그래핀 옥사이드(Graphen Oxide, GO)와 환원 그래핀의 (Reduced graphe oxide, R-GO)의 물리화학적 특성 연구

김무선,이호용,최성웅,Moo-Sun Kim,Ho-Yong Lee,Sung-Woong Choi 한국복합재료학회 2023 Composites research Vol.36 No.3

The manufacturing technology of composite material is applicable with filler characteristics maintaining low cost, flexibility, and easy process to develope the various functional composite materials. To realize functional composites, various researches on the high performance of composite materials using graphene as a filler is being actively conducted. In this study, physical and chemical properties were investigated using graphene to improve high functional properties. Graphene oxide (GO) was prepared using graphane nanoplatelet (GNP), and reduced graphene oxide (R-GO) was formed by reducing GO. The physical properties of GO and R-GO were analyzed, and the reliability of the manufactured method was reviewed by comparing that of GNP results. As a result of analysis by Raman spectroscopy, in the case of R-GO, it was confirmed that the intensity of D-peak and G-peak decreased compared to GO, and an increase of 0.08 was observed through the ratio of ID/IG. For the FTIR results, GO and RGO has a repeating C-C and C=C connection structure unlike GNP. GO and R-GO show clear peaks for C-O bond, C=C bond, C=O bond, and O-H bonding. As a result of X-ray diffraction analysis, GNP showed a wide diffraction peak at 25.86° of (002) plane characteristics, whereas GO and R-GO showed peaks corresponding to (001) and (100) planes. It was also found that the interlayer distance of GO increased by about 2.6 times compared to GNP.

DED 공정기술을 적용한 레일 유지보수 시편의 경도 특성 연구

김무선 한국산학기술학회 2023 한국산학기술학회논문지 Vol.24 No.8

본 연구에서는 철도산업의 주요 인프라 구성요소인 레일을 대상으로 적층제조기술로 유지보수를 수행하였을 경우 레일에 발생하는 주요 물성의 변화를 분석 진행하였다. 적층제조기술은 열차의 반복 하중에 의한 레일 표면 마모 및 결함을 대상으로 한 유지보수 기술로 적용이 가능하다. 유지보수 기술로서의 적층제조 특성을 이해하기 위한 시험을 진행하기 위해, 레일 상부 절삭 후 DED 공정기술로 일정 높이만큼 적층하여 시편을 제작하였다. 적층 소재로 SUS316L 및 SUS630 두 종류의 소재를 적용하였고 공정조건의 차별화로 레이저 스캐닝 방향을 0° 및 0°/90° 교차 적층으로 구분하였다. 측정 물성은 레일 단면을 기준으로 레일의 주요 물성인 경도값(HV)을 적층 표면부터 레일의 중심까지 순차적으로 측정하였다. 경도 분석결과는 두 소재 모두 적층 표면에서 적층 경계면까지 점차적으로 경도값이 증가하는 특성을 보였으며 레일 원소재 영역에서는 경계면 근처에서 상대적으로 높은 경도값을 가졌다. 이는 적층 영역에서 레이저에 의한 가열사이클의 반복횟수와 냉각속도의 차이에 따라 생성되는 미세조직 특성이 달라지고 이로 인해 경도값의 차이가 발생한 것으로 판단된다. 또한 레일 원소재 영역에서는 적층경계면 근처에서 레이저 열원의 영향을 가장 크게 받기 때문에 이로 인해 생성되는 미세조직 차이로 높은 경도값을 가지는 것으로 추정된다.

Filling Behavior of Polymer Melt in Micro Injection Molding for V-Grooves Pattern

김무선,김승모 한국생산제조학회 2014 한국생산제조학회지 Vol.23 No.3

This study uses two numerical approaches to analyze the filling behavior of micropatterns on micro-injection molding for V-grooves pattern which cannot besimulated with conventional CAE packages. The parametric studies have beenperformed to examine the fidelity of micro patterns with respect to temperature,pressure, inlet velocity and pattern location on the mold according to theboundary condition from the macro pressure and velocity data which can beobtained by conventional CAE packages. Through these numerical approaches,the filling behavior of polymer melt in micro patterns can be understood, thequality of replication can be predicted, and the V-groove pattern can be shapeduniformly during the process of injection molding.

레이저 적층제조기술로 제작한 폴리아미드 12 시편의 인장특성 연구

김무선 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.11

복합 형상 부품 제작 및 제작 공정의 일체화 장점으로 3D 프린팅 기술의 적용 분야가 확대되고 있으며, 지속적인 연구 개발에 의해 다양한 기술방안들이 등장하고 있다. 대표적인 기술로는 파우더 형태의 소재 위에 레이저를 조사함으로써 원하는 영역을 소결 및 적층 제작하는 방식의 SLS 기술이 있으며, 고성능의 엔지니어링 플라스틱을 활용하여 실제 사용할 수 있는 부품을 제작하는 사례가 늘어나고 있다. 본 연구에서는 활용도가 높은 고분자 소재인 폴리아미드 12 소재 및 글라스 비드가 보강된 폴리아미드 12 소재를 대상으로 인장시편을 제작하여 시편 제작 방향 및 인장 시험 온도에 따른 특성 결과를 비교 분석하였다. 시편 제작방향은 작업 평면 기준으로 0°, 45°, 90° 로 구분하였으며, 인장시험온도는 -25℃, 25℃, 60℃로 조건을 구분하였다. 시험 결과로부터 제작 방향이 90°에 가까울수록 두 소재 모두 탄성률의 미세한 감소를 보였으며, 인장강도는 PA12보다 글라스 비드 보강 PA12가 제작방향에 대한 의존성을 명확하게 보였다. 또한 시험 온도 증가에 따라 탄성률 및 인장강도의 저하를 확인할 수 있었다. The application of 3D printing technology is expanding due to the production of the complex-shape parts and the one-step manufacturing process. Moreover, various technical solutions in 3D printing are emerging through continuous research and development. Representative technologies include SLS technology, in which a desired area is sintered and laminated by irradiating a powder-type material with a laser. In addition, high-performance engineering plastic parts are being manufactured in increasing numbers. In this study, tensile specimens were fabricated from polyamide 12, a widely available polymer, and the glass bead-reinforced polyamide 12. The specimen-build orientation was divided into 0°, 45°, and 90° on the fabrication platform, and the tensile test temperature was -25℃, 25℃, and 60℃. The test results showed that the tensile modulus of both materials decreases as the build orientation becomes closer to 90°. In addition, the tensile strength of glass bead-reinforced PA12 showed more dependence on the build orientation than PA12. In addition, the tensile modulus and tensile strength decreased with increasing test temperature.

레이저 3D 프린팅 기법으로 제작한 열교환기 성능시험 분석 연구

김무선 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.7

3D printing is an additive manufacturing technology that can produce complex shapes in a single process for a range of materials, such as polymers, ceramics, and metals. Recent 3D printing technology has developed to a level that enables the mass-production through an improvement of the printing speed and the continuous development of applicable materials. In this study, 3D printing technology using a laser was applied to manufacture a heat exchanger for an air compressor in a railway vehicle. First, the optimal design of the heat exchanger was carried out by focusing on weight reduction and compactness as a shape suitable for 3D printing. Based on the design derived, heat exchanger prototypes were made of AlSi10Mg alloy material by applying the SLM technique. Moreover, the manufactured prototypes were attached to an existing air compressor, and the heat exchange performance of the compressed air was tested. The test results of the 3D printed prototypes showed a heat exchange performance of approximately 80% and 85% at low and high-pressure, respectively, compared to the existing heat exchanger. From the ε-NTU method results with an external cooling air condition similar to that of the existing heat exchanger, the calculated heat transfer amount of 3D printed parts showed similar performance compared to the existing heat exchanger. As a result, the 3D printed heat exchanger is lightweight with good performance. 3D 프린팅은 고분자, 세라믹, 금속 등 다양한 소재를 대상으로 복합적인 형상을 한 번의 공정으로 제작할 수 있는 적층 기반 제작 기술이다. 최근의 3D 프린팅 기술은 프린팅 속도의 향상과 적용 가능 소재의 지속적인 개발에 의해 양산형 제품 생산이 가능한 수준으로 발전하였다. 본 연구에서는 레이저를 활용한 3D 프린팅 기술을 적용하여 철도 차량용 공기 압축기에 쓰이는 열교환기 제작을 진행하였다. 먼저 3D 프린팅에 적합한 형상으로 경량화 및 컴팩트화를 주안점으로 열교환기의 최적 설계를 진행하였다. 그로부터 도출된 설계안을 기반으로 SLM 기법을 적용하여 AlSi10Mg 합금 소재로 열교환기 시작품을 제작하였다. 다음으로, 제작된 시작품을 기존 공기 압축기에 부착하여, 압축공기의 열교환 성능을 시험하였다. 3D 프린팅 시작품의 시험 결과는 기존 열교환기 대비하여 저압부와 고압부에서 열교환 성능은 각각 약 80% 및 85% 수준을 보였다, 하지만 외부 냉각공기 조건을 기존 열교환기와 유사한 조건으로 가정하였을 때 ε-NTU 법을 활용하여 계산한 열전달량은 기존 열교환기 대비하여 유사한 성능을 보여 주었다. 결과적으로, 3D 프린팅 제작 열교환기의 성능 효과 및 경량화 등의 장점을 확인할 수 있었다.

선택적 레이저 소결 기술을 활용한 철도차량 제동밸브 바디 설계 연구

김무선 한국산학기술학회 2022 한국산학기술학회논문지 Vol.23 No.12

This study evaluated a production plan to make the body of the main brake valve module of a railway vehicle made of aluminum alloy with a thermoplastic resin using 3D printing technology. In general, the main body of the brake valve module of a railway vehicle was manufactured using the machining process of an aluminum block. In the case of manufacturing the body structure by 3D printing technology using thermoplastic, a redesign process should be carried out considering the mechanical properties and the surface characteristics. In addition, when 3D printing is applied to manufacturing, the design freedom of the internal flow path shape of the body is expanded so that the pressure-based flow efficiency can be improved. In this study, each stage of design was established to consider a design plan to manufacture the module body with selective laser sintering technology, which is one of the representative 3D printing technologies. Configuration steps consisted of the material characteristics, surface roughness characteristics, and flow efficiency verification according to flow path curvature. Based on this, the redesign of the internal flow path curvature for fabrication was carried out. A performance test was conducted following the production of the main body by 3D printing. 본 연구에서는 현재 알루미늄 합금으로 제작되어 사용하는 철도차량의 주제동밸브 모듈 본체를 3D 프린팅기술을 활용하여 열가소성 수지로 제작하기 위한 설계 방안 연구를 진행하였다. 일반적으로 철도차량 주제동밸브 모듈의 본체는 기계 가공기술을 이용하여 알루미늄 블록 가공 방식으로 제작하게 된다. 이를 열가소성 플라스틱을 활용한 3D 프린팅으로 제작하는 경우 공정 특성과 제품 기능 특성을 감안한 재설계를 진행하여야 한다. 또한 3D 프린팅으로 제작시 본체 내부 유로 형상의 설계자유도가 확장되어 압력 기반 유동 효율을 향상할 수 있다. 이번 연구에서는 모듈 본체를 대표적인 3D 프린팅 기술의 하나인 선택적 레이저 소결 기술로 제작하기 위해서 고려해야 하는 설계 방안 수립을 목적으로 하여, 각 단계를 정립하였다. 각 구성 단계는 소재 특성, 표면 거칠기 특성, 유로 곡선화에 따른 유동 효율 검증 등으로 구성하였으며, 이를 기반으로 내부 유로 곡선화와 제작을 위한 재설계를 진행하였다. 최종적으로 3D 프린팅으로 제작한 주제동밸브 본체를 대상으로 성능시험을 진행하였다.

물리적 표면처리 기법에 따른 복합소재 및 알루미늄간 접합특성 연구

김무선 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.11

In this study, the adhesion properties between aluminum and composite materials, composite materials, and composite materials were compared according to the physical surface treatment to improve mechanical bonding at the bonding surface when considering carbon fiber and glass fiber-reinforced composite materials. Bonded specimens were classified into the type of base material and the surface treatment method of the bonding surface. Sandpaper, sandblasting, and plasma were applied as physical surface treatment methods. The bonded specimen was prepared as a single lap joint test specimen. An experiment to measure the lap shear strength was conducted, and the results were compared. The experimental results confirmed that the mechanical abrasion and sandblasting treatment improved the lap shear strength approximately 4 to 5 fold compared to the general specimen without physical surface treatment. In plasma treatment, the experiment was conducted by defining the respective plasma output and treatment time as follows: 150 W and 5 minutes, 150 W and 10 minutes, and 300 W and 3 minutes. Moreover, the lap shear strength results were similar to the previous mechanical surface treatments. On the other hand, the effect on the adhesion properties was small, depending on the plasma treatment conditions. 본 연구에서는 탄소섬유 및 유리섬유 강화 복합소재를 대상으로 하여, 접합면에 기계적인 결합력 향상을 위해 물리적인 표면처리 방법을 적용할 때, 알루미늄 및 복합소재, 복합소재 및 복합소재 간의 접합특성을 비교 분석하였다. 접합시편은 접합을 위해 쓰이는 모재 종류와 모재 접합면의 표면처리 방법으로 각각 구분하였다. 물리적인 표면처리 방법으로는 기계적인 마모 (사포) 처리, sand blasting 처리 및 플라즈마 처리기법을 적용하였다. 접합시편은 single lap joint 시편으로 제작하였으며 lap shear strength 측정 실험을 진행하여 그 결과값을 비교하였다. 실험 결과에서 기계적인 마모 및 sand blasting 표면 처리 방법이 물리적인 표면 처리를 진행하지 않은 일반 시편 대비하여 약 4~5배의 접합강도 향상이 있음을 확인하였다. 플라즈마 처리 기법을 적용한 방안에서는 플라즈마 출력과 처리 시간을 150 W 5분, 150 W 10분 및 300 W 3분 처리 조건으로 정의하여 실험을 진행하였으며, lap shear strength 결과에서 앞선 기계적 표면 처리 방안과 유사한 결과를 보였다. 다만 처리 조건에 따라서 접합특성에 미치는 영향은 적음을 확인하였다.

Type Ⅲ 수소 저장 용기에서 가스 모델(gas model)에 따른 배출(discharge) 현상의 수치 해석적 연구

김무선,류준형,정수연,이성우,최성웅 한국수소및신에너지학회 2020 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.31 No.6

Hydrogen is attracting attention as an alternative energy source as an eco-friendly fuel without emitting environmental pollutants. In order to use hydrogen as an energy source, technologies such as hydrogen production and storage must be used, and new storage methods are being studied. In this study, the behavior of hydrogen in the storage tank were numerically studied under high-pressure hydrogen discharge conditions in a Type III hydrogen tank. Numerical results were compared with the experimental value and the results were quantitatively analyzed to verify the numerical implementation. With the results of pressure and temperature values under a given discharge condition, the Redich-Kwong gas model showed the adequate models with the smallest error between numerical and experimental results.

수치해석을 활용한 마찰교반용접 공정의 온도 특성 분석 연구

김무선 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.12

Friction Stir Welding is a welding technique for metal materials that utilizes the heat generated by friction between the material to be welded and the welding tool that rotates at high speed. In this study, a numerical analysis method was used to analyze the change in the internal temperature of the welded material during friction stir welding. As the welding target material, AZ31 magnesium alloy was applied and the welding phenomenon was considered a flow characteristic, in which a melting-pool was formed. FLUENT was used as the numerical tool to perform the flow analysis. For flow analysis of the welding process, the welding material was assumed to be a high viscosity Newtonian fluid, and the boundary condition of the welding tool and the material was considered to be the condition that friction and slippage occur simultaneously. Analyses were carried out for various rotational speeds and the translational moving speed of the welding tool as variables. The analysis results showed that the higher the rotational speed of the welding tool and the slower the welding tool movement speed, the higher the maximum temperature in the material increases. Moreover, the difference in the rotational speed of the welding tool has a greater effect on the temperature change. 마찰교반용접(Friction Stir Welding) 기술은 금속 소재를 대상으로 하는 용접기술 중의 하나로 용접대상이 되는 소재와 고속으로 회전하는 용접툴 사이의 마찰로 인한 열을 활용하여 소재의 융점 이하 온도에서 접합하는 기술이다. 이번 연구에서는 마찰교반용접을 진행할 때, 용접 대상물의 내부 온도 변화를 분석하기 위한 방법으로 수치해석기법을 사용하였다. 용접소재로는 마그네슘 합금인 AZ31을 고려하였으며, 용접현상을 멜팅풀(melting-pool)이 생성되는 유동특성으로 간주하고 유동해석을 수행하기 위해 유동특성 수치해석 툴인 FLUENT를 이용하였다. 용접과정의 유동해석을 진행하기 위해 용접소재는 고점도 뉴턴 유체로 가정하였고, 용접툴과 용접대상 소재의 경계면은 마찰 및 미끄러짐이 동시에 발생하는 조건으로 경계조건을 선정하였다. 그리고 용접툴의 회전속도 및 용접속도를 변수로 하여 다양한 해석을 진행하였다. 해석 결과로부터 용접툴의 회전속도가 높을수록, 용접속도가 느릴수록 소재 내 최고온도가 증가함을 확인할 수 있었으며, 그 중 용접툴의 회전속도 차이가 온도 변화에 더 큰 영향을 보임을 확인하였다.

Directed energy deposition 공정 적용 단일 적층 트랙의 단면 형상에 관한 연구

김무선 한국산학기술학회 2023 한국산학기술학회논문지 Vol.24 No.12

In this study, analysis was carried out to determine melt-pool shape characteristics according to the processing conditions to prevent sensor damage due to high thermal energy when applying DED (directed energy deposition) to manufacture a metal-structure embedding sensor. As AI technology develops, the importance of developing a self-diagnosis structure increases. As the need for integration of a sensor and a structure increases, research to insert sensors into structures is expanding. When integrating a sensor and structure using a general manufacturing method, it is difficult to avoid damage to the sensor due to heat energy. However, when laser additive manufacturing technology like DED is applied, sensor damage can be prevented by minimizing fusion energy. A way to determine the fusion energy is through analysis of the shape of the melt pool formed during the DED process. In this study, to analyze the melt pool shape, the DED process was performed under various laser power and scan speed combinations, and the width and depth of the generated melt pool were compared. SUS316L was applied as the material, and the laser power and scan speed were in the ranges of 900-1,800 W and 800-1,200 mm/min, respectively. As a result of the analysis, it was confirmed that the melt pool width increased as the energy density increased, and at the same energy density, the melt pool width increased as the laser power increased. The melt pool depth created within the substrate material also increased in proportion to the energy density, showing a maximum depth value of 700 μm under process conditions of 1,800 W and 800 mm/min. It is estimated that the minimum thickness of the sensor cover must be more than the maximum depth of the melt pool to prevent sensor damage.