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최재훈(Jae-Hoon Choi),심기동(Gi-Dong Sim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
형상기억합금은 초탄성효과, 형상기억효과 등 독특한 특성 때문에 항공, 자동차, 생체의학 등 다양한 분야에서 각광받고 있다. 최근에는 웨어러블 장치를 위한 마이크로/나노 크기의 센서, 구동기, 제어기 등에 형상기억합금을 활용하고자 하는 연구가 활발히 수행되고 있다[1]. 이에 따라 구조해석을 통해 제품의 거동을 예측하고자 하는 연구도 수행되고 있다[2]. 그런데 마이크로/나노 수준의 형상기억합금은 시편의 크기가 작아짐에 따라 상변태에 필요한 응력이 커지는 것이 관찰되었다[3]. 기존의 해석 방법으로는 이러한 크기효과를 고려할 수 없으며 형상기억합금 마이크로 구조의 정확한 거동 예측을 위해 크기효과를 고려한 새 이론이 필요하다. 본 연구에서는 커플 응력 이론에 기반한 형상기억합금의 해석 기법을 개발하였다. 커플 응력 이론은 구조의 크기가 작아짐에 따라 강성이 커지는 현상을 모사하기 위한 이론이다[4]. 유한요소법과 개발된 이론을 사용하여 외팔보의 굽힘을 해석하였다. 보의 두께가 작아짐에 따라 구조의 굽힘 강성이 커진다. 향후 형상기억합금으로 만들어진 마이크로 구조의 해석에 개발된 이론이 활용될 것으로 기대된다. Shape memory alloys are highlighted in various fields such as aviation, automobiles, and biomedical due to super elasticity and shape memory effect. Recently, studies to utilize shape memory alloys for micro/nano-sized sensors, actuators, and controllers for wearable devices have been actively conducted [1]. Accordingly, studies to predict the structural behavior of devices through computation have been conducted [2]. However, it was observed that the stress required for phase transformation increases as the size of the specimen decreases in the micro/nano-sized shape memory alloy [3]. This size effect cannot be considered by the existing analysis methods, and a new theory considering the size effect is needed to predict an accurate structural behavior of the shape memory alloy. In this study, a theory for shape memory alloys based on the couple stress theory was developed to consider the size effect. The couple stress theory is developed to simulate the phenomenon that the rigidity increases as the size of the structure decreases [4]. The bending of a cantilever beam was analyzed using the finite element method and the developed theory. As the thickness of the beam decreases, the bending rigidity increases. In the future, the developed theory is expected to be utilized in the analysis of microstructures made of shape memory alloys.
Kangsan Kim(김강산),Gi-Dong Sim(심기동),Dongwoo Lee(이동우) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
나노 트윈 (Nanotwin) 구조를 갖는 금속재료는 높은 열 안정성과 뛰어난 기계물성, 그리고 낮은 전기 저항을 가져 주목받고 있다 [1, 2]. 나노 트윈 구조는 합금의 적층 결함 에너지 (Stacking fault energy) 가 낮을 때 잘 형성되는 것으로 보고되고 있다 [3, 4]. 이에 착안하여, 최근 제1 원리 계산을 이용하여 여러 금속에 대한 적층 결함 에너지를 예측하고, 나노트윈 구조가 쉽게 형성되는 금속을 개발하려는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 금속 합금은 여러 원소를 다양한 비율로 섞음으로써 만들 수 있기 때문에 그 조합 가능성이 매우 많은데, 나노 트윈 형성이 용이한 조성을 탐색하기 위해 기존의 제1 원리 계산을 이용하기에는 많은 시간과 컴퓨터 자원을 필요로 한다. 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하고, 나노트윈 형성이 잘 되는 합금을 신속히 개발하기 위한 방법을 소개한다. 문헌으로부터 확보한 다양한 합금에 대해 가우시안 프로세스 회귀법 기반의 머신 러닝을 이용하여 적층 결함에너지를 모델링했으며 이를 Ni 기반의 3 원계 합금 내 조성 별 적층결함 에너지를 예측하는 데 이용했다. 이후 해당 합금에 대해 조합 합성 (Combinatorial synthesis) 및 고속대량스크리닝기법 (High-throughput screening method) 방법을 이용, 예측된 적층 결함에너지에 따라 달라지는 기계적, 전기적 실험 물성을 매핑했다. 미세구조에 대한 머신 러닝 결과를 실험 데이터와 비교 분석하며, 조성-미세구조에 따라 달라지는 Ni 기반 3 원계 합금의 기계/전기적 물성에 대해 기술한다.
김지영(Ji-Young Kim),Abdul Rheman,심기동(Gi-Dong Sim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.11
Nickel-titanium (NiTi) alloy thin films are attractive for micro-scale applications because of its fast response on temperature by high surface area, large work output, and higher strain recovery. In terms of superelasticity, Ni-rich NiTi alloys is primarily used due to enhanced phase transformation stability. As it is well known that the mechanical behavior of materials is scale dependent, it is crucial to understand size-effect on the mechanical behavior of NiTi for reliable operation in micro-scale devices. Therefore, in this study, mechanical behavior of Ni-rich NiTi thin films was characterized to identify the effect of the Ni concentration on superelasticity. Free-standing Ni-rich NiTi thin films were fabricated by sputter deposition followed by micro-electro-mechanicalsystem (MEMS) process. Tensile tests were conducted using a custom-built micro tensile tester. Films with higher Ni concentration showed improved strength with enhanced phase transformation stability.