다중물리 유한요소해석에 의한 SiC 단결정의 용액성장 공정 설계

윤지영,이명현,서원선,설용건,정성민,Yoon, Ji-Young,Lee, Myung-Hyun,Seo, Won-Seon,Shul, Yong-Gun,Jeong, Seong-Min 한국결정성장학회 2016 한국결정성장학회지 Vol.26 No.1

용액성장법에 의한 SiC 단결정 성장은 Si 또는 Si-금속합금의 융액으로부터 SiC를 성장시키는 방법으로서, 통상의 상부종자 용액성장법(Top Seeded Solution Growth)에서는 Si 융액을 담는 흑연도가니로부터 C가 Si 융액에 용해되고 용해된 C이 상부에 위치한 종자결정으로 이동하여 종자결정상에 SiC 형태로 재결정화하는 단계를 거쳐 SiC의 단결정을 성장시키는 과정을 거치게 된다. SiC 용액성장에 있어서는 SiC의 단결정성장을 위하여 흑연도가니의 형상, 크기, 재질 및 상대적 위치 배열 등 온도제어와 유체흐름 제어를 위해 다양한 공정변수를 선정해야한다. 본 연구에서는 용액성장공정의 설계를 위해 상용의 유한요소해석 패키지인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 전자기장해석, 열전달해석, 유체해석에 대한 다중물리해석모델을 구축하고 이 모델을 이용하여 결정성장공정을 설계하였다. 해석결과에 기초하여 2 inch off-axis 4H-SiC 단결정을 종자결정으로 적용하여 $1700^{\circ}C$에서 상부종자 용액성장법에 의하여 SiC 단결정을 성장시켰다. 광학현미경 및 고분해능 X선회절분석을 통해 결정성을 분석한 결과 해당 성장조건에서 양호한 품질의 단결정이 성장함을 확인하였다. 이로써 본 연구에서 구축된 다중물리해석모델이 SiC의 용액성장 공정설계에 유효함을 확인하였다. A top-seeded solution growth (TSSG) is a method of growing SiC single crystal from the Si melt dissolved the carbon. In this study, multiphysics modeling was conducted using COMSOL Multiphysics, a commercialized finite element analysis package, to get analytic results about electromagnetic analysis, heat transfer and fluid flow in the Si melt. Experimental results showed good agreements with simulation data, which supports the validity of the simulation model. Based on the understanding about solution growth of SiC and our set-up, crystal growth was conducted on off-axis 4H-SiC seed crystal in the temperature range of $1600{\sim}1800^{\circ}C$. The grown layer showed good crystal quality confirmed with optical microscopy and high resolution X-ray diffraction, which also demonstrates the effectiveness of the multiphysics model to find a process condition of solution growth of SiC single crystal.

COMSOL Multiphysics를 활용한 캔틸레버 형태의 압전 에너지 하베스터 구조 해석 시뮬레이션

곽민섭,황건태 한국전기전자재료학회 2021 전기전자재료학회논문지 Vol.34 No.6

In the 4th industrial age, electronic devices are becoming smaller and lighter with a low power consumption to overcome spatial limitation. The piezoelectric energy harvesters can convert mechanical kinetic energy into electric energy; thus, enabling the operation of small electronic devices. Recently, various piezoelectric harvesters have been reported and the electric output from these harvesters could be anticipated by theoretical analysis methods. For example, COMSOL Multiphysics software provides a theoretical simulation of piezoelectric effect with a combination of mechanical and electrical phenomena in the piezoelectric materials. This article introduces a brief modeling of piezoelectric harvester to investigate mechanical stress and electrical output of harvesting devices by the COMSOL Multiphysics software.

여수로 방류에 따른 여수로 바닥슬래브의 손상 발생원인 수치모의 검토

유형주,신동훈,김동현,이승오 한국방재안전학회 2021 한국방재안전학회 논문집 Vol.14 No.4

Recently, as the occurrence frequency of sudden floods due to climate variability increased, the damage of aging chuteway slabs of spillway are on the rise. Accordingly, a wide array of field survey, hydraulic experiment and numerical simulation have been conducted to find the cause of damage on chuteway slabs. However, these studies generally reviewed the flow characteristics and distribution of pressure on chuteway slabs. Therefore the derivation of damage on chuteway slabs was relatively insufficient in the literature. In this study, the cavitation erosion and hydraulic jacking were assumed to be the causes of damage on chuteway slabs, and the phenomena were reproduced using 3D numerical models, FLOW-3D and COMSOL Multiphysics. In addition, the cavitation index was calculated and the von Mises stress by uplift pressure distribution was compared with tensile and bending strength of concrete to evaluate the possibility of cavitation erosion and hydraulic jacking. As a result of numerical simulation on cavitation erosion and hydraulic jacking under various flow conditions with complete opening gate, the cavitation index in the downstream of spillway was less than 0.3, and the von Mises stress on concrete was 4.6 to 5.0 MPa. When von Mises stress was compared with tensile and bending strength of concrete, the fatigue failure caused by continuous pressure fluctuation occurred on chuteway slabs . Therefore, the cavitation erosion and hydraulic jacking caused by high speed flow were one of the main causes of damage to the chuteway slabs in spillway. However, this study has limitations in that the various shape conditions of damage(cavity and crack) and flow conditions were not considered and Fluid-Structure Interaction (FSI) was not simulated. If these limitations are supplemented and reviewed, it is expected to derive more efficient utilization of the maintenance plan on spillway in the future. 최근 기후변동성으로 인하여 집중호우의 발생빈도 및 강우강도 증가로 노후화된 여수로 바닥슬래브 표면에서의 손상이 발생하여 잦은 보수·보강이 필요한 실정이다. 이를 위해 현장조사, 수리모형 실험 및 수치모형 실험을 통하여 여수로 방류에 따른 손상발생 원인검토에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구는 일반적으로 여수로의 흐름특성 및 압력분포에 대한 검토를 수행하였을 뿐 손상의 근본적인 발생원인 규명에 관한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 여수로 바닥슬래브 손상발생 원인을 도출하기 위해 공동침식 및 수력잭킹(hydraulic jacking)으로 인한 콘크리트 탈락관점에서 3차원 수치모형인 FLOW-3D와 COMSOL Multiphysics를 사용하여 검토하였다. 또한 공동지수를 산정하고 압력분포로 인하여 구조물이 받는 응력과 콘크리트의 인장·굽힘강도를 비교하여 공동침식 및 수력잭킹으로 인한 콘크리트 탈락 발생 가능성을 확인하였다. 수문 완전개도 조건에서 여수로 방류에 따른 공동침식 및 수력잭킹에 대하여 수치모의를 수행한 결과, 여수로 하류부에서 공동지수가 0.3 미만으로 공동침식 발생 가능성을 확인하였고, 공동부 및 균열부에서 압력분포에 따라 콘크리트가 받는 응력은 4.6~5.0 MPa로 콘크리트 인장강도와 굽힘강도와 비교를통하여 지속적인 압력변동으로 인한 콘크리트의 피로파괴 또는 휨파괴 가능성을 확인하였다. 따라서 여수로 고유속 흐름에 의한 공동현상 및 수력잭킹이 여수로 바닥슬래브 손상발생의 다양한 원인 중 하나로 판단하였다. 그러나 본 연구는 다양한 형상 조건 및 방류 시나리오를 적용하고 유체-구조물 상호작용(Fluid-Structure Interaction, FSI)모의를 수행하지 못하였다는 한계점이 있다. 이에 향후에는한계점을 보완하여 검토한다면 보다 효율적이고 효과적인 여수로 유지관리 방안 도출이 가능할 것으로 기대한다.

Development of a multiphysics numerical solver for modeling the behavior of claybased engineered barriers

Vicente Navarro,Laura Asensio,Heidar Gharbieh,Gema De la Morena,Veli-Matti Pulkkanen 한국원자력학회 2019 Nuclear Engineering and Technology Vol.51 No.4

This work describes the development of a numerical module with a multiphysics structure to simulatethe thermo-hydro-chemo-mechanical behavior of compacted bentonites. First, the conceptual model,based on the state-of-the-art formulation for clay-based engineered barriers in deep geological repositories,is described. Second, the advantages of multiphysics-based modules are highlighted. Then, theguidelines to develop a code using such tools are outlined, presenting an example of implementation. Finally, the simulation of three tests that illustrate the behavior of compacted bentonites assesses thescope of the developed code. The satisfactory results obtained, and the relative simplicity of implementation,show the opportunity of the modeling strategy proposed

트리첼 펄스 코로나의 전기-유체역학적 해석과 실험적 검증

바트에르덴,이호영 국제차세대융합기술학회 2024 차세대융합기술학회논문지 Vol.8 No.2

본 연구에서는 트리첼 펄스 코로나 특성을 분석하기 위해 침-셀 평판 전극 모델에서 고전계와 전하에 대 한 연속 방정식을 결합하여 유한요소법 기반의 전기-유체역학적 해석과 검증 실험을 수행하였다. 전기-유체역학적 해석 모델은 고전계에 대한 푸아송 방정식과 전자, 양이온, 음이온 전하에 대한 연속 방정식으로 표현하여 검증된 상용화 해석 도구인 COMSOL Multiphysics에 적용하여 전산 수치 해석하였다. 효율적인 유한요소해석을 위해 침-셀 평판 전극을 2차원 축 대칭 차원에서 고전계-전하 운동장을 하나의 멀티피직스 시스템으로 수학적 모델링 하였다. 트리첼 펄스 전류 해석은 부극성의 고전압이 인가된 침 전극에 2차 전자방출을 경계 조건으로 입력하고 일반화된 에너지법을 이용하여 계산하였다. 전산 수치 해석과 동일한 형상과 입력 조건에서 측정한 실 규모 실험 을 수행하여 본 연구에서 구축한 전기-유체역학적 해석기법을 실험 결과와 비교 검증하였다. In this study, a finite element method based electro-hydrodynamic analysis and verification experiments were performed to analyze the Trichel pulse corona characteristics by combining the continuous equations for the classical field and charge in a needle-cell plate electrode model. The electro-hydrodynamic model is represented by Poisson's equation for the classical field and continuous equations for cation, anion, and electron charges, and applied to COMSOL Multiphysics, a validated commercial analysis tool, for computational numerical analysis. For efficient finite element analysis, the needle and cell plate electrodes were mathematically modeled as a single multiphysics system with the high field-charge kinetic field in the two-dimensional axisymmetric dimension. The Trichel pulse current analysis was calculated using the generalized energy method with secondary electron emission from a negatively polarized, high-voltage applied needle electrode as a boundary condition. Full-scale experiments measured under the same geometry and input conditions as the numerical simulations were performed to compare and validate the electro-hydrodynamic model developed in this study with the experimental results.

Swelling behavior Simulation Study of KJ-II Bentonite Buffer Blocks under Various Experimental Conditions

Lee, Deuk-Hwan(이득환),Go, Gyu-Hyun(고규현),Lee, Gi-Jun(이기준),Yoon, Seok(윤석) 한국지반공학회 2024 한국지반공학회논문집 Vol.40 No.2

본 연구에서는 완충재 블록의 팽윤 거동 특성을 파악하고자 COMSOL Multiphysics의 비선형 탄성모델을 활용하여 완충재 팽윤압 측정실험에 대한 수치해석을 수행하였다. 수치해석에서는 실험 조건과 동일하게 사방 구속조건 및 물 주입압을 경계조건으로 설정하였으며, 실험값과 수치해석 결과를 비교하여 수치해석 모델을 검증하였다. 이후 해당 수치해석 모델을 활용하여 비구속 조건에서의 팽윤변형, 건조밀도별 팽윤압, 그리고 완충재의 기하학 형태에 따른 팽윤압을 모사하였다. 해석결과, 모델은 포화 과정에 따른 팽윤변형 현상과 건조밀도가 높아질수록 팽윤압이 증가하는 현상을 적절히 모사하였다. 또한, 완충재 기하학 형태에 따른 팽윤압 모사 결과에서는 팽윤압이 증가하는 속도가 원통형 시료보다 U자형 시료에서 훨씬 빠르게 나타났고, 포화 과정에 따라 U자형 시료의 내부 모서리에서 선제적으로 응력이 발현되는 것으로 분석되었다. 다만, 완충재의 실제 거동을 보다 정확하게 모사하기 위해서는 비선형 탄소성 모델을 적용하여 해석모델의 수준을 고도화해야 할 것으로 판단된다. This study aimed to evaluate the swelling behavior characteristics of KJ-II buffer blocks by performing numerical analysis of swelling pressure measurement experiments using the nonlinear elasticity model of COMSOL Multiphysics. The analysis was conducted under boundary conditions that included isotropic constraints and water injection pressure, mirroring the experimental settings. Validation of the numerical model was achieved by comparing its outputs with experimental results. The validated model was then used to simulate swelling deformations under unconfined conditions and to analyze swelling pressure as influenced by dry density and the geometric shape of the buffer material. The results accurately represented the swelling deformation observed during the saturation process and demonstrated that swelling pressure increases with higher dry density. Moreover, simulations concerning the geometric shape of the buffer material indicated a markedly faster rate of pressure increase in U-shaped samples compared to cylindrical ones. Analysis suggested that stress manifested preemptively near the internal edges of U-shaped samples during saturation. To enhance the simulation’s fidelity to actual buffer material behavior, further refinement of the analysis model using a nonlinear elasticity model is recommended.

리튬 이온 배터리의 성능을 고려한 전극 조성의 최적화에 관한 연구

서보일(B. I. Seo),김효정(H. J. Kim),김철(C. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

전기차 시장의 성장으로 인해 내연기관의 성능에 상응하는 리튬 이온 배터리에 관한 연구가 여러 방면에서 진행되고 있다. 기존보다 높은 성능을 지닌 전극 재료에 대한 탐색이 활발히 이루어지고 있다. 그리고 셀 성능에 영향을 미치는 설계변수들의 최적화와 관련된 연구들도 많이 수행되고 있다. 리튬 이온 배터리의 수치 최적화와 관련된 기존 대부분의 연구는 전극의 공극비와 두께만을 설계변수로 고려하였다. 전극의 질량과 활물질, 바인더, 그리고 전도성 첨가제의 조성비 또한 셀 성능에 큰 영향을 미친다. 본 연구의 목표는 전극의 조성을 고려하여 셀의 에너지 밀도와 양극재 바인더의 조성비를 최대화하는 데 있다. COMSOL Multiphysics 와 MATLAB 을 연계하여 흑연/LMO 셀에 대한 최적 설계를 수행하였다. 셀에 대한 전기화학적 모델인 P2D (Pseudo-two-dimensional Model)를 기반으로 전극의 조성에 따른 셀의 에너지 밀도와 출력 밀도를 해석하였다. 해당 전기화학적 모델을 풀기 위해 COMSOL Multiphysics가 이용되었다. Bounded Objective Function Method 를 바탕으로 다목적 최적화 문제를 두 개의 단목적 최적화 문제로 분리하였다. MATLAB 의 Multi-start Method 와 Interior-point Algorithm 을 활용하여 정의된 최적화 문제들을 차례대로 해결하였다. 초기 셀에 비해 최적화된 셀의 에너지 밀도와 바인더의 조성비들은 각각 제한조건을 만족하면서 약 18% 그리고 약 50% 증가하였다.

단일 구동 3축 MEMS자이로스코프의 구적 오차 저감을 위한 설계 기법에 관한 연구

이병렬,박지원,딘 후사무드 한국반도체디스플레이기술학회 2022 반도체디스플레이기술학회지 Vol.21 No.4

In this paper, we have studied the quadrature error reduction for the single drive 3-axis MEMS Gyroscope. There was a limitation of the previous study which is the z-axis quadrature error was large. To reduce this value, design methodologies were presented. And the methodologies included a different mesh application, z-rate spring structure change, and mass compensation for balancing of the structure. We conducted the modal analysis, drive mode analysis and sense mode analysis using COMSOL Multiphysics. As a result, a drive resonant frequency was 26003 Hz, with the x-sense, y-sense, z-sense being 26749 Hz, 26858 Hz, 26920 Hz, respectively. And the Mechanical sensitivity was computed at 2000 degrees per second(dps) input angular rate while the sensitivity for roll, pitch, and yaw was computed 0.011, 0.012, and 0.011 nm/dps respectively. And z-axis quadrature error was successfully improved, 2.78 nm to 0.95 nm, which the improvement rate was about 66 %.

Bentonite Swelling and Erosion in an Artificial Fracture

Ji-Won Kim,Chang-Ho Hong,Minhyeong Lee,Song-Hun Chong,Jin-Seop Kim 한국방사성폐기물학회 2022 한국방사성폐기물학회 학술논문요약집 Vol.20 No.2

Compacted bentonite buffer materials are a key component of the engineered barrier system for high-level radioactive waste disposal. The bentonite buffer is saturated via groundwater flow through the excavation damaged zone in the adjacent rock mass. Bentonite saturation results in bentonite swelling, gelation and intrusion into the nearby rock discontinuities. Groundwater flow can cause bentonite erosion and transportation of bentonite colloids. This bentonite mass loss can negatively impact the long-term integrity of the engineered barrier system. Hence, it is necessary to understand the effects of erosion on the properties of the bentonite buffer. In this study, a series of artificial fracture erosion experiments are conducted to investigate the erosion characteristics of compacted Ca-bentonite buffer materials for different initial dry density conditions. Compacted bentonite blocks and bentonite pellets were manufactured using the cold isostatic pressing technique and granulation compactor respectively. The specimens were placed in a custommade transparent artificial fracture cell and the bentonite intrusion characteristics were monitored for two months under free swelling conditions with no groundwater flow. The radial expansion of the bentonite specimens within the artificial fracture was measured using a digital camera. In addition, the swelling pressure, displacement, and saturation were determined using a load cell-piston system, LVDT, and electrical resistivity electrodes respectively. A hydro-mechanical-chemical coupled dynamic bentonite diffusion model was applied to model the bentonite erosion characteristics using COMSOL Multiphysics.

OPTIMAL POWER DISTRIBUTION OF HIGH-VOLTAGE COOLANT HEATER FOR ELECTRIC VEHICLES THROUGH ELECTRO-THERMOFLUIDIC SIMULATIONS

손권중 한국자동차공학회 2023 International journal of automotive technology Vol.24 No.4

There is a lot of focus on improving the heating performance and efficiency of high-voltage coolant heaters for electric vehicles. It has been noticed that the geometry design of the coolant flow path in a heat-exchanging unit plays a primary role in enhancing the efficiency of the high-voltage heater. However, no previous study has been carried out on power distribution to heating elements, which are usually layered thin-film structures. This paper presents multiphysics-based computational work to explore the heat-exchanging characteristic of high-voltage heater systems with varying power distribution schemes via split electrodes. For a 7 kW heater with symmetric serpentine flow channels and two-split heating layers with a dual-input terminal, two power distribution cases of 3.75 kW : 3.25 kW and 4.00 kW : 3.00 kW showed better performance than the conventional single-input port configuration equivalent to the 3.50 kW : 3.50 kW case in terms of temperature uniformity in the working fluid and solid structures.