급속응고한 Ag-Mg 접점재료의 미세조직 및 특성에 관한 연구

주광일 한양대학교 대학원 2009 국내석사

전기접점재료는 개폐기 및 차단기, 전기기구 등에서 물리적인 개폐를 통한 회로 접촉 및 차단에 직접적으로 사용하는 소재를 의미한다. 전기접점재료는 개폐시 발생하는 아크나 불꽃에 의한 손상의 발생이 예상되기 때문에 융점이 높고 전기 및 열전도도 특성이 우수한 재료 그리고 내마모성과 관련된 경도가 높고 산화에 의한 변질이 적은 재료를 선택하여 합금설계를 하게 되는데 이 때 모든 요구특성을 한번에 충족시키는 재료는 사실상 존재하지 않기 때문에 요구 특성에 맞는 합금 원소를 적절히 선택하여 합금설계를 하는 것이 중요하다. 기존에 이러한 특성을 가장 잘 만족시키며 널리 사용되고 있는 Ag-CdO계 전기접점재료의 경우 최근 세계환경규제로 인하여 Cd을 더 이상 사용할 수 없게 되어 Ag-Sn계와 Ag-Sn-In계 등과 같은 접접재료가 연구되어 왔고 지금도 연구중에 있다. 하지만 Ag-Sn계 같은 경우 Sn의 함량이 8wt%를 넘어갈 경우 내부산화가 더 이상 진행이 되지 않는 단점이 있었는데 이를 보완하여 In을 첨가한 Ag-Sn-In계의 경우에는 In의 가격이 고가여서 가격경쟁력이 떨어진다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 전기접점재료들의 단점을 보완하고 우수한 내마모 특성과 내부산화성이 예상되는 Ag-Mg계 재료를 선택하였고, 급속응고법을 사용하여 Mg의 고용한도를 높이고 내부산화 시간을 단축시키고자 하였다. 먼저 합금설계를 통하여 조성 변화에 따른 기본 특성을 관찰하였고, 급속응고한 리본을 가지고 Mg 함량에 따른 미세조직 및 내부산화성, 경도, 전기전도도 및 성분분석, 상분석을 통한 특성을 관찰하였다. Mg은 10 min의 짧은 내부산화시간에도 내부산화가 잘 진행이 되며 2.5 kgf/cm2의 내부산화압력과 700 ℃의 내부산화온도에서 내부산화가 잘 진행이 된다는 결과를 얻었다. 경도 측정 결과 상기 조건에서의 결과와 비슷한 결과를 얻었으며 전기전도도 측정 결과 Mg함량의 증가에 따라 전기전도도 값이 감소하는 결과를 얻었는데 이는 형성되는 산화물 함량의 증가에 기인한 것이라고 판단된다. 급속응고한 리본의 경우에는 전기전도도 값이 50 %IACS 미만이지만 성형 공정 후 10∼20%정도의 전기전도도 향상이 예상되어 기존 Ag-CdO계, Ag-Sn계, Ag-Sn-In계 전기접점재료의 대체 소재로서의 가치를 확인할 수 있었다. 또한, Ag-Mg계 전기접점재료의 우수한 특성과 산화반응을 확인할 수 있었으며, 공정과 산화 시간의 단축으로 실용화 가능성을 본 연구를 통하여 확인하였다.

기계화학적 공정으로 제조된 Mo 나노분말의 Two-step 소결 거동에 관한 연구

김해곤 한양대학교 대학원 2008 국내석사

최근 나노 기술에 대한 중요성이 부각되면서 내열재료 분야에서도 나노분말 재료와 벌크 나노 재료에 대한 연구가 활발히 수행되고 있으나 나노분말은 제조과정의 어려움과 소결시 수반되는 입자성장으로 인해 나노 크기의 결정립을 가지는 벌크 재료를 제조하는데 한계가 있다. 이에 나노 벌크재료 및 submicrometer(d < 1μm)의 결정립을 가지는 초미세 결정립 재료(Ultra Fine Grained Materials, UFG)의 제조에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 2610℃의 높은 융점을 가지는 고온 고강도 재료인 몰리브데늄(Mo)은 고출력 스퍼터타겟 재료 및 성형작약탄의 라이너 재료 등에 사용되고 있다. 기술의 발달과 더불어 내열재료 분야에서도 고온 고강도 특성이 요구 되면서 나노 혹은 초미세 결정립 재료의 제조를 위한 많은 연구가 이루어지고 있으나 Mo의 난소결성과 나노분말의 저온 입자성장으로 인해 초미세 결정립 재료의 제조에 대한 성과는 미진한 상태이다. 이에 본 연구는 기계화학적공정(Mechanochemical Process, MCP)을 이용하여 Mo nanopowder를 제조하고 Two-step sintering을 통하여 초미세 결정립 재료를 제조하는 실험을 진행하였다. 본 실험에서는 미세한 나노구조 Mo 분말을 제조하기 위해 MoO₃ 분말을 20 h 동안 400rpm의 고에너지로 볼밀링하였다. 그 결과 결정립 크기가 약 15~20nm 정도인 매우 미세한 크기의 MoO₃ 분말을 얻었으며 이렇게 제조된 밀링 분말을 800℃에서 수소환원하여 순수한 Mo 분말을 얻고 SEM을 통해 100nm 크기를 갖는 매우 균일한 형태의 Mo 입자임을 확인했다. 제조된 Mo nanopowder를 1400℃에서 소결하여 94%의 소결밀도를 얻었다. 그리고 dilatometric 분석을 통해서 소결시 활성화에너지를 계산한 결과 100.5KJ/mol 의 값을 얻을 수 있었다. 등온소결에 의해 측정된 입자성장의 활성화에너지는 215.4KJ/mol 로 계산 되었다. 이러한 결과를 바탕으로 T₁ 온도를 1050℃, T₂온도를 950℃로 20 h 동안 Two-step sintering을 실시한 결과 90%의 소결 밀도, 500 nm의 입자크기, 그리고 3.15 GPa의 경도값을 얻었다. 반면 일반적인 상압소결로 1300℃에서 유지시간 없이 소결한 시편은 동일한 90%의 소결밀도와 1μm의 결정립크기 그리고 2.43 GPa의 경도값을 보였다. 이러한 결과를 통해 Two-step sintering을 통한 소결조건 제어를 통해 입자성장이 억제된 초미세 결정립 재료의 제조가 가능함을 확인할 수 있었다.

Ti의 표면 특성이 carbon nanotube (CNT)의 성장에 미치는 영향

곽성열 한양대학교 공학대학원 2014 국내석사

As the air and water pollutions have become a serious problem throughout the world, interest in environmental preservation has increased. The demand for green electronics such as air purifier and water purifier is rising along with the expansion of well-being trend. In addition, the research on improving the purifying performance of filter, which is a key part of green electronics, has been studied at home and abroad. In case of a metal filter, even though the performance can be improved by decreasing the size of pores or modifying the surface of porous body, it is less effective. Recently, adopting CNTs to porous materials is studied because they have a tremendously large specific surface area and a bio-adsorptive property. However, distributing CNTs in a filter to maximize the filtering efficiency is nonexistence. In this study, therefore, Ti substrate was surface-modified by sulfuric etching in order to distribute CNTs uniformly and increase the CNT yield. The surface roughness was analyzed by AFM and the distribution of Fe catalysts by EPMA. The graphite structure of CNT was confirmed by Raman and the shape and size by FE-SEM. 산업의 발전으로 인해 수반된 환경오염문제의 해결은 더 이상 선택적 개선의 경제논리가 아닌 21세기 국가경쟁력의 근간을 이루고 나아가 인류 생존에 있어서 필수적인 과제로 대두되었다.[1] 이에 따라, 각종 수질 및 대기 환경 오염물질의 제거를 위한 고 효율성 다공성 재료의 개발은 환경문제 해결을 위한 핵심적인 연구 분야가 되었다.[2] 하지만 현재 다공성 재료의 효율 개선을 위한 연구는 재료 내 기공 크기나 분포 제어를 통해 비표면적을 증가 시키는 등의 일차원적인 연구에 국한 되어 있으며 비표면적 극대화에는 한계에 다다른 실정이다. 이에 따라 우수한 비표면적 및 오염물질 흡착성을 가진 탄소나노튜브를 다공성 재료 내에 성장시킴으로써 높은 비표면적을 갖는 고 기능, 고 효율성 다공성 금속 재료를 개발 하는 것은 기존 다공성 재료의 문제점 및 한계성을 극복할 수 있는 독창적인 기술이라 할 수 있다.[3,4] 탄소나노튜브를 이용한 다공성 금속 재료의 제조에 관한 기존 기술들은 탄소나노튜브가 함유된 슬러리에 다공성 재료를 함침 시키거나 슬러리를 다공성 재료에 여과시켜 탄소나노튜브를 재료 표면에 분산 부착시킨다. 그러므로, 탄소나노튜브들이 바인더 등에 의하여 묻혀버리기 때문에 다공성 재료의 표면상에 균일한 나노구조체를 형성시키기 어렵다. 또한, 이미 제조된 탄소나노튜브를 슬러리로 만드는 공정과 모재를 함침시키는 복잡한 공정에 의해 제품의 제조에 소요되는 시간이 길어지는 등의 여러 가지 문제점들이 있을 수 있다. 따라서 기존 방식의 문제점을 개선하기 위해 다공성 재료 여재에 버텀-업(Bottom-Up) 방식으로 탄소나노튜브를 직접 합성, 성장 시켜 공정 상의 단계를 획기적으로 줄이고 이에 따르는 비용저감을 구현 하고자 하였다 [5,6] 한편, CNT의 합성에 있어 직경, 결정성 등과 같은 성장거동 해석은 이미 많은 연구진에 의해 수행되어 왔으나, substrate 표면에 균일하게 제조하고 분산 시키는 연구는 전무하다. 고 기능성 다공성 재료 제조를 위해서는 고 수율의 탄소나노튜브를 성장 시키고 균일하게 분산 시키는 것이 핵심 변수로 작용 하므로 이에 대한 연구가 선행되어야 한다.[4,6,7] 일반적으로 나노 구조체의 분산도는 모재의 표면 특성에 크게 좌우 되므로 본 연구에서는 Ti substrate의 표면 특성이 탄소나노튜브의 성장 및 분산도에 미치는 영향을 고찰하고자 50% 황산(H2SO4)을 이용하여 50℃에서 30분~12시간 etching을 실시한 후 Ti 기지의 표면 roughness를 관찰하였다. 또한 표면 개질 된 Ti substrate표면에 나노크기의 Fe 촉매금속을 석출시키고, 열 화학 기상 증착법을 이용하여 탄소나노튜브를 성장하였다. 제조된 탄소나노튜브의 수율 및 미세조직 특성을 분석하여 탄소나노튜브 합성시 최적의 모재 표면 조건을 제시하고자 한다.

기계적 합금화 방법에 의해 제조된 나노결정구조의 W/Cu/Pb 복합분말의 열처리특성연구

류성수 漢陽大學校 大學院 2001 국내박사

Recently, the synthesis of metastable phases by mechanical alloying (MA) method has been extensively studied because this technique was a useful tool for producing non-equilibrium materials. Many researchers have reported that nonequilibrium materials such as super-saturated solid solution, nanocrystalline (NC) and amorphous materials could be formed by MA method even in immiscible systems with the positive heat of mixing. In the present study, binary Cu-Pb and W-Cu systems and ternary W-Cu-Pb system were selected as the immiscible model systems with positive heat of mixing. NC W/Cu/Pb composite powders were prepared by MA process and their structures were studied. The thermal behaviors of NC W-Cu and Cu-Pb were also investigated in order to obtain thermal stability characteristics for further application as well as to elucidate the sintering and the grain growth kinetics. In order to prepare NC Cu-36Pb and W-30Cu composite powders, MA process was carried out in an attrition mill using stainless steel container and balls with a speed of 400 rpm for various milling times. W-Cu-Pb powder with the nominal composition of W-12.8wt%Cu-7.2wt%Pb was milled in the same manner as MA process for Cu-Pb and W-Cu systems. Cryomilling at -100 oC instead of room temperature (RT) was introduced in order to enhance the ability of mechanical alloying to alloy immiscible elements. The NC W-Cu and Cu-Pb composite powders were annealed for various times at the temperature from 100 oC to 900 oC and from 100 oC to 200 oC, respectively. The structure and thermal behavior of MA powders was analysed by SEM, FE-SEM, XRD, TEM, EXAFS and DSC. The powder characteristics such as particle size distribution, BET surface area, pycnometer density, pore volume were also investigated. MA Cu-Pb, W-Cu and W-Cu-Pb powders reached to the steady state, which was characterized by ultrafine grain size and well mixed state of constituent particles, after milling for 12 h, 50 h and 150 h, respectively. Final products at RT milling showed nanocrystalline state with grain size below 30 nm for all alloy systems. After extensive milling, unlike in the case of MA Cu-Pb powder showing smooth powder surface, MA W-Cu and W-Cu-Pb powder contained agglomerates of nanosized particles inside individual as-milled powder. This feature seemed probably to apply well to the systems showing a large difference in mechanical properties between constituents for MA. In Cu-Pb system, cryomilling at low temperature enhanced the refinement of grain size compared to the milling at RT and led to the partial amorphization between Pb and PbO formation. The crystalline sizes of NC Cu-Pb were 20 nm at RT and 10 nm at -100 oC, respectively. In addition, cryomilling had advantage capable of reducing the processing time for steady state. However, it was less effective for the extension of solid solubility. In W-Cu-Pb system, the microstructure of MA W-Cu-Pb powder milled at RT was found to be a mixture of NC W, Cu, and Pb, of which size was below about 30 nm. Cryomilling at low temperature of -100 ℃ caused the more refinement of particle size and enhanced the solubility as well as the amorphization reaction between W, Cu and Pb. Amorphization occurred mostly after milling for 150 h. This was attributed to the full suppression of the atomic mobility responsible for phase separation at -100 oC. Since the immiscible system has a large positive heat of mixing, heating to elevated temperatures led to structure relaxation, phase separation, and grain growth of metastable of Cu-Pb, W-Cu and W-Cu-Pb. These features appeared with exothermic reaction peaks in DSC analysis. In cryomilled NC Cu-Pb powder, two exothermic peaks was observed around 150 oC and 250 oC, which do not exhibit in powder milled at RT. These reaction were caused by crystallization of partial amorphous phase and recovery and recrystallization of Cu phase, respectively. The temperature for recovery and recrystallization of NC Cu phase was almost similar to those in NC W-Cu and NC W-Cu-Pb powders. In NC W-Cu powder, the W-grain started to grow at the temperature above 600 oC and the W-grain growth by coalescence seems to occur. The time exponent of grain growth, n, has the value of less than 0.2 for all, NC W, NC Cu and NC Pb, possibly being lowered due to the drag effect of second phase of alloying element as well as nanosized pores intrinsically introduced by mechanical alloying process. The activation energy for grain growth of W, Cu, and Pb in NC W-Cu alloy and Cu-Pb alloy was found to be 186.45±1.03, 55.60±10.51 and 41.95±3.88 kJ/mol, respectively. These data are partly comparable with the data found in literature. With increasing milling time, Pb melting temperature in Cu matrix decreased due to the melting temperature depression by grain size refinement. Sintering of NC W-Cu powder, which was characterized by shrinkage behavior of two stages, was quite different from that of simple mixed powder with coarse grains. First sintering shrinkage appeared at temperature (200 oC occurring the recovery and recrystallization of Cu phase severely cold worked by MA. The temperature at which the sintering shrinkage started to be accelerated, was considerably below Cu melting point due to the enhanced densification in solid phase. The possible process of the enhanced sintering of NC W-Cu powder in solid phase was attributable to the coupling effect of the sintering occurring inside individual MA powders and the sintering between MA powder particles. 고에너지 볼밀링 공정인 기계적 합금화(mechancial alloying, MA) 방법에 의해 nanocrystalline (NC) 재료, 과포화 고용체, 비정질 합금과 같은 비평형재료를 음의 혼합열을 가진 계에서 뿐만 아니라 최근에는 양의 혼합열의 불고용계에서도 제조할 수 있다고 알려져 왔다. 본 연구에서는 불고용계에서의 MA 공정에 의한 비평형 재료로의 합금화 과정을 조사하고자 하였으며, 이를 위해 2원계로는 W-Cu 및 Cu-Pb를 선택하였으며, 불고용 3원계로는 W-Cu-Pb 계를 모델계로 선택하였다. 불고용계로부터 제조된 비평형합금은 큰 positive heat of mixing을 가지기 때문에, 승온시 준안정상의 분해가 일어난다. 비평형재료의 응용을 위해 이러한 상분리를 연구하고 비평형재료, 특히 NC 재료에서의 열처리가 입자성장에 미치는 영향에 대해 조사하는 것은 매우 중요하다. 따라서, 열적안정성에 관한 정보를 획득하고 입자성장 및 소결 kinetics를 밝히기 위해 NC W-Cu 및 NC Cu-Pb에 대한 열적 거동이 연구되었다. 본 실험에서는 해당조성의 성분분말, 즉 Cu-36wt%Pb와 W-30wt%Cu 혼합분말을 회전속도 400 rpm으로 attritor에서 장시간 분쇄하여 NC 상태의 MA 분말을 제조하였다. W-Cu 계에 비해 상대적으로 연질의 특성을 지닌 Cu-Pb 계는 최대 24 시간까지 밀링하였고, W-Cu는 50 시간동안 밀링하였다. 특히, 동적회복을 억제함으로써 밀링효과를 극대화하기 위해 Cu-Pb에 대해서는 최대 -100 oC의 극저온에서 밀링하는 밀링온도를 변수로 하였다. W-Cu-Pb 계는 W-12.8wt%Cu-7.2wt%Pb의 분말을 상온과 -100 oC에서 최대 150 시간까지 밀링하였다. 이러한 MA 공정에 의해 최종적으로 Cu-Pb 계 및 W-Cu 계에서는 nanocrystalline 상태의 분말을 W-Cu-Pb 계에서는 비정질 합금분말이 제조되었다. NC Cu-Pb 분말과 NC W-Cu 분말은 열적 거동 조사를 위해 각각 100 oC-200 oC와 100 oC-900 oC의 온도범위에서 시간을 달리하여 열처리되었다. 제조된 MA 분말과 열처리 분말의 구조적 특성은 SEM 및 FE-SEM, XRD, TEM, EXAFS, DSC 등의 분석방법을 이용하여 조사하였으며, 일부 분말은 입도분포, BET 표면적, 분말밀도, 기공분포 등의 물리적인 특성분석도 병행하였다. Cu-Pb 계에서 상온에서 밀링하는 경우에는 12 시간이후에 정상상태에 도달하였고 이때 결정립은 20 nm이하로 매우 미세하였다. 저온에서 밀링할 경우에는 이미 4 시간의 밀링에서도 상온 12 시간에서와 비슷한 결정립을 가지며, 밀링시간이 증가함에 따라 상온에 비해 작은 결정립을 가진 Cu-Pb 분말을 제조할 수 있었다. DSC 분석결과로부터 밀링시간이 증가함에 따라 결정립의 미세화가 진행됨에 따라서 Pb의 용융온도가 감소함이 측정되었고, 용융열도 감소하였다. 또한, -100 oC에서 저온밀링한 분말은 상온에서 밀링한 분말에서는 관찰되지 않았던 2개의 발열피크가 150 oC와 250 oC 부근에서 관찰되었다. 250 oC에서의 피크는 Cu 의 회복 및 재결정 반응에 기인하고, 150 oC에서의 발열반응은 부분적으로 비정질된 Pb와 PbO의 결정화와 관련된다. Cu 원자에 대한 EXAFS 분석결과, 상온 및 -100 oC에서 밀링한 MA 분말 모두 밀링시간에 따른 원자 배위수가 12로 나타나는 것으로 보아 새로운 상의 형성이나 고용도의 증가는 관찰할 수 없었으나, 무질서도를 나타내는 Debye-Waller factor는 상온에 비해 저온에서 밀링한 분말의 경우에서 보다 증가되었다. 결론적으로, Cu-Pb 계에서의 -100 oC에서의 cryomilling 효과는 밀링시간을 단축시키고 보다 미세하고 균일한 분말을 제조할 수 있었지만, 이 방법에 의해 상호 고용도가 증가되지는 않는 것으로 밝혀졌다. W-Cu-Pb 계에서는 W-Cu에 Pb가 첨가됨에 따라 균일한 혼합상태의 정상상태에 도달하는 시간은 150 시간이상으로 W-Cu 계에 비해 훨씬 길어지나, W의 결정립크기는 50 시간 이후에는 약 30 nm이하로 일정하게 된다. 상온과는 달리, -100 oC에서 밀링한 경우 밀링시간이 증가함에 따라 XRD 패턴에서 W 피크가 높은 회절각 쪽으로 이동하는 것으로 보아 고용도의 증가가 있었다. 그러나, 상온에서 밀링한 분말과 결정립의 크기와는 큰 차이를 보이지 않았다. 다만, 저온에서 150 시간 밀링한 후에는 거의 대부분의 입자들이 비정질상으로 바뀌었음을 알 수 있었다. 이러한 비정질화는 XRD, FE-SEM 및 HRTEM 등의 분석에 의해 관찰되었으며, 특히 W 주위의 원자 배열구조를 알 수 있는 EXAFS 분석결과에서도 확인할 수 있었다. W-Cu 계에서는 NC W-Cu 분말은 20 nm의 결정립 크기를 가진 W과 Cu 두 성분원소들이 균일하게 혼합되어 있으며, 밀링과정 중에 형성된 나노크기의 기공으로 인해 분말의 밀도는 이론밀도에 비해 낮아졌다. 상호 불고용의 특성을 지닌 NC W-Cu 분말은 기계적으로 심하게 가공경화된 Cu의 재결정(200 oC)이 일어나는 온도 이상에서 열처리로 과고용 및 미세 혼합상태를 이루었던 NC W-Cu 상은 W 상과 Cu 상으로 상호분리가 일어나며, Cu가 빠른 속도로 복합분말의 표면으로 이동한다. 이러한 결과로 표면적, 분말밀도 등의 분말특성은 크게 변하며, 이 변화는 NC W-Cu의 수축거동과도 밀접한 관계가 있다. NC Cu-Pb 및 NC W-Cu의 열처리 실험을 통해 입자성장 및 소결 kinetics를 조사한 결과, NC W-Cu 분말에서 NC W 입자는 600 oC 이상의 온도에서부터 결정립 성장이 일어나기 시작했으며, 이는 부분적으로 coalescence에 기인하는 것으로 생각된다. 입자성장의 시간 지수 n은 (이 때, NC W, NC Cu, NC Pb의 경우 모두 n<0.2 이었음) MA 과정에 의해 도입된 나노크기의 기공뿐만 아니라 합금원소의 제2상의 drag 효과로 인해 낮아진 것으로 판단된다. W, Cu, Pb 입자의 성장을 위한 활성화에너지는 각각 186.5, 55.6, 42.0 kJ/mol 이었다. 이러한 데이터는 부분적으로는 문헌에 나타난 것과 상응하는 값이다. 한편, NC W-Cu 분말의 승온시 구조변화 결과와 dilatometric 분석을 바탕으로 조사된 수축거동은 조대한 결정립을 가지는 W-Cu 분말의 그것과는 완전히 다른 특징을 보였다. 일반적인 polycrystalline (PC) W-Cu의 소결수축은 Cu 액상에서의 W 재배열에만 의존하는 반면, 나노크기 결정립의 높은 혼합도를 가지는 NC 복합분말의 경우는 냉간가공된 Cu의 회복 및 재결정에 의한 부분적인 수축이 200 oC 부근에서 일어나고, 액상출현 이하 온도인 900 oC 부근의 온도에서 이미 급격한 치밀화가 시작되었다. 이는 NC W-Cu의 소결은 액상소결뿐만 아니라 고상소결에 의해서도 진행됨을 의미하는 것이다. 고상소결은 NC W의 급격한 입자성장에 따라 분리된 Cu 상의 유동성에 의한 기여 및 Cu의 배제에 따라 새롭게 형성된 미세한 NC W-W contact 부위에서 높은 소결성에 기인하는 것으로 판단된다.

In-situ 공정에 의해 제조된 Ti-C-Fe-Al 복합재료의 미세구조 및 기계적 성질에 관한 연구

김용인 한양대학교 대학원 2018 국내박사

저온 분사공정에서 분말 변수와 공정 변수가 복합재료 코팅 특성에 미치는 영향

신수민 한양대학교 대학원 2007 국내석사

Differences in the deposition efficiency of individual powders in a mixed composite powder during kinetic spray processes can cause differences between the composition of the starting powder and the final coating. The objective of this study was to use two kinds of the composit feedstock as Bronze/20vol.%diamond and W/30wt.%Cu and ascertain an optimal process that minimized composition variation but also improved composite coating properties by process parameters such as feed rate, spray distance and particle velocity and particle parameters such as diamond size, Ti-coated diamond, particle temperature and particle size. The composite feedstock was deposited onto 6061Al substrate. The experimental results showed that the composition, deposition efficiency and bond strength were strongly dependent on process and particle parameters. It was found that spray distance and feed rate significantly affects the diamond fraction in the composite coating as well as the increase particle velocity resulted in a higher deposition efficiency, diamond fraction and bond strength. Also, the diamond breaking was decreased by using Ti-coated diamond. When the size distribution of soft copper was controlled and the powder was preheated, variation in the compositions of the starting powder the final coating was reduced. 본 연구는 금속/비금속(브론즈/20vol.%다이아몬드)으로 구성된 복합재료와 금속/금속(W/30wt.%Cu)으로 구성된 복합분말을 이용하여 저온 분사 공정에서 분말 및 공정 변수가 복합재료의 조성 변화 및 코팅 특성에 미치는 영향을 연구 하였다. 공정 변수는 브론즈/다이아몬드 복합 분말을 이용하여 분말 송급량, 분사거리 그리고 입자 속도가 다이아몬드 분율과 접합강도에 미치는 영향을 고찰 하였다. 또한 분말 변수는 브론즈/다이아몬드에서 다이아몬드 크기와 Ti-coated 다이아몬드 그리고 복합분말 형태에 다른 코팅 특성 변화에 관한 연구를 수행 하였으며, 입자의 온도 변수 및 입도 분포에 따른 코팅 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 텅스텐/구리 복합 분말을 이용하여 수행하였다. 각 변수에 따른 코팅 특성을 개별적으로 평가하기 위해서 다른 변수들은 일정하게 한 후 하나의 변수만을 변화 시키면서 각 각의 변수에 따른 최적의 공정을 찾았다. 본 연구의 결과로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 복합재료 코팅에서 높은 다이아몬드 분율을 나타내는 최적의 분말 송급량과 분사거리가 존재 한다는 것을 알 수 있었으며, 뿐만 아니라 다이아몬드의 비행 속도가 증가 할수록 다이아몬드 분율과 접합강도가 증가 하는 결과를 얻었다. 초기 다이아몬드 입자 크기가 증가 할수록 코팅의 다이아몬드 분율은 감소하였다. 그리고 다이아몬드 표면에 티타늄 코팅을 한 분말을 사용 하였을 때 다이아몬드 깨짐 현상에 따른 다이아몬드 손실을 감소시킬 수 있었다. 뿐만 아니라 두 입자의 비행 속도 조절을 통하여 균일한 적층을 유도함으로써 코팅의 조성과 복합분말의 조성 차이를 최소화 할 수 있었으며, 입자의 온도 증가는 기공률을 감소시키고 접합강도를 증가 시킨다는 결론을 얻었다. 그러므로 복합재료 코팅에서 우수한 코팅 특성과 복합 분말과 코팅의 조성 차이를 최소화하기 위해서는 최적의 공정 조건에서 입자의 열/운동 에너지가 높아야 한다.

Ta-Cu계 전기접점재료의 소결방식에 따른 특성 연구

주원 한양대학교 대학원 2018 국내석사

스위치의 통전부위에 해당하는 역할을 수행하는 전기접점재료는 적절한 역할 수행을 위하여 전기전도도 및 열전도도가 우수해야하며 작동 환경에 따라 고온에서의 안정성 또한 필요로 한다. 다양한 환경에서 작동하는 전기접점재료들 중 중, 고전류를 통전시키는 환경에서의 사용은 기본적인 전기전도도 뿐만 아니라 열적 안정성 또한 갖춰야 하기 때문에 두 가지 이상의 물질을 복합화하여 사용하게 된다. 가장 대표적으로 사용되는 것이 Ag-CdO와 W-Cu 계열로, 두 물질 모두 전기적물성이 우수한 재료와 내열성을 가지는 재료를 이용하여 접점재로 활용되고 있다. 하지만 Ag-CdO의 경우 환경적 문제와 추가산화라는 문제점에 의해 다른 물질로 대체 연구되어지고 있으나 그 성과가 미미하고, W-Cu의 경우 안정적인 물성을 나타내지만 가공에 어려움이 있어 그 활용에 제한적이다. 이에 본 연구는 기존의 전기적 물성을 나타낼 수 있는 Cu와 고융점, 낮은 열팽창계수를 나타내는 Ta와의 혼합을 통해 전기접점재료 제조를 수행하고 관련 물성들을 확인하였다. Cu와 Ta의 경우 상호 불용성을 나타내기에 복합화 하여 사용 시 물성 제어가 용이하며, 제 2상에 의한 물성 변화가 나타나지 않기 때문에 전기접점재료로써 적합하다 할 수 있다. 제조법으로는 공정이 비교적 단순한 소결법을 이용하였으며, 세부적으로는 가압소결법과 액상소결법을 이용하여 두 소결법에 대한 비교를 진행하였다. 가압소결의 경우 고상 상태를 유지하면서 성형과 소결을 동시에 진행하기 때문에 가압에 의한 치밀화를 노릴 수 있으며, 액상소결의 경우 성형밀도와 액화에 의한 치밀화를 통해 밀도의 향상을 고려할 수 있고, 두 소결 모두 가압 및 액화를 통한 물성 향상을 고려할 수 있기 때문에 많은 연구에서 사용되고 있다. 본 연구에서 수행한 내용으로는 Ta 50~90 wt%, Cu 10~50 wt% 에 해당하는 전기접점재료들의 각 소결법에 따른 전기적 및 열적 물성과 경도, 상대밀도를 측정하고 이를 조직분석과 함께 진행하여 각 소결성에 대해 분석을 진행하였다. 또한, 소결성에 대한 추가 분석을 위하여 EBSD를 통해 결정립을 분석하였으며, 몇몇 시편의 경우 잔류응력 분석을 통해 물성 증가 여부가 가능한지에 대한 분석을 추가로 진행하였다. 결과적으로 가압소결법인 SPS와 HP, 액상소결법 중 액상소결법과 SPS가 기존 재료와 유사하면서도 우수한 물성들을 나타내었으며, 액상소결의 경우 SPS에 비해 낮은 상대밀도를 나타내었지만 결정립 크기의 증가로 인해 물성이 큰 차이를 나타내지 않은 것으로 분석되었다. 또한, SPS 시편에 대한 잔류응력을 분석해본 결과, Cu 영역에서 미량의 stress와 Ta 영역에서 많은 stress가 발견되었으며 이를 제어한다면 보다 높은 물성치를 가질 수 있을 것으로 확인된다. 또한 압연공정을 진행해본 결과, Ta-Cu 복합재는 기계적 가공이 가능한 것을 추가로 확인하였다.

Rotational atomic layer deposition for core-shell nanoparticle and its application by zinc oxide shell

성세종 한양대학교 대학원 2019 국내박사

메타 재료 제조 및 전기적 특성 평가

조상근 한양대학교 대학원 2008 국내석사

현재 전자기 및 통신용 소자들의 특성 향상은 이에 사용되는 재료들의 물리적인 한계에 부딪히고 있다. 이런 한계를 극복하기 위한 여러 가지 시도들이 대두되고 있는데, 그 중 가장 활발한 것이 자연계에서 구현되지 않는 새로운 전자기 특성을 갖는 인공적인 메타재료의 개발에 관한 연구이다. 메타재료는 재료의 유전율 및 투자율 특성이 모두 음의 값을 갖는 LHM (Left-Handed Material) 또는 NRIM(Negative Refractive Index Material)을 포함하여 기존 재료들의 특성을 개선할 수 있는 재료를 말한다. 일반적인 재료들은 유전율 및 투자율이 모두 양의 값을 갖는 형태이고, 전자기 특성을 표현함에 있어서는 두 파라미터의 곱의 형태로 나타나기 때문에 두 파라미터가 모두 음의 값을 갖는 메타재료의 경우 에너지 전달을 위한 소자로서의 응용은 크게 문제가 되지 않는다. 하지만 전자기파의 전달에 있어서는 유전율 및 투자율이 모두 양의 값을 갖는 경우와는 다르게 굴절상수가 음의 값을 가지게 되고 전자기파의 전달시 위상이 반대가 되는 형태를 나타낸다. 유전율 및 투자율이 모두 음의 값을 갖는 인위적인 재료들의 제조 후 특성을 평가하기 위해 기존의 측정방법을 그대로 이용하는 것은 올바르지 않다. 그렇기 때문에 최우선적으로 선행연구가 필요한 것이 메타재료의 측정방법에 관한 부분이다. 본 연구에서는 고주파용 전송선을 활용한 broadband CPW (Coplanar Waveguide) 방법을 개발하고 검증함으로써, 메타재료의 특성 평가를 위한 측정법을 개발하였다. 이것은 고주파용 전송선로인 CPW와 회로망 분석기를 이용하여 투과 및 반사특성을 나타내는 산란파라미터를 측정하고, 이 값들로부터 투자율을 계산해내는 방법이다. 메타재료는 자성체를 도체로 감싸는 형태의 구조로 제조되었다. 도체는 skin depth이하의 두께를 가지고 있어서 전자기파의 전달이 이루어지는 형태이다. 또한, 도체와 자성체 층간에 절연층을 삽입한 형태와 삽입하지 않은 두가지 형태로 제조되었는데 두 가지 형태 모두 개발한 측정법으로 측정하여 특성을 평가하였을 때 음의 투자율을 보여주었다. 그러나 절연층이 삽입되어 있는 형태는 측정범위인 100MHz ~ 20GHz에서 매우 일정한 음의 투자율이 보여주었지만, 절연층이 삽입되지 않은 경우는 1.5GHz ~ 17GHz 범위에서만 음의 투자율이 보여 지고 그 값은 절연층 삽입의 경우에 비해 일정치 않은 값을 보여주었다. 하지만 절연층 삽입여부에 상관없이 음의 투자율을 갖는 메타재료가 제조되었음을 알 수 있다. 본 연구에서 제조된 음의 투자율을 갖는 재료를 기본으로 하여, 유전율 또한 음의 값을 갖는 LHM의 제조가 가능해지면 그 파급효과는 상당할 것으로 기대된다. 인위적으로 투자율 및 유전율 값을 바꿀 수 있기 때문에 응용 주파수 범위는 MHz 로부터 THz 에 이르는 매우 광범위한 영역에 걸쳐 응용이 가능하고, 기존 전자기 및 통신 소자를 제조하는 경우에 기존재료의 특성을 훨씬 상회하는 특성을 가진 재료를 사용이 가능하다는 것도 의미한다. In recent, electromagnetic and communication devices are faced with the physical limitation of electro-magnetic materials. This physical limitation is suggested to be overcome by the development of new artificial meta-materials, which have negative value permittivity and permeability. Thus these meta-materials are generally known as LHM(Left-Handed Material) and NRIM(Negative Index Refractive Material). Materials founded in nature have positive values of permittivity and permeability, and the electro-magnetic propagation in these materials can be characterized by the production of their permittivity and permeability. Although they show the similar propagation behaviors of the materials with positive negative permittivity and permeability, meta-materials with negative permittivity and permeability should have opposite phase velocity, which results in negative refractive constant. In order to characterize meta-materials, it is required to develop and suggest a new measurement method because of a lack of high frequency characterization of permeability. In this study, a broadband CPW method was developed for the characterization of the meta-materials. The broadband CPW method was using high frequency transmission line and network analyzer and then scattering parameters were measured. These parameters were converted into permeability by transmission line theory and equivalent circuit. Meta-materials were designed and fabricated as conductor/magnetic/ conductor and conductor/insulator/magnetic/insulator/conductor sandwiched structures. The conducting layer thickness were kept below the skin depth thickness, so electromagnetic wave could be propagated. Two types of meta-material was shown to have negative permeability values in measurement frequency ranges (100MHz ~ 20GHz). Permeability of the five layer type showed constant negative value up to 20GHz but that of the three layer structure negative permeability value in the frequency range between 1.5 GHz and 17 GHz. The above experimental results showed that meta-materials with negative permeability could be fabricated by a multi-layer structure. This finding suggested that LHM could be very innovative materials for EM and communication devices.

연/경자성 나노 복합재료의 exchange-coupling에 대한 전산모사의 구현

전광원 한양대학교 대학원 2010 국내석사

자성 재료는 크게 연자성 재료와 경자성 재료로 나누어지며, 연자성 재료는 경자성 재료와 비교하여 높은 포화 자화 값을 갖고 경자성 재료는 연자성 재료와 비교하여 높은 보자력을 갖는다. 이러한 두 재료의 특성을 동시에 갖는 nanocomposite magnet의 제조를 위해서는 연자성상과 경자성상이 수십 nm의 입자크기로 고르게 분포되어 있는 복합 자성상을 형성해야 한다고 알려져 있다. 이러한 입자 크기 및 분산도의 영향은 재료에 따라 다른 영향을 나타낸다. 따라서 원하는 재료에 대하여 입자 크기, 분산도에 따라 exchange-coupling 효과가 일어나는지 판단하기 위해서는 전산모사 과정은 필수적으로 진행되어야 한다. 본 연구에서는 연자성체와 경자성체의 교환자기력 효과를 통해 경자성체에서의 높은 보자력 값과 연자성체에서의 높은 포화 자화 값을 동시에 구현하여 기존의 재료에서 볼 수 없었던 우수한 nanocomposite magnet의 가능성 여부에 대해 판단하고자 두 가지의 전산모사를 진행하였다. 첫째, 박막형태의 모델링을 통해 박막의 두께에 따른 exchange-coupling 효과를 판별하였다. 둘째, 박막 형태의 전산모사 결과를 통해 분말의 크기를 결정하였으며, 결정된 크기를 갖는 분말 형태의 모델링을 통해 분산도에 따른 exchange-coupling 효과를 파악 하였다. 또한, nanocomposite magnet을 제조하고 그에 대한 자성 특성을 평가하였다. 전산모사 시, 교환자기력을 이용한 고 효율 복합 자성체의 구조 재발을 위하여 경자성 재료로는 Nd2Fe14B와 SmCo5를, 연자성 재료로는 Fe를 선택하였다. 이와 더불어, 분말상태에서 exchange-coupling의 구현여부의 판별을 위해 산화문제가 없으며, 사이즈의 조절이 용이하며 동시 제조가 가능한 ferrite 분말을 사용하여 실험을 진행하였다. 이때, 경자성 재료는 Ba-hexaferrite, 연자성 재료는 NiZn-ferrite를 선택하였다. Ba-hexaferrite/NiZn ferrite 복합재료 제조는 NiZn ferrite와 Ba-hexaferrite 분말을 각각 다른 방법을 통하여 제조하여 혼합하는 것과 자전 연소법을 사용하여 한 번의 하소로 Ba-hexaferrite/ NiZn-ferrite의 복합재료를 제조하는 2가지 방법으로 진행되었다. NiZn- ferrite와 Ba-hexaferrite의 혼합 및 입자 크기 제어를 위해 앞에서 언급한 2가지 방법에 대해 공통적으로 고 에너지 볼 밀링 법을 사용하였다. 본 연구에서는 Nd2Fe14B/Fe, SmCo5/Fe 2 layer 박막이 각각 5 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm의 두께로 되어 있을 때의 exchange- coupling 효과를 판별하였고, 그 결과, Nd2Fe14B/Fe, SmCo5/Fe 2 layer 박막 모두 10 nm 이하에서 kink가 없는 단일 상 형태의 자기 이력곡선을 얻을 수 있었다. 이 결과를 토대로 5nm와 10 nm 크기의 분말을 모델링하여 exchange-coupling 효과에 대한 분산도의 영향을 파악해 보았으며, 그 결과, 경자성 기지상 내에 연자성 분말이 뭉쳐있지 않고 고르게 분산되어 있을 때 단일 상 형태의 이력곡선을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 분말 공정을 통해 제조한 Ba-hexaferrite/NiZn-ferrite의 exchange- coupling magnet의 경우, 각각의 분말을 제조하여 혼합한 경우와 자전 연소법을 통하여 한 번의 하소로 제조한 경우의 자성 특성을 비교해본 결과, 그 분산도의 영향으로 인하여 자전 연소법을 통하여 한 번의 하소로 제조한 분말이 고르게 분산되어 각각의 분말을 제조, 혼합한 것보다 우수한 실험적 결과를 얻을 수 있었다. 이와 같은 현상은 경자성인 Ba-hexaferrite와 연자성인 NiZn ferrite의 입자 크기와 고르게 분산되어 spin spring exchange 기구가 실제적으로도 구현 가능함을 보여준 결과이다.