기능성 표면 구조를 갖는 인공 관절 관절면의 윤활성 향상

김동욱(Dong-Wook Kim),勇田敏夫(Toshio Yuhta),이경욱(Kyung-Wook Lee),임수재(Soo-Jae Yim) 대한정형외과학회 2004 대한정형외과학회지 Vol.39 No.7

목적: 인공 관절 관절면의 마모 특성 향상을 목적으로 하여, 임상에서 사용되고 있는 인공 고관절의 관절면 표면에 요철 패턴을 형성하여 관절면의 윤활 특성을 검토하였다. 대상 및 방법: 요철 패턴의 기능성표면이 부가된 Co-Cr 합금제의 골두와 초고밀도 폴리에틸렌제의 비구컵의 윤활 특성을 검토하기 위하여 마찰 계수의 경시 변화, 표면 조도, 마모량 등을 측정하였다. 기능성 표면은 0.3-0.8 ㎜의 직경을 갖는 구멍이 1.2㎜의 피치로 연속적으로 배열되어 있다. 관절면에 부가된 기능성 표면을 갖는 인공 고관절을 진자식 관절 시 뮬레이터를 이용하여 평가하였다. 결과: 패턴을 부여한 골두 및 무 패턴 골두와 비구컵을 관절 운동시킨 경우 마찰 계수는 거의 같은 값을 나타내었다. 그러나, 마모량을 살펴 보면 무패턴 골두와 비교하여 패턴을 부가한 골두의 경우 비구컵의 마모량을 최대 45%까지 감소되었으며, 골두의 표면 조도는 무 패턴의 경우가 요철 패턴의 경우보다 3배 정도 높은 것으로 나타났다. 결론: 이러한 결과는 인공 고관절에 기능성 표면을 부가함으로써 윤활 특성이 향상되는 것을 나타내었다. 따라서, 패턴의 부가에 의한 마찰 계수의 현저한 감소는 볼 수 없었으나, 관절면의 표면 조도, 마모량에 대해서는 우수한 특성을 나타내고 있어, 패턴부가에 의하여 인공 관절 관절면의 윤활 성능이 향상된 것을 알 수 있었다. Purpose: A new surface structure with a regular patterning of the frictional surfaces of the artificial joints were designed to improve the wear problems. Materials and Methods: The lubrication properties for the cup (ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE) vs. ball (Co-Cr alloy) were examined to evaluate the coefficient of friction, wear and surface roughness. The surface structure is a dent pattern, which has diameter of 0.3-0.8 ㎜, a pitch of 1.2 ㎜. In this study, such surface patterns were applied to artificial hip joints, and the effects of regular patterning on the frictional surface were examined using a pendulum type hip joint simulator. Results: The coefficient of friction between the cup and a patterned ball showed the same value between the cup and the non-patterned ball. However, the amount of wear of the cup, which was in contact with the patterned head, was only 45% that of the cup, which was in contact with the non-patterned head, and the surface roughness of the cup with the non-patterned head was three times greater than that of the cup with a patterned head. Conclusion: These results demonstrate that the lubrication properties can be improved by patterning the frictional surface of the artificial joint. Consequently, patterning on the frictional surfaces can exted the life of an artificial joint.

마사란두바 목재의 표면 연소특성 산출

박원희(Park Won Hee),이덕희(Lee Duckhee) 한국방재학회 2018 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2018 No.-

콘 히터에서 방출되는 열유속에 대한 고체 재료 표면에서의 화재관련 특성을 예측하였다. 이를 위하여 실험결과로 얻은 발화시간 및 질량감소율을 이용하여 표면온도를 산출하였다. 표면 특성인 표면의 방사율, 대류열전달계수 및 화염열유속은 최적화기법인 반발입자군집최적화법(Repulsive particle swarm optimization, RPSO)으로 구였다. 참값과 오차를 나타내는 적합도 함수는 실험으로 측정한 표면온도와 최적화변수인 이용하여 구한 표면온도를 비교한 식을 활용하였다. 마사란두바 목재의 실험 결과를 이용하여 예측된 대류 열전달계수, 방사율, 발화시간 및 질량감소율을 이용하여 표면이 받는 화염의 열유속을 산출하여 표면온도 분포를 계산할 수 있도록 하였으며, 이를 이용하여 표면이 받는 화염의 열유속, 화염 전후의 표면 방사율, 대류 열전달계수 및 전도계수를 예측하였다. 표면온도 분포만을 이용하여 화염에 의한 열유속을 예측한 것과는 다르게 실험결과(발화시간, 질량감소율)를 적용하였다.

Ti 을 첨가한 Mn 강의 인장특성과 표면특성

황령경,윤성태,이관영,황선중 한국주조공학회 2024 한국주조공학회지 Vol.44 No.1

초록본 연구에서는 망간강을 소재로 하는 부품의 수명향상을 위해 망간강에 Ti의 첨가량을 변화하여 망간강을 주조하였으며 , 주조한소재의 특성을 확인하기 위하여 인장 및 표면 특성 그리고 베어링률 등 가공특성에 대해 조사하였다 . 고망간강에 Ti 첨가 시0.5%를 초과 시 결정립 미세화로 인한 합금의 강도가 향상되었으며 내부에 미세 탄화물이 형성시킴으로써 Mn만 첨가된 합금에비해 표면의 마모에 대한 저항성을 높이는 결과를 나타냄을 확인하였다 . 망간강에서 Ti의 함유량이 증가함으로 인해 인장강도가 증가함에는 큰 차이가 없었으나 마모성의 부분에서는 Ti이 Mn에 비해 마모성에는 미량이지만 더 큰 영향을 끼치며 Ti의 함량에 따라 탄화물의 크기 및 분포가 조대하고 균일하게 분포하였다 . 망간강을 소재로 하는 부품의 수명향상을 위해 망간강에 Ti 첨가함으로써 강도 및 표면특성을 향상시킬수 있음을 확인하였다 . Ti이 수지상정 결정립의 미세화로 인한 내마모성이 우수한 재질을 개발하는데 효과있음을 알 수 있었다 . Ti가 첨가된 샘플에서 탄화물은 표면 거칠기에 대한 내성을 증가시키는 것으로 나타났으며 Mn강의 특성상 표면경화가 일어나기 시작하여 수명이 연장되는 것으로 보인다. In this study, in order to improve the lifespan of parts made of manganese steel, manganese steel was cast by varying the amount of Ti added to the steel. In order to confirm the characteristics of the cast material, processing characteristics including tensile and surface characteristics and bearing ratio were investigated. It was confirmed that when the amount of Ti added to high manganese steel exceeds 0.5%, the strength of the alloy is improved due to grain refinement, and fine carbides are formed inside the steel. This results in increased resistance to surface wear compared to the alloy with only Mn added. There was no significant difference in the increase in tensile strength as the Ti content in manganese steel was increased. However, inclusion of Ti showed a small but greater effect on wear resistance compared to Mn, and the size and the distribution of carbides become coarse depending on the Ti content. and was evenly distributed. It was confirmed that the strength and surface properties of manganese steel can be improved by the addition of Ti to improve the lifespan of parts made with this steel. It was found that Ti is effective in developing materials with excellent wear resistance due to refinement of dendrite crystal grains. In the samples where Ti was added, the carbide appears to increase the resistance to surface roughness, and due to the nature of Mn steel, surface hardening begins to occur, which appears to extend the life.

한지원사로 제조된 직물원단의 역학적 특성 분석에 관한 연구

길명섭,김현철 국제차세대융합기술학회 2021 차세대융합기술학회논문지 Vol.5 No.5

본 연구에서는 기계한지를 2 mm로 슬리팅한 후, 투포원 연사기로 최적의 꼬임을 부여하여 친환경적인 한지원사를 제조하였다. 그리고 섬도 20 Nec의 한지원사를 이용하여 직물원단을 제조하였고, 물리적 특성과 직물 의 촉감인 태 특성에 대하여 분석하였다. 직물의 역학적 특성인 태의 평가는 KES FB 시스템을 사용하여 인장특 성, 전단특성, 굽힘특성, 압축특성 그리고 표면특성으로부터 전체적인 태 값을 구하였다. 한지직물의 THV(total hand value)는 3.67로 의류용에 적합한 특성을 보였고, 일부 표면의 거친 특성은 염색과 세탁을 통하여 유연성이 증가하는 경향을 나타내었다. In this work, environmental-friendly Hanji(Korean paper) yarns were manufactured with machinery Hanji paper, which was slitted in width 2 mm and was twisted by using two-for-one spinning machine to explore the effect of the number of turns per meter. The woven fabric was manufactured by Hanji yarn with fineness of 20 Nec. The handle and mechanical properties of Hanji fabric were investigated with handle values evaluated from tensile, shear, bending, compression and surface properties using KES FB system. The total hand value(THV) of Hanji woven fabric was 3.67. Also, the roughness of Hanji woven fabric was significant due to high stiffness of Hanji yarn. The stiffness of Hanji fabric was decreased after dyeing and 5 cycle washing. However, the softness of Hanji woven fabric was increased.

표면파의 분산 특성을 이용한 Ni 박막의 두께 측정

박태성(Tae-Sung Park),곽동열(Dong-Ryul Kwak),박익근(Ik-Keun Park),김미소(Miso Kim),이승석(Seung-Seok Lee) 한국비파괴검사학회 2014 한국비파괴검사학회지 Vol.34 No.2

본 연구에서는 박막 표면을 따라 전파하는 표면파의 속도 분산성을 이용하여 박막의 두께를 비파괴적으로 측정할 수 있는 기법을 제안하였다. 표면파의 분산성을 이용하여 박막의 두께를 측정하기 위하여 전자빔증착법(E-beam evaporation)을 이용하여 Si(100) 웨이퍼 위에 니켈의 증착시간을 제어함으로서 두께가 다른 니켈 박막시험편을 제작하였다. 제작된 시험편의 실제 증착된 박막의 두께를 확인하기 위하여 SEM(scanning electron microscope)을 이용하여 박막의 단면사진을 촬영하여 두께를 확인하였다. 그 후에 두께가 다른 시험편에서의 표면파의 속도를 초음파현미경(scanning acoustic microscope)의 V(z) 곡선법을 이용하여 표면파의 속도를 측정하고 실제 측정된 두께와 표면파 속도와의 상관성을 확인하였다. 박막의 두께가 증가함에 따라 표면파의 속도는 감소하는 경향성을 나타내었다. 결론적으로 본 연구에서 제안한 표면파의 속도 분산성을 이용하여 나노 스케일 니켈 박막의 두께를 측정하는 기법이 가능성이 있음을 확인하였다. In this study, we suggest a method to measure the thickness of thin films nondestructively using the dispersion characteristics of a surface acoustic wave propagating along the thin film surface. To measure the thickness of thin films, we deposited thin films with different thicknesses on a Si (100) wafer substrate by controlling the deposit time using the E-beam evaporation method. The thickness of the thin films was measured using a scanning electron microscope. Subsequently, the surface wave velocity of the thin films with different thicknesses was measured using the V(z) curve method of scanning acoustic microscopy. The correlation between the measured thickness and surface acoustic wave velocity was verified. The wave velocity of the film decreased as the film thickness increased. Therefore, thin film thickness can be determined by measuring the dispersion characteristics of the surface acoustic wave velocity.

아라미드섬유의 표면개질에 의한 시멘트 복합재료의 강도특성 및 내충격성능의 향상효과

남정수,유재철,김규용,김홍섭,전중규 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.1

The purpose of this study is to evaluate the effect of improvement on the impact resistance and strength properties of cementcomposites by surface modification of aramid fiber. For aramid fiber reinforced cement composites, therefore, dispersion capabilityand the bonding efficiency between the fibers and the cement composite material need to be improved. It is possible by modifyingsurface properties to hydrophobic, it is considered that oiling agent ratio of 1.2 % and improvement of performance is in need tobe investigated. In this study, short aramid fibers were mixed by different fiber length and oiling agent ratio. And improvementof strength properties and impact resistance performance of hybrid cement composites were evaluated under the influence of steelfiber. As a result, strength properties of aramid fiber reinforced cement composites are different by mixing ratio of fiber, oilingagent ratio and length of fiber. In case of cement composites which have same volume fraction and fiber length, tensile strengthand flexural strength were improved with increase of the emulsions throughput of the fiber surface. The results of evaluation onthe static strength properties had effects on impact resistance performance by high-velocity impact. And it was observed that thescabbing of rear was suppressed with increase of the oiling agent ratio 본 연구의 목적은 아라미드섬유의 표면개질에 의한 시멘트 복합재료의 강도특성 및 내충격성능의 향상효과를 평가하는 것이다. 단섬유형태의 아라미드섬유를 섬유길이와 섬유의 표면유제처리율을 달리하여 시멘트 복합재료에 혼입하였다. 아라미드섬유보강 시멘트 복합재료의 강도특성은 섬유의 혼입율, 섬유의 표면유제처리율, 섬유의 길이에 따라 다르게 나타났으며, 특히, 동일한 섬유혼입율 및 섬유길이에 대한 인장강도 및 휨강도는 섬유의 표면유제처리율을 증가시킨 시험체가 향상되는 경향을 확인하였다. 이러한 정적 강도특성 결과는 고속비상체의 충돌에 의한 내충격성능에도 영향을 미쳤으며, 아라미드섬유의 표면유제처리율이 증가함에 따라 배면박리가 억제되는 것을 알 수있었다. 하지만, 아라미드섬유를 섬유보강 시멘트 복합재료용 보강재로 활용하기 위해서는 섬유와 시멘트 복합재료간의 분산능력 및 부착효율을 향상시켜야 할 것으로 판단된다. 이는 아라미드섬유의 표면특성을 소수성으로 개질하는 것에 의해 가능할 것으로 사료되며, 1.2 % 이상의 표면유제처리율 및 성능개선에 대해서는 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 아라미드섬유와 후크형 강섬유를 하이브리드 한 시험체의 경우, 강도특성 및 내충격성능의 향상효과는 강섬유의 기여도가 높은 것으로 나타났다.

초음파 원자 현미경을 이용한 재료 표면의 탄성 이미지화

김정석(C. S. Kim),박태성(Tae-Sung Park),박익근(Ik-Keun Park),이승석(Seung Seok Lee),이창준(C. J. Lee) 한국비파괴검사학회 2009 한국비파괴검사학회지 Vol.29 No.4

본 연구에서는 나노 표면층의 특성 평가를 위해 원자현미경에 초음파 특성을 결합하여 초음파 원자 현미경을 개발하였다. 초음파 원자 현미경은 기존의 나노 표면층에 대한 토포그래프 이미지뿐만 아니라 국부적인 이종부분으로 이루어진 표면에서의 물리적 특성차이에 의한 표면의 탄성 특성 이미지를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 프로토타입의 UAFM 장치를 구성하고 이를 몇몇 응용분야에 적용하였다. 구축한 프로토타입의 UAFM 시스템을 이용하여 증착 실리콘 박막층과 냉간 압조용 강의 구상화 그리고 탄소 섬유 강화 복합재료의 표면에 대한 탄성 이미지를 성공적으로 얻을 수 있었다. The ultrasonic atomic force microscope(UAFM) has been developed in order to enhance the characterization technology for nano-scale surface combining ultrasonic property to atomic force microscope. This UAFM technique enables elasticity imaging due to the physical properties on the heterogeneous surface in addition to the novel topography of surface height in the nano-surface layer. In this study, the prototype UAFM system was constructed and applied to several materials, silicon deposited wafer, spherodized cold heading steel, and carbon fiber reinforced plastic specimen. Clear elastic contrast was successfully obtained using this developed prototype UAFM.

질산 처리에 따른 활성탄 표면의 친수성 특성 향상에 관한 연구

강혜주(Hye Ju Kang),양소영(So Yeong Yang),김태민(Tae Min Kim),김용렬(Yong Ryeol Kim) 한국응용과학기술학회 (구.한국유화학회) 2021 한국응용과학기술학회지 Vol.38 No.5

제 4 차 산업혁명이 일어남에 따라 각국의 정부와 기업들은 보다 환경친화적인 정책과 기술 개발에 힘쓰고 있다. 배기가스 배출과 소음이 거의 없는 전기차 및 수소차의 개발, 그리고 이를 보편화 하기 위한 정부의 정책 등 기존의 경제, 산업 구조를 친환경적으로 바꾸려는 시도가 많이 이루어지고 있다. 최근 여러 환경문제를 해결하기 위해 각종 유해 가스 흡착 및 폐수 처리용으로 활성탄을 많이 사용하고 있으나 흡착질의 특성에 따라 요구되는 표면 특성이 다르기 때문에 수요에 걸맞는 활성탄의 개발이 점차 요구되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 친수성 유기물 제거에 유리한 활성탄을 개발 하고자 C-O, C-O-C, C=O 및 O=C-O 등과 같은 친수성 작용기를 질산처리 방법을 통해 활성탄 표면에 효과적으로 도입하는 연구를 진행하였다. 질산을 활용하여 끓는점 및 다양한 농도 조건에서 활성탄을 환류, 개질하였고, 이를 세척 후 고온에서 탄화시켜 활성탄의 표면을 개질하였다. 제조된 개질활성탄은 활성탄의 비표면적, mesopore 및 micropore 의 함량을 알기 위하여 BET 를 이용하여 측정하였고, 4 M 120 ℃에서 개질한 결과 가장 높은 792.22 m 2 g -1 으로 확인되었다. 또한 제조된 활성탄의 표면 및기공 특성 변화를 확인하기 위해 SEM, XPS, EDX, BET 등의 분석을 실시하였으며 질산 처리 정도에 따른 특성 변화에 대해 비교 고찰하였다. In order to figure out various environmental problems, various governments and companies are investigating more environmentally policies and technologies. In other words, activated carbon is widely used for the adsorption of different harmful gases and waste liquid treatment. However since the required surface properties are different in various industry, depending on the adsorption properties, the development of activated carbon demand in different ways. In this work, we have investigated and developed the activated carbon surface to improve the hydrophilic properties by nitric acid treatment through reforming of activated carbon.

운영환경을 고려한 KTX 안티롤바의 구조동특성 계측시험 평가 및 너클부의 표면피로마모 감소방안 연구

장형진(Hyung Jin Jang),전광우(Kwang Woo Jeon),신광복(Kwang Bok Shin),김진우(Jin Woo Kim),김대식(Dae Sik Kim),정연일(Yeon Il Jeong) 한국철도학회 2012 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2012 No.10

본 연구는 KTX 안티롤바 너클부의 표면피로마모 특성을 개선하기 위하여 시험 및 수치해석적 방법을 사용하였다. 실험의 경우 KTX 안티롤바의 강재너클 구조와 KTX-산천의 얇은 금속판과 고무가 층을 이루는 탄성너클 구조에 대해 호남선의 운행환경을 고려한 구조동특성을 비교 평가하였다. 이때, 가속도 및 응력 데이터를 각각 측정하였다. 시험결과 분석을 통해 안티롤바 커넥팅로드의 홀 사이즈 증가가 요구되나, KTX 안티롤바 너클구조의 표면피로마모를 감소시키기 위한 최선의 해결책으로 탄성너클 구조가 제안되었다. 수치해석의 경우 KTX 안티롤바 강체 및 탄성너클 구조에 대해 LS-DYNA3D를 사용하여 구조동특성 해석을 수행하였으며, 시험과 비교평가를 통해 사용된 유한요소모델의 신뢰성을 확보하였다. 수치해석 결과 강체너클이 적용된 안티롤바의 응력 및 속도장 보다 탄성너클 구조가 너클과 커넥팅로드 사이의 상대적 접촉이 감소하여 응력 및 속도장이 좀 더 적정한 것으로 나타났다. 따라서, KTX 안티롤바에 탄성너클 구조의 적용이 표면피로마로 특성을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다. In order to improve the surface fatigue wear property of the knuckle part of KTX anti-roll bar, the experimental and numerical approach was used in this study. In the experiment, acceleration and stress data for the steel knuckle structure (rigid knuckle) of KTX anti-roll bar and the thin steel plate/rubber layeredknuckle structure (elastic knuckle) of KTX-SANCHUN anti-roll bar, respectively, were measured to evaluate and compare its structural dynamic characteristics under operating environments of Honam line. Through the analysis of the results of the experiment, the elastic knuckle structure was suggested as best solution to reduce the surface fatigue wear of the knuckle structure of KTX anti-roll bar, although the hole size increase for connecting rod of anti-roll bar was required. In the numerical approach, the structural dynamic analysis using LS-DYAN3D was conducted for the rigid and elastic knuckle structure of KTX antiroll bar, and the reliability of the used finite element models was ensured by comparative evaluation with experiment. The numerical results showed that the stress and velocity field in the elastic knuckle structure more moderated resulting from the reduction of relative contact between the knuckle and connecting rod than the stress and velocity field in anti-roll bar to which the rigid knuckle was applied. Therefore, it is expected to improve its surface fatigue wear characteristics due to the application of the elastic knuckle structure of KTX anti-roll bar.

트라이볼로지 기반 도장면, 도어트림, 웨더스트립의 표면특성과 스퀵 노이즈의 상관관계 연구

김성원(Sungwon Kim),윤범용(Bumyong Yoon),이상현(Sanghyun Lee),서종환(Jonghwan Suhr) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

웨더스트립은 자동차 외부로부터 먼지, 비, 바람, 소음 등의 유입을 차단하는 필수적인 부품이다. 내연기관의 엔진소음이 줄어들고, 수소차와 전기차의 수요가 점차 증가함에 따라 마찰 소음의 기여도가 증가하는 추세이다. 또한 지속적인 마찰 소음 발생은 감성품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 마찰 소음의 개선 요구가 꾸준히 증가하고 있다. 본 연구에서는 웨더스트립과 도어트림, 웨더스트립과 도장면의 접촉면에서 발생하는 마찰 소음을 개선하기 위해 도장면, 도어트림, 웨더스트립의 표면설계인자에 따른 표면특성의 변화 및 마찰 소음과의 상관관계를 분석하였다. 표면설계인자로 도장면은 유/무광과 펄 유무, 도어트림은 셀 비율과 Peak-to-Valley, 웨더스트립은 코팅제 레진의 실리콘, 우레탄 비율(0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0)과 저마찰 계면 형성을 위한 비드 크기 별 인자가 있다. 해당 인자들에 따른 표면에너지, 표면거칠기, 경도를 각각 측정 및 분석하고 마찰계수 및 마찰소음 시험을 통해 마찰속도, 하중에 따른 마찰 계수와 마찰 소음의 가속도 변화를 분석하였다. 스트라이벡 커브를 이용해 기울기에 해당하며 2차 시스템 운동방정식에서 Damping term 중 하나인 λ값을 분석하여 마찰소음과의 연관성을 확인하였다. 표면특성 실험 결과 펄 입자가 포함된 도장면과 나일론(PA6) 소재가 사용된 도어트림 시편에서 극성표면에너지가 높은 것을 확인했으며 웨더스트립의 코팅제 레진 비율 인자에서 실리콘이 함유된 시편의 표면에너지가 최대 256% 낮은 경향을 확인하였다. 마찰계수 및 마찰소음 시험 결과 마찰가속도의 크기가 표면에너지와 표면거칠기에 비례하며, 웨더스트립, 도어트림, 도장면의 표면설계인자 조절을 통해 표면특성의 제어가 가능함을 확인하였다. λ값의 경우 웨더스트립 코팅제의 실리콘 함량이 높을 때 Stable Regime(양의 기울기)에 해 당하고, 우레탄 함량이 높을 경우 Unstable Regime(음의 기울기)에 해당함을 확인하였다.