非金屬復合材料(GECM)와 金屬材料간의 갈바닉 腐蝕에 미치는 갈바닉 條件의 影響

유영란 安東大學校 大學院 2003 국내석사

When two dissimilar conductive materials are connected electrically in the solution, galvanic corrosion can occur. Non-metallic composite materials show a high specific strength and are replaced instead of metallic materials in aircraft and then this improves the structural effectiveness. Among these applications, some parts of non-metallic composite materials can be connected with metallic materials and thus galvanic corrosion between them can arise. In this work, galvanic corrosion properties between GECM and metallic materials are evaluated on the base of corrosiveness of atmosphere and the surface condition like anodized film, thermally oxidized film, coating of conductive oxide and the effect of area ratio. The results obtained in this work are as follows. 1) When metallic materials are coupled with GECM, galvanic corrosion rate decreased in Type 316 and Ti, because they made the passive film stable. However, corrosion rate of Al and carbon steel increased, when the metals were coupled with GECM. The galvanic coupling facilitated general corrosion of carbon steel and pitting corrosion of Al in NaCl solution. 2) Anodizing treatment enhanced corrosion resistance of Al, and galvanic corrosion rate of Al decreased when anodized Al coupled with GECM. Also, anodizing, thermal oxidation or coating of conductive oxidation on Ti enhanced the corrosion resistance than in non-treated Ti. When these materials were respectively galvanic coupled with GECM, galvanic corrosion rate of surface treated Ti were greatly lowered than non-treated Ti. 3) When area ratio between metallic materials and GECM increased, corrosion rate of the metallic materials increased.

Cu系 電氣接點 材料의 TiB₂添加에 다른 乾式摩耗擧動

이태우 서울産業大學校 産業大學院 2006 국내석사

고부하와 고에너지 집적이 요구되는 전기접점재료 및 전극재료는 고강도 특성과 높은 전기전도도 및 발생되는 열과 고하중하 접촉에 따른 내산화성과 내마모성 등 다특성의 고기능성 재료로 있다. 이에 따라 높은 전기전도도를 갖는 Cu를 기지 금속으로 미량의 첨가 원소로 구성되는 복합재료의 연구가 고부하 전기접점재료의 주요 연구과제로 있다. 이들 첨가 분말로는 W, Al_(2)O_(3), TiB_(2) 및 Cr 등을 첨가하여 금속간 화합물 형성을 유도하여 고강도와 전기적, 열적특성의 향상을 꾀하고 있다. 특히 TiB_(2)의 경우, 연구자들에 의해 TiB_(2)의 자체 고유특성과 TiB_(2)가 첨가된 복합재료의 전기적 특성 및 기계적 특성에 관하여 보고되고 있다. 그러나 아직까지 TiB_(2)와 Cu 계면간의 결합구조 및 마모시험 조건에 따른 내마모성과 마모 표면하 조직거동의 연구는 완전하게 정립된 단계가 아닌 것으로 생각된다. 본 연구에서는 Cu-TiB_(2) 복합재료의 TiB_(2) 입도와 부피분율 변화 및 마모시험 접촉 하중 변화에 따른 Cu기지와 TiB_(2) 입자간 미세조직 변화를 해석하고자 하였다. 마모시험은 접촉 하중을 20~80N으로 달리하여 Pin-on-disk형 마모시험 하였다. 마모시험후 SIS를 이용하여 표면거칠기를 측정하였고, OM과 SEM을 사용하여 마모표면 및 마모표면하의 subsurface zone을 관찰하였으며, 마모 횡단면의 비커스 미소경도 변화를 측정하였고, 마모탈락분을 관찰하였다. 또한 TEM을 이용하여 마모시험 전·후의 Cu기지와 TiB_(2)입자간 계면의 조직 관찰을 통해 마모거동에 따른 Cu-TiB_(2) 복합재료의 미세조직 변화를 관찰 하고자 하였다. Since dispersion reinforced Cu composites, fabricated by the dispersion of fine Al_(2)O_(3), Cr_(2)O_(3), W, and TiB_(2) particles in Cu matrix, satisfy high electrical conductivity, high temperature stability and superior mechanical properties, they have received by far most attention for contacts with high electrical load. The properties of Cu composites are mainly affected by the dispersion particles, for examples, decrease in electrical conductivity for Cu-Al_(2)O_(3) due to resistive Al_(2)O_(3), degradation of strength, hardness, and wear resistance at >200℃ for Cr_(2)O_(3). In contrast, Cu-TiB_(2) composite reveals superior electrical and thermal conductivities well as high temperature stability. As a result, many researchers have studied for it on thermal and electrical conductivity, mechanical properties, especially wear resistance as a contact material for high electrical load. However, studies on wear behavior of Cu-TiB_(2) composites are limited on wear mechanism analysis based on wear losses and friction coefficient. The correlation of wear behavior with microstructure analysis results subsurface zone and with interface structure between Cu matrix and TiB_(2) particles is little conducted. In this study, we investigated on the wear phenomenon for Cu-TiB_(2) composites fabricated with hot extrusion, by varying particle sizes and volume fractions of TiB_(2). The wear tests were performed under the dry sliding condition with a fixed total sliding distance of 40 m. The contact loads at a constant speed with 3.5 Hz were 20, 40, 60, and 80 N. The friction coefficients and wear losses were measured during wear tests. Worn surfaces, subsurface zone and wear debris after wear tests were investigated using the scanning electron microscope and the optical microscope. The microstructures of interface between Cu matrix and TiB_(2) particle before and after wear tests were studied by the transmission electron microscope.

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.

화학적 방법에 의한 Cu 나노복합분말의 합성 및 특성 해석

윤세중 서울産業大學校 産業大學院 2006 국내석사

세라믹 기지상에 나노크기의 금속입자를 분산시킨 나노복합재료는 세라믹 재료의 취약성과 낮은 가공성을 극복하여 고강도, 고인성 및 우수한 기계적 특성을 갖는 재료를 제조할 수 있다는 점에서 많은 연구의 대상이 되고 있다. 이러한 세라믹/금속 나노복합재료의 물리적, 화학적 특성은 분산된 금속입자의 크기, 분포, 양 등 미세구조에 많은 영향을 받는다. 따라서 요구되는 미세조직을 갖는 세라믹/금속 나노복합재료를 제조하기 위하여 세라믹 및 금속질화물 분말을 균일하게 혼합하여 하소한 후, 수소분위기에서 금속산화물을 나노크기 금속입자로 환원하고 이를 열간 가압 소결하여 치밀화하는 공정이 사용된다. 그러나 이러한 세라믹/금속 나노복합재료의 제조에 있어서 가장 큰 문제로 대두되는 것은 각 공정과장에서의 기초현상에 대한 체계적인 연구, 즉 분말합성기구, 미세조직 발달과 원인 등에 관한 정확한 이해 없이 최종 물성과 미세구조의 해석에 기초한 재료의 응용에만 치중해왔다는 점이다. 따라서 실제 제조에 있어서는 재생성의 문제뿐만 아니라, 정확한 미세조직 제어 및 특성구현에 많은 어려움이 있다. 그러므로 우수한 기계적 특성과 함께 기능성을 갖는 세라믹/금속 나노복합재료의 다양한 공업적인 응용을 위해서는 제조공정의 이해, 특히 분말제조공정에서의 하소 및 환원거동과 치밀화에 관련된 정량적인 해석이 요구된다. 본 연구에서는 기지상으로 Al_(2)O_(3), 분산상으로는 Cu를 선택하여 우수한 특성을 갖는 나노복합재료의 최적 합성 조건에 관하여 조사하였다. Al_(2)O_(3)/Cu 나노복합재료는 Cu 질화물로부터 하소 및 수소환원을 이용하는 화학적 합성법 및 열간 가압소결법을 이용하여 제조하였다. 또한 Al_(2)O_(3)/CuO를 원료분말로 사용한 경우와의 미세조직 특성을 비교분석하여 요구되는 기계적 특성을 만족하는 나노복합재료의 제조를 위한 최적의 합성공정을 제시하였다. TG 및 Hygrometry 분석하여 하소온도와 수소환원 온도를 각각 300℃에서 1시간 및 350℃에서 30분간으로 결정하였으며 합성된 복합분말은 50 nm이하 크기의 순수한 Cu입자가 Al_(2)O_(3)기지상 주변에 균일하게 분산된 미세조직 특성을 나타내었다. 수소 환원은 Al_(2)O_(3)Cu-nitrate의 경우가 Al_(2)O_(3)/CuO 혼합분말 보다 더 높은 온도에서 시작되었으며, Al_(2)O_(3)/Cu-nitrate를 원료분말로 사용한 경우에서 수소 환원 후에 미세한 Cu입자의 균일한 분포를 갖는 복합분말을 제조할 수 있었다. 소결체는 약 150 nm 크기의 Cu입자가 기지상 입계에 균일하게 분산된 intergranular-type 특성을 나타내었다. 열간가압소결한 Al_(2)O_(3)/Cu 나노복합재료는 파괴강도 953MPa, 파괴인성 4.8MPa·m^(1/2)로 순수한 Al_(2)O_(3)와 비교해 월등히 향상된 값을 나타냈으며, 이는 입자미세화에 의한 강도증가와 crack deflection 및 crack bridging의 기구에 의한 파괴인성 증가로 해석하였다. Al_(2)O_(3)/Cu 나노복합재료의 마모계수는 17.12×10^(-5)㎣/Nm로 순수한 Al_(2)O_(3)의 마모계수 2×10^(-5)㎣/Nm 보다 매우 높은 값을 나타내어 내마모 특성의 향상을 기대할 수 없었다. 이는 나노크기의 Cu상의 첨가로 파괴강도 등이 향상되었음에도 첨가한 Cu입자가 ductile하기 때문이라 해석되어진다. There has been strong interest in nanocomposite materials, in which nano-sized metal particles are dispersed in a ceramic matrix of micrometer size, due to the outstanding improvements of mechanical properties. The properties and performance of these ceramic/metal nanocomposites have been known to strongly depend on the microstructural characteristics such as the size and distribution of metal particle as well as the volume of dispersoids. However, there have been some difficulties in reproducing nanocomposites with controlled microstructure and properties. This is basically attributed to the fact that previous researches focused only on the estimation of final microstructure and properties with no understanding of powder synthesis condition and its effect on the final properties. In this study, Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites were selected for experimental systems. The reduction behavior of metal oxides and their effects on the microstructure evolution of sintered composites are analysed. Also, the influence of the intial powder mixture using Al_(2)O_(3)/CuO and Al_(2)O_(3)/Cu nitrate on the final properties such as fracture strength, toughness and wear properties was investigated. The composite powders were prepared by the ball milling and calcination from the mixture of Al_(2)O_(3)/Cu-nitrate. The calcined powder mixture and Al_(2)O_(3)/CuO powder mixture were densified by hot-pressing after hydrogen reduction process. The hydrogen-reduced Cu particles of about 50 nm in size were homogeneously located on the surfaces of Al_(2)O_(3) powders. To analysis the effect of raw powders on the reduction behavior, the humidity changes for powder mixtures were investigated. In case of Al_(2)O_(3)/CuO powder mixture the reduction peak was observed at 210℃, while the peak temperature of Al_(2)O_(3)/Cu-nitrate registered as 240℃. The hot-pressed Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites showed that Cu particles with an average size of 150 nm were homogeneously dispersed mainly on Al_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3) grain boundaries and triple points. Hence, in this investigation the hot-pressed composites are defined as an intergranular-type nanocomposite. In the comparison with monolithic Al_(2)O_(3), the matrix grain size of the Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites was smaller, at range from 0.60 to 0.67 ㎛, than that of Al_(2)O_(3) at 0.89 ㎛. It is clear that metal particle significantly inhibited grain growth of the Al_(2)O_(3) matrix by the pinning effect. The elastic modulus for the monolithic Al_(2)O_(3) and nanocomposites was 396 GPa and 373-380 GPa, respectively. The fracture toughness of the composites exhibited an enhanced value of 4.8-4.9 MPa√(m), about 1.5 times larger than that of the monolithic Al_(2)O_(3). The strengthening and toughening of the nanocomposites were explained by the refinement of the microstructure and the crack deflection and crack bridging. The wear coefficient of the Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites showed a value of about 17×10-5 mm3/Nm, which was 9 times higher than that of the monolithic Al_(2)O_(3). It can be explained that the ductility of Cu phase was responsible for the high wear coefficient in the nanocomposites.

복합재 하니콤 샌드위치 패널 가공에 따른 공구선정과 가공성 개선을 위한 연구

윤성태 慶尙大學校 2020 국내석사

복합재료(Composite Materials)는 두 가지 종류 이상의 소재를 복합화 하여 제작된 재료를 말하며 개념적으로는 두가지이상의 특성이 다른 소재를 물리적. 화학적으로 소재가 가지고 있는 본질을 유지하면서 개별 소재의 특성보다 우수한 성능을 갖도록 구성된 형태의 재료를 말한다. 인공적으로 제조되어 계면을 가진 물리적'화학적 배열 또는 분류되어진 상들로 구성되어야 된다. 복합재료는(Composite Materials) 1950년대 후반부터 국내 산업에 전반적인 사용이 시작되었고 우리나라의 지리적 환경적 특성상 어업분야에서 기존 목선으로 운용되던 선박제조 분야에서소형선박의 건조를 시작으로 복합재료의 사용이 활성화 되었다.현재는 선박제조 분야에서는 이러한 복합재료로 제작된 선박의 리사이클 문제와 환경적인 제약으로 국내에서는 사용이 줄어들고 있고 재료의 다양화 및 구조의 대형화 및 경량성에 대한 수요로 인하여 항공산업,자동차,철도차량,방위산업부문,스포츠분야 및 건설에 이르기까지 매우 널리 사용되고 있는 대표적인 신소재 분야가 되었다. 우리에게 익히 알려진 'FRP(Fiber Reinforced Plastics)'로 불리는 가정용 세면대 및 욕실재 , 낚싯대 , 물탱크 등은 저렴한 유리섬유와 수지로 만들어 진다.유리섬유에서 시작된 복합재료는 소재산업의 발달 및 설계 , 성형기술의 발전 등으로 탄소섬유(Carbon Fiber),붕소섬유(Boron Fiber). 케블라(Kevlar)섬유 등의 고강도 특수 섬유를 이용하여 비행기의 동체(Fuselage), 주익(Main wing), 미사일의추진기관(Missile propulsion engine), 우주선의 외부패널(External panel of rocket), 스포츠 산업용품등의 실생활 속에 광범위하게 적용되고 있다. 복합재료는 열가소성(Thermoplastic)또는 열경화성(Thermosetting) 수지에 탄소섬유가 혼합되어 사용되는 재료로서, 자체의 중량 대비 고강도 , 내구성 , 내부 식성으로 항공 산업 , 자동차 산업, 조선 산업, 우주항공산업 , 국방산업등에 사용되고 있으며, 우수한 특성 중에서 금속재료와 비교되는 대표적인 장점으로는 재료의 이방성과 그에 따른 설계시 형상적인 접근의 유연성에 있다. 금속재료는 재료의 방향과 상관없이 일정한 등방성이 있다면 복합재료는 각 층의 탄소섬유 방향에 따라 그물성이 틀리고 적층개수 및 적층각도에 따라서 물리적 요구도가 달라진다. 특히 재료의 적층패턴에 따라 보강방향에 대한 구조강성을 실현할 수 있고 흔히 사용되고 있는 알루미늄보다 가볍고 강철보다 강한 강성을 가지고 있다. 최근에는 비중이 물보다 낮은 케블라 (Kevlar)소재를 이용하여 방탄용 소재로도 많이 사용되고 있다. 복합재료는 이와 같이 국내산업 전반의 실사용에 오랜 역사와 다양한 수요환경이 조성되었음에도 복합재료의 가공과 관련된 현실에서는 전용공구의 개발이 부진하여, 수작업 절단컷팅 또는 금속가공용 공구의 사용으로 복합재료의 가공품질에 있어서 아쉬운 수준및 복합재료의 가공표면 손상 및 파손 등의 문제가 발생되고 있다. 복합재료의 가공조건에 따른 올바른 공구선정을 통하여 원하는 가공품질의 확보와 가공성을 개선하기 위한 노력이 필요하다. Composite materials are made by combining two or more types of materials. Conceptually, two or more characteristics have the essence of having other materials physicochemically. A material in a form that is configured to have performance superior to the characteristics of individual materials while maintaining. Manufactured artificially, it needs to be composed of an interfacial physics chemical arrangement or classified. In this study, we used HPW193 / RS3232 (made by Korea Fiber Co., Ltd.) as a skin to mix carbon woven fiber / epoxy resin prepreg that is used in the aerospace industry for panels with lighter external structure. EA9695 (manufactured by Henkel) epoxy adhesive film is used to bond the two materials using AL Flex core (manufactured by Hexcel), and the processing method and processing composite panel with honeycomb core structure. We will conduct research to improve working conditions and workability of suitable tools that meet surface requirements. Surface damage and peeling phenomenon due to drilling or boring of composite materials are considerably different from general metal processing conditions such as cutting condition and mechanical processing condition of cutting process, and environmental factors have big difference in product quality. In drilling process, the result varies greatly depending on several variables. Especially in the case of tools used in composite panels, the entry angle, clearance angle, surface coating state of the tool, chip break, corner radius, etc. have a big effect on the quality conditions of the workpiece. The amount of depth and the tolerance accuracy of the hole size of the composite panel also affect the quality of the workpiece. Most of the experimental results confirmed in similar existing research cases and academic papers focus on experimental results of tool wear on composite panel cross-sections (Trim), with drilling and There are insufficient activities to supplement the research cases and techniques on the results of quality conditions in the processing state of composite panels. In this study, the processing conditions of the composite panel and the selection of volumetric tools were selected for the stability of the drilling dimensions and the quality of the machined surface during the hole processing of the fabricated and processed composite panel. Set for purposes: Generation of Burr is often displayed even when processing metal materials, However generation of Burr in composite panels is due to fiber layer delamination or fiber layer tearing owing to improper burr removal causing occurrence of baggage which lead gross product quality abnormalities. Some of the defects have emerged as important problems. When the side surface of the composite material is heated by cutting heat in the process of drilling the tool, the resin is softened, the force for supporting the carbon fibers is reduced, and the bending of the fibers is increased. Not only the fiber pull-out generated at a specific fiber angle, but also the phenomenon that the matrix is ​​softened by the high-temperature cutting tool heat generated during the cutting process and exposed to the soot on the processing surface is being observed. The exposed processed surface is likely to have a sharp decrease in illuminance and an interlayer separation type. In this study, the relationship between machining parameters and defects was confirmed, and research on process improvement to reduce defects was conducted. Analysis of the effects of cutting variables, cutting speed, feed, and tool shape on tool wear and composite delamination index, etc., and optimum cutting within the range of cutting ability of the optimized machine can give guidelines such as tool change cycles to a practical industrial field.

Bi_(2)Te_(3)-Sb_(2)Te_(3)계 열전재료의 제조와 응용

황창원 亞洲大學校 大學院 2003 국내박사

탄소동소체와 니켈을 첨가한 마그네슘 기반의 수소저장재료의 특성 연구

최은호 전북대학교 일반대학원 2020 국내석사

The most important challenge in modern society is to reduce environmental pollution. The use of energy inevitably leads to environmental pollution, and research on the use and application of pollution-free energy or the emission of very minimal environmental pollutants is in progress. In particular, hydrogen is an energy source that does not emit environmental pollutants at all, and has been spotlighted as an energy source for household or stationary power generation, and is accelerating the development of a storage device accordingly. Magnesium (Mg) is one of the hydrogen storage materials that can be used in devices that store hydrogen in the form of metal hydrides and use it as an energy medium. Mg has a quite high theoretical storage capacity of 7.6 wt% H, and is of low price due to abundance in the earth’s crust. In contrast, the temperature of hydrogen release is high, which is to be solved. Consequently, magnesium-based hydrogen storage research is concerned with the development of materials close to the theoretical hydrogen storage capacity and increasing the rate and amount of hydrogen absorption and release. Reactive mechanical grinding (RMG) refers to milling materials such as magnesium into a finer powder in a hydrogen atmosphere, a reactive gas. RMG is believed to have driven powders to form defects (inducing nucleation), to do surface treatment (increasing the reactivity of magnesium particles), and to micronize particle size (reducing hydrogen diffusion distance), leading to increasing the rate of hydrogenation and dehydrogenation. This work focuses on the investigation of hydrogen storage properties of Mg alloys prepared by adding carbon allotrope and a transition metal Ni via RMG using Sieverts’ type hydrogenation and dehydrogenation apparatus. Comparing pure Mg powder samples treated with different reactive mechanical grinding times (12.5 h and 24 h), there was no difference in the amounts of absorbed and released hydrogen for 60 min. Mg (12.5 h) and Mg (24 h) absorbed 7.33 and 6.72 wt% H, respectively, in the first cycle (n=1) under 593 K, 12 bar H2. Mg (12.5 h) and Mg (24 h) released 1.58 and 0.78 wt% H, respectively, in n=1 at 593 K under 1.0 bar H2. Mg + 5 wt% graphene (M5G), Mg + 2.5 wt% MWCNT (M2.5CNT) and Mg + 2.5 wt% CNF (M2.5CNF) were prepared to examine the effects of carbon allotrope addition. M2.5CNT showed the best absorption and release performance, showing 7.04 wt% H uptake for 60 min under 12 bar H2 at 593 K and 2.24 wt% H release for 60 min under 1.0 bar H2 at 593 K. M2.5CNF absorbed 6.63 wt% H under 12 bar H2 and desorbed 2.15 wt% H under 1.0 bar H2 at 593 K for 60 min. M5G absorbed 5.47 wt% H under 12 bar H2 and desorbed 0.53 wt% H under 1.0 bar H2 at 593 K for 60 min. In order to increase the initial hydrogenation and dehydrogenation rates as well as the amounts of absorbed and released hydrogen for Mg, Mg + 2.5 wt% graphene + 2.5 wt% Ni (MGN), Mg + 2.5 wt% MWCNT + 2.5 wt% Ni (MTN), and Mg + 2.5 wt% CNF + 2.5 wt% Ni (MFN) was prepared. MFN showed the largest amounts of absorbed and released hydrogen for 60 min in n=3, absorbing 7.11 wt% H under 12 bar H2 and releasing 5.72 wt% H under 1.0 bar H2 at 593 K. However, MTN absorbed 6.85 wt% H at n=1and 6.84 wt% H in n=3 under 12 bar H2 and released 5.44 wt% H in n=1 and 5.64 wt% H in n=3 under 1.0 bar H2 for 60 min at 593 K. MTN showed the best performance in consideration of degradation and the amounts of absorbed and released hydrogen.

국부전지 형성에 의한 용융탄산염 연료전지용 분리판 재료의 부식에 관한 연구

황응림 漢陽大學校 大學院 1997 국내박사

용융탄산염 연료전지(MCFC, molten carbonate fuel cell)의 작동온도인 923 K는 분리판으로 사용되는 오스테나이트계 스테인레스강이 입계부식에 민감화되는 온도영역(723 K~1173 K)이며, 전해질로 사용되는 용융탄산염에 의한 스테인레스강의 부식은 전지의 수명을 감소시키는 주요한 요인이다. 지금까지 분리판 재료로 가장 널리 사용되고 있는 오스테나이트계 스테인레스강을 대체할 내식성 재료개발에 관한 연구가 많이 진행되어 왔으나, 제조 비용 측면에서 현재는 기존의 스테인레스강에 내식성 재료를 피복하는 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나, 용융탄산염을 이용하는 전지내에서 스테인레스강의 부식기구는 매우 복잡하고 이에대한 체계적인 연구가 없으며, 분리판 재료인 스테인레스강의 입계부식 기구나 평가 방법이 제시된 것은 전무하다. 본 연구에서는 용융탄산염 내에서의 오스테나이트 스테인레스강의 입계부식 기구가 조사되었으며, EPR(electrochemical potentiokinetic reactivation) 시험 방법이 입계부식 민감화의 정량화에 처음으로 적용되었다. 분리판 피복재료의 내식성은 용융탄산염 내에서의 침지시험을 통해 조사되었고, 가장 내식성이 우수한 피복재료가 스테인레스강 위에 피복될 수 있는 공정이 조사되었다. 대용량 전지 스택의 수명 향상과 관련하여 전지작동시 분리판에서 발생되는 부식기구와 이들 피복재료에 의한 부식 억제효과가 조사되었다. 923 K의 용융탄산염(62m/oLi2CO3-38m/oK2CO3)에서 입계부식에 대한 민감도 측정 결과 탄소함량이 적은 304L과 316L이 각각 304와 316 보다 우수한 입계 저항성을 나타내었다. 또한 Cr의 함량이 가장 많고 탄소함량이 적은 310S 스테인레스강이 가장 우수한 입계부식 저항성을 갖는 것으로 평가되었는데, 이는 용융탄산염에서 스테인레스강의 입계부식이 Cr 고갈에 기인하기 때문이었다. 그러나, 310S 스테인레스강은 316L 스테인레스강에 비해 Ni과 Cu의 밀착성이 나빠서 내식피복이 적용되는 경우 316L 스테인레스강 보다 분리판 재료로 적합하자 않았다. MCFC anode와 cathode의 집전체 내식 피복 후보 재료인 Ni과 Cu의 용융탄산염내에서의 침지 분위기는 anode와 cathode 분위기를 각각 모사한 923 K, 80%H2-20%CO2 및 67%CO2-33%O2 혼합가스 이었다. Anode 가스 분위기에서 Ni과 Cu의 표면에 형성된 부식층은 316L 스테인레스강에 비해 매우 얇았으며, 특히 Ni의 표면에는 부식층이 거의 관찰 되지 않았다. 이는 용융탄산염 내에서의 Ni과 Cu의 산화반응에 대한 평형 전위가 anode 가스에 의한 평형 전위 보다 높으므로 산화반응(부식)이 일어나지 않았기 때문이었다. Anode 가스 분위기와는 달리 cathode 가스 분위기에서 316L 스테인레스강 표면은 Ni과 Cu에 비해 부식에 안정화 되었는데, 이는 cathode 가스의 평형 전위가 Ni과 Cu의 산화 반응에 대한 평형 전위 보다 높았기 때문이었다. 316L 스테인레스강의 구성원소인 Fe와 Cr의 산화반응에 대한 평형전위는 cathode 가스의 평형전위보다 낮으므로 스테인레스강은 부식되지만, 316L 스테인레스강 표면에 형성된 산화물층이 Ni과 Cu의 표면 산화물층에 비해 치밀하므오 상대적으로 낮은 부식속도를 보였다. Ni과 Cu가 피복된 스텐인레스강과 피복되지 않은 스테인레스강의 내식성 비교는 half-cell을 이용하여 실제전지에서 anode에 걸리는 전위인 -1.0 V(vs. 67%CO2/33%O2/Au)의 정전위로 양분극 시켜 조사되었다. Ni이 피복된 316L 스테인레스강의 부식전류밀도가 가장 낮게 측정되어, 침지 실험 결과와 일치하였다. 용융탄산염 연료전지 분리판의 wet-seal 부의 내식성 향상을 위한 피복 재료인 Ni-Al 금속간 화합물(Ni3Al, Ni2Al3, NiAl, NiAl3)의 용융탄산염에 대한 내식성 평가가 100 시간의 침지시험을 통해 비교되었다. Ni-Al 금속간 화합물 중 녹는점이 가장 높은 NiAl이 가장 우수한 내식성을 보였는데, 이는 표면에 형성된 치밀한 Al 산화물층에 기인하였다. 316L 스테인레스강 위에 Ni를 전기도금 방법으로 피복한 후, Ni 피복층 위에 Al을 PVD 방법으로 피복하였고 1073 K에서 열처리하여 NiAl 피복층이 형성되게 하였다. 열처리 온도와 시간에 따른 피복층에서의 상변화가 WDS와 XRD로 분석되어 적합한 NiAl 형성 조건이 조사되었다. Ni와 Al 피복층은 Al의 녹는점(933 K) 이상에서 가열될 때, Al은 Ni 피복층으로 빠르게 확산하였으며 Ni와 Al 계면에 NiAl3 층이 형성되었고 Ni 피복층 내부에는 Ni2Al3 층이 형성되었다. 가열 시간 증가에 따라, Ni/Al 계면에 형성된 NiAl3 상은 소멸되었고 Ni2Al3 상은 NiAl 상으로 변화 되었다. MCFC 단위전지 anode측 집전체의 내식 피복 재료인 Ni은 산화 평형 전위 보다 낮은 전위로 분극되므로 부식되지 않았다. 전지 작동시 wet-seal 부의 가스조성과 anode 및 cathode측 집전부의 가스 농도 차이에 의해 국부전지가 형성되어 전지의 부식이 가속되었다. 열린회로에서 anode측 wet-seal 부위는 이 부위와 떨어진 부위가 국부전지 형성에 의해 큰 전류가 흐르게 되고 부식 생성물이 빠른 속도로 생성되어 전지가 단락되는 현상이 초래되었다. Cathode측 wet-seal 부위에서는 국부전지 형성에 의한 부식은 크게 나타나지 않았다. 전지작동시 anode측 wet-seal 부위에서 anode의 수소 산화반응에 의한 수소의 고갈로 국부전지의 부식부위가 전지내부로 이동해 갔다. Wet-seal 부의 전극과 분리판의 계면에서는 전해질의 유입과 수소가스의 농도차로 인하여 열린회로와는 전혀 다른 양상의 국부전지가 형성되었다. 국부전지에 형성에 의한 wet-seal 부위의 부식을 감소시키기 위해서 NiAl를 anode측 및 cathode측 wet-seal부에 선택적으로 피복시킨 결과 NiAl 피복층에 형성된 전기 전도도가 낮은 Al 산화물층에 의해 국부전지 형성이 억제되어 내식성이 크게 향상되었다.

XLPE 전력케이블용 반도전재료의 물성에 미치는 CNT 영향 연구

양훈 원광대학교 대학원 2009 국내석사

대부분의 경우, 나노 크기가 되면 기존 재료와는 현저하게 다른 특성을 나타내게 된다. 이러한 변화는 더욱 우수한 특성을 나타내며 최근에는 이것을 활용하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 지중 송배전용 전력케이블을 비롯한 전기재료 분야에서는 CNT의 응용 연구는 거의 이루어지지 않고 있는 상태이다. 따라서 본 연구는 전력케이블용 반도전 재료에 관한 심층적인 분석을 통해 반도전 재료의 특성 및 기능에 대한 새로운 인식을 하고자 하였다. 반도전 재료의 경우 공정에서 다량인 35[wt%] - 40[wt%]의 카본블랙을 첨가한다. 하지만 다량의 카본블랙의 첨가할 경우 많은 문제점을 가지고 있다. 다량의 카본블랙이 첨가할 경우 높은 중량비로 인해 전력케이블의 생산공정의 많은 문제점을 유발 할 수 있다. 또한 마이크로 크기를 갖는 기존의 카본블랙은 고분자 기저내에서 분산이 불량할 경우 돌기의 발생으로 전계집중 현상을 일으킬 수 있다. 따라서 다량의 카본블랙 대신 소량의 탄소나노튜브를 사용하면 전기전도성과 기계적 강도가 우수한 특성을 보일 것이라는 가정 하에 본 연구를 시작하였다. 본 실험에서는 높은 이방성을 갖는 다층벽 탄소나노튜브를 베이스 수지인 EEA에 첨가하여 용액 혼합법을 이용하여 나노 복합체를 제조하였다. 또한, 반도전 재료의 구조적, 열적, 기계적, 전기적 및 화학적 특성으로 세분화 하였다. 이들 특성을 확인하기 위해서 먼저 FE-SEM, AFM을 측정하여 구조적 특성을 알아보았다. 탄소나노튜브의 함량이 증가함에 따라 파단면 위에 드러나는 탄소나노튜브가 많아짐을 확인할 수 있었고, 시편들은 매트릭스 형태를 형성하고 방사적으로 분포하여 베이스 수지 내 전기전도성 네트워크를 형성할 수 있음을 확인하였다. 그리고 DSC, TGA, 열전도도, 열확산도 및 비열을 측정하여 열적 특성을 확인하였다. 탄소나노튜브의 함량의 증가로 강화재와 기지 사이의 분자간 상호인력이 작용함으로서 고분자 사슬의 움직임을 방해하여, 유리전이온도, 용융점 및 열용량이 증가하였다. 기계적 특성인 인장강도, 신장율 및 밀도에서는 탄소나노튜브가 카본블랙에 비해 아스펙트비가 높고 직경이 작은 나노 충전제의 형태를 하고 있기 때문에 보강효과가 큰이유로 가교시스템 영향으로 증가함을 알 수 있었다. 또한, 전기적 특성인 체적저항에서는 카본블랙과 탄소나노튜브사이에 나노복합화의 사슬유동성 억제효과로 CNT:CB=100:0인 경우를 제외하고는 만족하지 못하였다. 마지막으로 화학적 특성인 FT-IR, KF 측정에서는 이온성 불순물의 영향과 카본블랙 표면에 존재하는 탄화수소 유도체의 수소원자 일부의 작용기 치환됨으로 탄소나노튜브의 증가에 따라 높은 투과량, 낮은 흡수량 및 흡습량을 확인할 수 있었다. Recently, many studies using nano-size particles which its properties differ remarkedly from macro-size particles and electrically excellent are intensively performed. But the applications of CNT has not performed in the regions of electrical material including the power cable for transmission and distribution on underground. In this study, we measured considerably the properties and functionalities for nano semiconductive shield materials. In the conventional processing to manufacture a semiconductive shield materials, the heavily doped concentrations of CB vared from 35wt% to 40wt%. But this material doped with CB have many problems to be improved in practical usage. These reported problems are due to the heavy mass of CB and can be troublesome in the processing to manufacture power cable. Even if micro-size CB were failure dispersive, then the failure could make a protrusion in the surface of CB shield and focus high intensity of electric field on the apex of the protrusion. This high electric field can be a cause of breakdown in the inner side of power cable. In practical implementation, we postulated whether the excellent electric and mechanical properties of CNT with concentrations varied from 0[wt%] to 10[wt%] will be a valuable application in power cable or not. We have manufactured nano polymer by using soultion mixing method. The used material was EEA as base resin employed with highly anisotropic multi-wall CNT. We have measured the structural, thermal, mechanical, electrical, and chemical properties of CNT reinforced composite. Comparing thermal properties for each samples, we measured the DSC, TGA, thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat. It was shown that as the concentrations of CNT increasing, the each values of glass transition temperature(T_(g)), melting temperature(T_(m)), and H were higher, respecively. Moreover, IDT and Tmax was excellent. The electric properties of samples prepared in 25[℃] ~ 90[℃], the differential values of the volume resistivity were lineraly larger as the temperature increasing. We measured the stress , strain, and density to measure the mechanical properties for each samples. In the measurement of FT-IR for chemical properties, carbonyl group were detected. The small amount of CNT, 8[wt%], was very useful to prevent the oxidized degradation. And, in the measurement of KF, water content were detected. At last, we measured the dispersion and morphology corresponding to the variable relationship of CNT and CB by using FE-SEM. In this results, we can see that the relationship between the concentration of CNT and CNT revealed on the cross section of specimen was linear. Moreover, the morphology of specimen with matrix type was distributed radially.

전기 메모리 재료에서의 상 변화현상의 분석방법에 관한 연구

김대희 광운대학교 대학원 2004 국내석사

최근 비휘발성 메모리 시장에서 각광 받고 있는 PRAM(Phase Change Random Access Memory)은 비정질과 결정질 상태간에 광학적, 전기적 스위칭 현상을 나타내는 칼코게나이드(chalcogenide)재료를 이용한 것으로 이에 수반한 전기저항도 차이로 정보를 기록/소거/재생하는 기본 작동원리를 갖는다. 정보의 기록(리셋)과 소거(세트)상태는 전기적 기록, 소거동작시 재료의 용융에 이은 비정질화와 결정화과정을 통해 각각 형성되기 때문에, 전기적 재생특성은 상변화 과정의 동력학(kinetics) 및 형성된 상구조와 밀접한 상관관계를 갖게 된다. 따라서, 전기적 동작 상태에서 상변화 특성을 분석할 수 있는 장치를 이용함으로써 이러한 상관관계에 대한 보다 구체적이며 직접적인 이해가 가능해지고 이를 바탕으로 한 고성능의 메모리 재료 및 소자구조의 설계, 개발이 가능하다. 본 연구에서는 이러한 목적을 위해 칼코게나이드 물질의 비정질상과 결정질상이 전기적 물성외에도 광학적으로도 구분가능하다는 사실에 근거하여 고유의 소자 동작 특성평가 기법을 개발하였다. 개발된 특성평가기법은 투명도전 산화물 전극을 채용한 소자구조를 이용하여 전기적 동작을 위한 가열용 전기 펄스에너지 인가시 상변화에 따른 재료의 반사/투과도 변화를 안정화 연속 probe 레이저를 통해 광학적으로 실시간 검출하는 전기-광학적 측정 장치와 함께 기록/소거동작을 통해 형성된 상구조 이미지의 비파괴적 일괄(in-situ) 관찰이 가능한 광학 현미경부를 갖추고 있다. 본 실험의 목적을 위하여 일반 금속 전극 재료를 대신하여 광학적 투명성과 전기적 전도성을 동시에 가지는 투명전극재료인 IZO(indium Zinc Oxide)가 상부전극재료로 사용되었다. 우선 소자에 대한 전기적 특성과 광학적 특성이 측정되었고, 그로 인해 나온 결과들을 광학상수 분석 소프트웨어인 Film Wizard를 통해 상변화 영역에서 발생하는 결정화 현상에 대한 기구(mechanism)를 3가지로 가정하여 시뮬레이션 한 결과들과 연계 시켜 분석 함으로써 실제로 기존에 사용되는 전기적 특성 평가 방법에서는 얻을 수 없는 결정화 기구에 대하여 규명할 수 있었다. 실제로 결정화가 되는 기구에 따라 소거 속도의 차이가 나타나고, 소거 속도를 빠르게 하는 것이 PRAM개발에 있어 가장 중요한 과제라고 본다면 이러한 특성 분석 장치의 개발은 고속 상변화 소자 제작을 위한 상변화재료의 선택에 있어서 유용한 정보를 제공 한다는 점 에서 큰 의의를 가진다.