자점을 QLED에 적용하였다. 또한, 하이브리드 양자점의 전하 수송 재료 비율을 조절하고 유기 정공수송층 및 유/무기 혼합 정공수송층을 각각 적용하여 전하 균형을 최적화하였다. 전하 거동의 이해를 위해 정전용량-전압과 발광 소자의 구동 특성을 분석하였고, 에너지 밴드 다이어그램 분석 및 전하-전용 소자와 같은 기존의 전하 주입 균형 분석방법과 비교하였다. 가장 최적화된 전하 주입 균형을 갖는 재료 및 구조로, 하이브리드 양자점과 함께 가장 우수한 ETL과 HTL을 적용하고, 최종적으로 전하 주입 균형을 미세하게 조절하기 위해 전하 수송층 두께를 조절하였다. QLED의 최대 전류 효율은 ETL 80nm, HTL 50nm의 소자에서 44cd/A, 최대 휘도는 ETL 80nm, HTL 40nm의 소자에서 80,000cd/m2의 휘도를 얻었다. 또한, 저항, 정전용량 요소를 이용하여 QLED에 대응되는 등가회로를 제안하고, 등가회로를 이용하여 전하 거동을 보다 직접적으로 분석하고 동작 메커니즘을 이해하였다.

MDF 시멘트 複合材料의 强度와 微細構造에 미치는 添加材의 影響

김태현 漢陽大學校 1992 국내박사

연속압입시험과 디지털 이미지 상관기법을 이용한 금속소재의 항복강도 이방성 분석

김수현 안동대학교 일반대학원 2024 국내석사

이방성이란 재료의 물성이 방향에 따라 다르게 나타나는 성질을 의미한다. 이는 재료 내부의 구조, 결정구조, 제조 공정에 의해 발생할 수 있다. 예를 들어 압연이나 압출과 같은 가공 공정을 거친 재료는 방향에 따른 소성변형으로 인해 기계적 성질의 이방성을 보일 수 있다. 재료의 이방성으로 인해 이방성 변형 및 파괴가 발생할 수 있다. 연성 파괴 분석은 인성과 연성이 필요한 기계적 성질을 요구하는 여러 공학 문제에서 중요하게 여겨진다. 기존의 구조물들은 대부분 구조재료로 금속을 사용하고 연성 파괴 분석은 기존의 구조물들에 결함이 없다는 것을 가장 잘 보장하는 결함 평가 방법이지만 금속의 이방성으로 인해 연성 파괴 분석에 왜곡을 초래한다. 그리고 탄성계수의 이방성과 관련하여 피로수명 예측에 오류가 발생할 수 있다. 압연진행 시 압연진행 방향이 압연진행 수직 방향보다 피로수명이 더 긴 것을 볼 수 있으며, 이는 피로수명 예측에 방해가 되는 것을 알 수 있다. 이방성을 측정하는 기존의 대표적인 실험으로는 인장시험이 존재한다. 인장시험은 재료의 인장특성을 측정하는 방법이며, 재료의 물성을 측정하는 기본적인 측정방법이다. 자세한 측정 및 분석 방법은 표준이 확립되어 제공되고 있다. 인장시험은 시편 가공과 시험 표본을 위해 적당한 크기의 재료와 충분한 양의 시편이 필요로 한다. 또한, 시험 결과는 변형구간 내의 재료의 평균적인 물성만 나타내고 특정 부위에서의 특성을 측정하려면 추가적인 방법을 이용해서 시험을 진행하여야 한다. 예를 들어 인장시험으로 이방성을 측정하기 위해서는 시편 제작 시 방향에 따라 재료의 가공이 필요로 한다. 인장시험 외에도 이방성을 측정하는 방법에는 누프경도시험이 존재한다. 누프경도시험은 LaB6의 (100), (110), (111) 평면에 대해 누프미세경도가 결정되었고 미세경도의 차이를 이용하여 이방성을 측정하는 방법이다. 연속압입시험법은 물질의 특정 부분의 인장특성을 추정하기 위한 인장시험의 대체기술로 연구되었다. 이 방법은 연속적으로 압입을 진행하여 압입 깊이에 따른 하중을 분석하는 압입 하중-변위 곡선을 분석함으로써 기술이 연구되고 있으며, 인장시험과는 다르게, 쉽고 간단하게 물성을 측정할 수 있으며 비파괴적인 시험방법이다. 압입자 아래의 응력-변형률 영역을 인장시험의 응력-변형률 영역 사이에 관계식이 생성되며, 재료의 경도와 유동응력 사이의 관계가 나타난다. 구형 압입자 아래의 응력 변형 상태 분석은 재료 표면에서 반구형의 cavity가 확장된다고 가정하였으며, 이는 탄성영역이 소성영역으로 바뀌는 것을 볼 수 있었다. 여기서 응력상태는 항복 기준과 일치하였다. 이러한 분석은 항복 변형률과 압입자의 기하학적 관계에서 항복응력 사이의 관계를 변화시키는 근본적인 단서를 제공하며, 캐비티 내에서의 압력의 변화 및 응력장의 분석을 고려하여 세부사항의 수정이 제안되었다. 구형 압입자를 이용한 압입 하중-변위 곡선은 압입 깊이에 따라 다른 탄소성 응력 변형상태를 제공하고 이는 항복점 이후의 일축 인장곡선에서의 응력-변형점으로 변환될 수 있다. 재료의 항복강도는 변환된 응력-변형률 곡선과 인장시험에서 얻은 탄성계수의 0.2% offset의 교차점에서 결정될 수 있다. 본 연구에서는 연속압입시험과 디지털이미지상관기법을 사용하였다. 연속압입시험 중 연속압입시험의 압입 하중-변위 곡선을 이용하지 않고 재료 표면에 존재하는 구형 압흔 주변의 변위를 디지털 이미지 상관 기법을 사용하여 재료의 변위를 분석하고 이방성을 평가하였다. 이 방법을 사용하면 간단하고 빠른 측정이 가능하며 압흔 주위 방사형 변위와 항복응력 사이의 관계를 실험적으로 나타내어 비교해보았다. 또한, 분석적인 해결책을 제시하기 위해 유한요소해석시뮬레이션을 이용하여 소성 특성의 이방성을 가진 다양한 재료를 생성하여 압입 실험을 진행한 뒤 결과를 생성하였다. 재료의 주요 방향(x 방향, y 방향)에서 얻은 방사형 변위의 비율은 항복응력의 비율과 밀접한 관계가 있다. 이러한 관계를 바탕으로 예측 모델을 제안했으며, 이는 계산데이터와 실험데이터를 통해 검증되었고 항복응력 m 값의 비율은 위와 같은 실험 방법의 타당성과 실행 가능성을 보여주었다.

Fe계 자성분말-에폭시 복합재의 전자파 흡수특성

홍성민 忠南大學校 大學院 2009 국내박사

Recently, the use of wireless telecommunication systems and high-frequency circuit devices has increased dramatically. Electronic devices such as cellular phones and personal computers emit electromagnetic wave that cause serious electromagnetic interference phenomena and result in wave pollution problems. As the best method for preventing such phenomena, electromagnetic wave absorbers are generally used. The electromagnetic wave absorbers are defined as materials that can effectively attenuate the intensity of electromagnetic wave by magnetic or dielectric loss. Spinel ferrite-polymer composites are representative narrow-band absorbers for the several hundreds megahertz to several gigahertz frequency range and have been most widely used due to their adequate absorption efficiency (>20 dB) and easiness in theoretical design for practical applications. The major limitation to expanding the application of these ferrite-polymer composites lies in their thick thickness for obtaining high absorption efficiency caused by their low real parts of complex permeability and permittivity values. In order to overcome this problems, the development of new absorbers using magnetic amorphous alloy-polymer composites has been attempted. Although amorphous alloy-polymer composites have very high potentiality for thinner absorber, it is demanded to understand the relationship between materials constants and absorption properties for the development of thinner absorber. However, very few systematical reports have been made on the electromagnetic properties and electromagnetic wave absorption properties of the absorber using amorphous alloy composites. The purpose of this dissertation is to understand the relationship between the structure of amorphous alloy-polymer composites and their electromagnetic wave absorption properties, and to propose a new thinner electromagnetic wave absorber for several gigahertz frequency range. In order to achieve these objectives, various amorphous alloy-epoxy composites with different fabrication conditions such as amorphous alloy particle fraction, size have been fabricated using Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 amorphous alloy nano particles. The electromagnetic properties of these composites including materials constants in high frequency and electromagnetic wave absorption properties have been invested.

ZnO 나노입자를 이용한 용액공정 OLED에 관한 연구

김성근 순천향대학교 대학원 2021 국내석사

OLED는 전극 사이에 위치한 유기박막에 전계를 가하면 빛을 발생하는 자발광 소자이며 빠른 응답속도, 우수한 명암비와 시야각, 플렉시블(flexible) 및 투명 기판에도 적용할 수 있어 다양한 디스플레이 장치에 널리 사용되고 있다. 일반적으로 OLED는 진공증착 공정으로 제작이 되고 있다. 진공증착 공정은 10-7 Torr이상의 고진공에서 진행하기 때문에 불순물의 유입이 적고 특성이 우수한 박막을 형성할 수 있다. 하지만 진공설비 비용이 높고 재료의 사용 효율이 낮아 제품의 가격이 상승한다. 저분자 재료는 진공증착 공정을 이용하여 박막을 형성하고 고분자 재료는 유기용매에 대한 용해성이 좋아 용액공정을 이용하지만 저분자 재료에 비해 특성이 떨어지는 단점이 있다. 이에 상압에서 진행되고 재료사용 효율이 높아 가격 경쟁력을 갖출 수 있는 용액공정을 OLED 제작에 적용하려는 연구가 활발히 진행 중이다. 이에 본 연구에서는 수분과 산소에 취약한 유기재료의 특성을 극복하고 용액공정을 적용할 수 있는 산화물 반도체 나노입자를 이용하여 OLED 제작에 적용하였다. 다양한 산화물 반도체 중에서 높은 전자 이동도 특성을 가지고 입자크기별로 밴드갭을 조절할 수 있으며 가시광선 영역에서의 높은 굴절성, 광학적 투명성을 가진 ZnO NPs를 사용하였다. 또한 소자의 구동을 제어하는 n-type Oxide TFT에 대해 보다 적합한 Inverted structure를 적용한 OLED를 제작하였다. 본 연구에서는 유기 및 무기재료를 공통층으로 적용하여 OLED 소자를 제작하였으며, 산화물 반도체 나노입자의 적용에 따른 특성을 분석하였다. 정공주입층으로 MoO3를 사용하였고, 정공 이동도 특성이 좋은 CBP를 정공수송층으로 사용하였다. 발광층으로는 host로 CBP, dopant로 인광재료인 Ir(ppy)3를 5% 도핑하였고, 전자수송층으로 TPBi를 사용하였으며, 졸-겔법(Sol-gel method)을 이용하여 합성된 ZnO NPs를, 전자주입층으로 적용하였다. OLED 소자의 전자주입층으로 적용하기에 앞서 합성된 ZnO NPs의 전기 및 광학적 특성을 분석하였다. EOD 제작을 통해 ZnO NPs를 적용함에 따라 전기 전도 및 전하의 이동특성이 우수함을 확인하였고, ZnO NPs의 크기는 약 5 nm이며, 약 3.37 eV의 밴드갭 에너지를 확인하였다. OLED의 구조는 ITO / ZnO NPs / TPBi / CBP:Ir(ppy)3 / CBP / MoO3 / Al이며 합성된 ZnO NPs를 전자주입층으로 적용하고 전자수송층의 두께에 대한 소자의 최적화를 위해 TPBi의 두께를 10, 20, 30, 50 nm로 조절하며 소자의 특성을 분석하였다. TPBi 두께가 10 nm 일 때 구동전압이 4.2 V로 가장 낮았지만 TPBi 두께가 20 nm 일 때, 최고 휘도인 113,500 cd/m2, 최고 전류효율인 55.1 cd/A를 보였다.

알루미늄 및 알루미늄 합금 복합재료의 합성과 특성에 대한 연구

손용국 부산대학교 2023 국내박사

유리 중공체를 포함하는 알루미늄 복합재료는 물리적, 화학적 및 기계적 특성이 다른 두 재료를 합성하여 벌크 재료에 비해 높은 비강성, 비강도, 낮은 밀도, 에너지 흡수 등 독특한 특성을 가질 수 있다. 이러한 복합재료의 고유한 특성은 미세구조에 따라 달라지기 때문에 다양한 공학 분야에 적용하기 위해서는 최적의 제조 공정을 통해 얻은 미세구조로 기계적 거동을 예측하고 분석할 수 있는 지식이 필요하다. 본 논문에서는 유리 중공체를 포함하는 알루미늄 복합재료의 제조 공정에 따른 미세구조와 기계적 물성 간의 관계를 규명하기 위해 고상 및 액상 소결에 따른 미세구조를 분석하고 이에 따른 기계적 물성을 예측 및 평가하는 방안을 제시하였다. 먼저, 일축 가압 및 스파크 플라즈마 소결이 유리 중공체가 포함된 알루미늄 복합재료의 미세구조에 미치는 영향을 분석하여 유리 중공체와 기지 간의 계면 반응 메커니즘을 제시하고 기계적 물성에 미치는 영향을 평가하였다. 다음으로, 유리 중공체를 포함하는 알루미늄 칩 기반 복합재료에 대한 최적 액상 소결의 효과를 분석하여 온도 및 유지시간에 따른 미세구조의 구상화 메커니즘을 제시하고, 열역학적 데이터베이스를 기반으로 기지와 유리 중공체 간의 계면반응을 분석하였다. 또한, 압축특성을 이용하여 유리 중공체를 포함하는 알루미늄 칩 기반 복합재료의 변형 거동과 기지와 유리 중공체 사이의 계면 결합이 기계적 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 일축 가압 및 스파크 플라즈마 소결 공정을 통해 제조된 약 10 ~ 30 부피분율의 유리 중공체가 포함된 알루미늄 합금은 최대 압축 응력(80 ~ 140 MPa) 및 충격흡수율(19 ~ 22 MJ/M3)을 나타내었다. 이러한 결과는 공정 중 형성되는 의도하지 않은 미세기공과 알루미늄 분말의 낮은 기계적 특성으로 인하여 압축특성을 향상시키기에는 한계점을 보였다. 따라서, 압축특성을 개선하고자 높은 기계적특성을 보유한 알루미늄 칩 합금(Al-8Zn-6Si-4Mg-2Cu)을 기반으로 semisolid 공정을 통해 유리 중공체가 포함된 알루미늄 합금을 제조하였으며, 최대 압축 응력 (210 ~ 288 MPa) 및 (46 ~ 47 MJ/M3)을 나타내었다. 압축 특성이 개선된 주요 인자는 3가지로 예상되며, Ostwald ripening 현상을 통한 기지의 구상화, 기지의Al과 Mg 확산과 유리 중공체의 SiO2와 계면 반응을 통한 MgAl2O4의 스피넬 상 형성으로 인한 계면 결합 향상 및 Mg와 Si의 화학적 반응을 통한 Mg2Si 강화상 형성을 통해 최종적으로는 압축특성이 크게 개선되었다. 본 논문에서 제안한 제조 공정에 대한 미세 구조적 및 기계적 특성 분석은 유리 중공체를 포함하는 알루미늄 복합재의 다양한 합성 및 특성 분석에 활용될 수 있다. 또한 구조 재료의 적용을 위한 미세 구조 설계 및 최적화를 위한 수단을 제공하는 데 도움을 줄 것으로 예상된다.

탄소나노튜브의 함침 또는 즉석성장을 통한 탄소나노튜브 강화 탄소/탄소 복합재료의 제조

신현규 경남대학교 대학원 2006 국내석사

Carbon/carbon(C/C) composites as a new essential material in the field of high-technology industries require durable heat-resistance at high temperature. It has been used in space, aeronautic and defense fields. In particular, this material has excellent properties in friction, abrasion and thermal shock resistance and therefore it had been used for carbon brakes of fighters, large passenger planes, etc. since 1970's. The purpose of this study was to fabricate the carbon nanotube(CNT) reinforced C/C composites by impregnation or in-situ deposition of carbon nanotubes inside three dimensional (3D) preform for the improvement of thermal properties and characterize them. CNT reinforced C-C composites were prepared by the immersion of CNT in the C/C composites and in situ deposition of CNT using catalyst in the TG-CVI (Thermal Gradient Chemical Vapor Deposition) process. For making CNT reinforced C/C composites using impregnation process, CNT and epoxy resin were immersed in 3D preform and C/C composites with different densities. The thermal conductivity of all specimens was found increased after impregnation of CNT. Especially, in case of 1.0 wt%, the amount of increment of thermal conductivity was the highest. For in-situ deposition of carbon nanotubes, three kinds of catalysts were used. The Ni compound showed good catalytic efficiency for manufacturing CNT reinforced C/C composites. Pyrolitic carbon was deposited around the carbon fibers in the 3D preform, and also the CNT on the carbon fiber and matrix surface. The long CNT was 25~50 ㎚ in diameter and several ㎜ in length, and the short CNT was under 10 ㎚ in diameter and several ㎛ in length. The present study showed that C-C composites with nano scale fillers such as CNT had superior thermal properties and in situ CNT deposition method turned out to be very efficient way to make CNT reinforced C-C composites. 탄소/탄소 복합재료는 고온에서 지속적 열안정성을 갖고 있는 첨단 신소재이며 우주, 항공 및 방위 산업에 사용되고 있다. 특히, 우수한 마찰, 마모 및 열 충격 안정성으로 1970 년대부터 전투기나 대형 여객기의 브레이크 디스크로 활용되고 있다. 본 연구의 목적은 함침방법이나 즉석성장 방법을 통하여 3D 프리폼을 이용하여 탄소나노튜브가 보강된 탄소/탄소 복합재료를 제조하고 특성평가하는 것이다. 최근 주목받고 있는 고기능성 탄소나노튜브를 탄소/탄소 복합재료에 첫째, 함침시키거나 둘째, 열구배 화학기상증착 (TG-CVD)을 통하여 복합재료 내부에 즉석으로 성장시키거나 두 가지 방법을 시도하였고 그 제조공정 조건을 조사하였으며 제조한 복합 재료의 특성을 평가하였다. 첫째 함침법으로는 탄소섬유 프리폼 또는 기공을 갖고 있는 탄소/탄소 복합재료에 탄소나노튜브를 분산시킨 에폭시 수지를 함침하는 방법을 사용하였다. 그 결과, 함침공정으로 제조한 탄소나노튜브 탄소/탄소 복합재료의 열전도도는 함침전보다 25% 증가하였다. 특히, 탄소나노튜브를 1.0 % 포함하는 탄소/탄소 복합재료가 가장 높은 열전도도 값을 나타내었다. 둘째, 즉석성장법은 탄소섬유 프리폼을 니켈, 철, 또는 크롬의 세 가지 촉매로 전 처리한 후 화학기상증착하는 방식을 사용하였다. 그 결과, 니켈 화합물이 가장 우수한 것으로 나타났다. 복합재료 내부에 탄소섬유 주변에 열분해탄소가 증착되었으며, 탄소나노튜브가 탄소섬유 및 탄소기지의 표면에 성장한 것이 관찰되었다. 본 연구로 개발한 CNT 즉석성장법은 복합재료의 증착공정 중에 즉석으로 간단히 공정조건만을 변화시킴으로써 탄소/탄소 복합재료 내부에 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다는 점에서 큰 의미가 있을 것이다.