디지털 트윈 기술을 이용한 전고체 전지 모델링 연구

박주남,정승원,송지훈,이용민 대한금속재료학회(구 대한금속학회) 2020 재료마당 Vol.33 No.6

비보강 조적식 구조의 형상에 따른 내진성능 평가 해석

박주남 한국지진공학회 2016 한국지진공학회논문집 Vol.20 No.5

Unreinforced masonry (URM) buildings are known to be highly vulnerable to seismic loadings. Although significant physical variation may exist for URM buildings that fall into a same structural category, a single set of fragility curves is typically used as a representation of the seismic vulnerability of the URM structures. This study investigates the effect of physical variation of URM structures on their seismic performance level. Variables that describe the physical variation of the structure are defined based on the inventory analysis. Seismic behavior of the structures is then monitored by changing the variables to investigate the effect of each variable. The analysis results show that among the variables considered the seismic performance of URM building depends on the variation of the width, the aspect ratio, and the number of story. The need for further research on the modeling of the connections between the walls and diaphragms and the torsional effect is also addressed.

차원 제어된 산화물계 고체전해질을 적용한 전고체 전극의 성능 예측 연구

박주남,김주영,신동옥,오지민,김주미,이명주,이영기,유명현,이용민 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1

고에너지밀도와 고안전성을 동시에 확보할 수 있는 전고체 전지(All-solid-state Batteries, ASSBs)의 연구가 활발히 진행되고 있지만, 현 전고체 전지의 성능은 상용화된 리튬이온전지 대비 상당히 부족한 상황이며, 수 많은 성능 저하 원인 중 하나가 전고체 전극 내 낮은 이온 전달 특성이다. 본 연구에서는 3차원 전고체 전극 구조체를 형성하고, 이를 적용한 전고체 전지의 성능을 예측할 수 있는 모델을 구축하여, 단순 구형 고체전해질이 아닌 차원 제어된 섬유 또는 판자형태의 고체전해질을 적용시 성능 향상이 가능한지를 예측하였다. 결과적으로, 고차원 형태를 갖는 고체전해질이 전극 내 조밀한 이온 전달 네트워킹을 효과적으로 형성하여 전지 성능 향상에 기여할 수 있음을 확인하였다.

확률적 지진요구모델을 이용한 구조물의 최적 내진보강

박주남,최은수 한국지진공학회 2008 한국지진공학회논문집 Vol.12 No.3

내진설계기준이 반영되지 않은 기존 구조물의 경우 내진보강에 의하여 구조물의 내진성능을 향상시킬 수 있다. 내진보강의 수준을 합리적으로 결정하기 위해서는 구조물의 사용기간 동안에 예상되는 지진피해 관련 손실이 최소화되도록 하여야 하는데, 이를 위해서는 구조물이 위치한 지역에 대한 지진의 강도별 발생빈도, 지진에 의한 구조물의 기능상실 및 직접/간접 피해를 복합적으로 고려하여 구조물의 예상 손실비용을 산정하여야 하며 이는 구조물 손상에 대한 지진위험도 해석을 통해서 그 해석을 수행할 수 있다. 본 연구에서는 확률적 지진요구모델을 이용한 위험도 평가를 통하여 구조물의 지진에 대한 피해 손실을 정량적으로 산정하고 이를 바탕으로 초기비용과 예상손실비용을 포함한 총 손실비용을 최소화시킬 수 있도록 내진보강 수준을 최적화하는 절차를 제시하였다. 구조물과 관련된 지진피해 산정에 있어서 지진하중의 강도별 발생확률 및 구조물의 손상확률을 동시에 고려하여 구조물 생애주기에 대한 구조물의 지진손상 확률밀도함수 및 누적분포함수를 수식화하였으며 수식의 유효성을 유지하기 위한 확률변수의 유효범위를 정의하였다. 또한 여기에 사회적, 경제적 손실을 정량화하기 위한 손실함수를 결부시켜 구조물과 관련된 지진 피해 손실의 기댓값을 정량적으로 산정할 수 있도록 하였다. 제시된 해석기법은 기존의 시뮬레이션에 의한 손실산정법과 비교하여 해석의 정확도는 잃지 않으면서 구조해석의 반복횟수를 대폭 줄일 수 있다는 장점이 있으며 빌딩과 교량을 비롯한 구조물의 내진성능 평가 및 개선을 위한 의사결정 시에 효율적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다. The seismic performance of a structure designed without consideration of seismic loading can be effectively enhanced through seismic rehabilitation. The appropriate level of rehabilitation should be determined based on the decision criteria that minimize the anticipated earthquake-related losses. To estimate the anticipated losses, seismic risk analysis should be performed considering the probabilistic characteristics of the hazard and the structural damage. This study presents the decision procedure in which the probabilistic seismic demand model is utilized for the effective estimation and minimization of the total seismic losses through seismic rehabilitation. The probability density function and the cumulative distribution function of the structural damage for a specified time period are established in a closed form, and are combined with the loss functions to derive the expected seismic loss. The procedure presented in this study could be effectively used for making decisions on the seismic rehabilitation of structural systems.

콘크리트 진공튜브의 균열 발생에 따른 기밀성능 평가 실험

박주남,박형준 대한토목학회 2018 대한토목학회논문집 Vol.38 No.3

Super-speed vacuum tube system, where the air resistance is minimized to obtain high speed of the vehicle, is considered to be a viable alternative transportation system. Air-tightness is one of the most important design requirements of the system, because the internal pressure of the system needs to be maintained significantly lower than the atmospheric pressure. This study performed an experimental test, where a series of concrete tube specimens were applied by external loads to induce cracks and the effective air-permeability of the cracked tube structures were measured. The test results indicates that the information on the length and the width of the load-inducedcracks are not enough to anticipate the system air-tightness, whereas the load-induced displacement has higher correlation with the systems air-tightness. Based on these results, a direction of future research for effect of the load-induced cracks on the system air-tightness is suggested. 튜브 내부의 공기저항을 최소화해 운송체의 빠른 이동을 가능하게 해주는 초고속 진공튜브 시스템(Super-speed vacuum tube system)은 고효율 친환경성으로 인해 차세대 운송시스템으로 주목받고 있다. 초고속 진공튜브 시스템은 외부에 비해 튜브 내부의 압력을 매우 낮게 유지할 필요가 있으므로 기밀성의 확보가 무엇보다 중요한 설계 요건이라 할 수 있다. 본 연구에서는 균열의 발생이 진공튜브 구조물 내부의 압력 변화에 어떠한 영향을 미치는지 고찰하기 위해 일련의 콘크리트 튜브 구조물에 대해 균열에 따른 내부 압력의 변화를 측정하는 실험을 실시하였다. 실험결과 균열의 길이 또는 균열폭에 대한 정보만으로는 시스템의 기밀성에 영향을 주는 균열의 성질을 표현하기에 부족한 것으로 나타났으며, 반면에 발생된 구조물의 변위와 등가투기계수와의 관계는 상대적으로 높은 상관관계를 가지는 것으로 나타났다. 이와 같은 실험 결과를 바탕으로 설계 단계에서 시스템의 기밀성을 예측하기 위한 향후 연구방향을 제시하였다.

3차원 전고체 전극 구조체 형성 및 전지 성능 예측 모델 개발

박주남,김도환,( Williams Agyei Appiah ),송지훈,오지민,김주영,이영기,유명현,이용민 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1

고에너지밀도형 차세대 리튬이차전지 중 가장 높은 안전성을 확보할 수 있는 전고체 리튬이차전지(All-solid-state Lithium Secondary Batteries, ALSB)의 연구가 활발히 진행되고 있음에도, 낮은 고체 복합 전극 설계 기술로 여전히 기존 리튬이차전지에 대비 성능이 낮은 것이 현실이다. 본 연구에서는 전지 성능과 연관되어 있는 전극 유효 파라미터를 계산할 수 있는 3차원 전고체 전극 구조체를 형성하고, 나아가 전지 성능 예측이 가능한 모델을 구축하였다. 본 해석 모델을 활용하여 흑연과 산화물계 고체전해질의 함량 실험을 진행하였으며, 최종적으로 유효 파라미터 및 전기화학적 성능 비교를 통해 전극 내 최적 함량 값을 확인하였다.

황화물계 고체전해질을 포함한 전고체 전극 성능 예측 모델 개발

박주남,김규태,오대양,진다희,정윤석,이용민 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1

높은 이온전도 특성과 형태 변형에 유리한 황화물계 고체전해질이 적용된 전고체 리튬이차전지(All-solid-state Lithium Secondary Batteries, ALSBs)는 실제 실현가능한 고안전성&고에너지밀도형 차세대 이차전지로 평가되고 있다. 그러나, 소재의 높은 화학 반응성과 낮은 전극 설계 기술 성숙도로 기존의 리튬이온전지와 경쟁하기에는 여전히 출력 및 수명 특성이 부족한 실정이다. 본 연구 그룹에서는 앞선 문제 중 전고체 전극 설계 최적화 연구에 활용가능한 성능 예측 모델 개발을 진행하였으며, 실제 실험 결과와의 비교 연구를 통해 개발 모델의 신뢰성을 확보하였다. 본 모델이 현 전고체 리튬이차전지의 성능 개선하는데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.

전고체전지용 흑연/고체전해질 복합 음극 모델링 연구

박주남,김도환,변승우,송지훈,( Williams Agyei Appiah ),유명현,이용민 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0

세계 자동차 시장에서 친환경 전기차의 시장 점유율은 계속적으로 증가하는 추세이며, 2020년에는 하이브리드를 포함한 전체 전기차 시장 점유율이 약 18%, 2040년에는 순수 전기차 시장 점유율이 기존 내연기관자동차를 앞설 것으로 예상되고 있다. 이에 따라, 현재 가장 높은 에너지밀도를 보장하는 리튬이온전지가 우선적으로 적용될 것이다. 하지만, 높은 에너지밀도는 사고 발생시 그 위험성이 큰 것을 의미하며, 특히 가연성 유기전해질 사용은 화재 사고에 더욱 취약하다. 이를 극복하기 위해 기존 유기전해질을 고체전해질로 대체하기 위한 다양한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 재료 분석 계산 툴인 GEODICT를 이용하여 전고체전지용 흑연/고체전해질 복합 음극의 구조체를 설계/형상화하고, 이를 활용하여 성능 향상을 위한 전극 파라미터 연구를 진행하였다. 특히, 전고체전지 내 전극 기공 구조 설계의 중요성을 보고하고자 한다.

3차원 전고체 전극 구조체 기반 성능 결정 파라미터 및 성능 예측 연구

박주남,김도환,( Williams Agyei Appiah ),송지훈,오지민,김주영,이영기,김상헌,이용민 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

높은 에너지밀도 및 안전성을 확보할 수 있는 전고체 전지(All-solid-state Batteries, ASSB)의 연구가 활발히 진행되고 있으나, 고체 복합 전극 설계의 어려움으로 현 전고체전지의 성능은 기존 리튬이차전지에 대비 현저히 낮다. 본 연구에서는 전지 성능과 직간접적으로 연관되어 있는 전극의 성능 결정 파라미터를 계산할 수 있는 3차원 전고체 전극 구조체를 형성 및 전지 성능 예측이 가능한 모델을 구축하였다. 본 해석 모델을 기반으로 흑연과 산화물 고체전해질의 함량 실험을 실시하였으며, 최종적으로 유효 파라미터 및 예측된 전기화학적 성능 비교를 통해 현 전극 설계 시스템 내 소재의 최적 함량 값을 확인하였다.

디지털 트윈형 전고체 전지 성능 예측 모델 개발

박주남,김규태,오대양,송지훈,정윤석,이용민 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

황화물계 고체전해질 기반의 전고체 전지(All-solid-state Batteries, ASSBs)는 실제 실현가능한 고안전성&고에너지밀도형 차세대 이차전지로 평가되고 있다. 그러나, 소재의 높은 화학 반응성과 낮은 전극 설계 기술 성숙도로 상용화 리튬이온 전지와 경쟁하기에는 출력 및 수명 특성이 여전히 부족한 실정이다. 본 연구 그룹에서는 앞선 문제 중 전고체 전극 설계 최적화 연구에 활용가능한 디지털 트윈형 성능 예측 모델 개발을 진행하였으며, 실제 실험 결과와의 비교 연구를 통해 개발 모델의 신뢰성을 확보하였다. 본 모델이 현 전고체 전지의 설계 문제점을 제시하고, 이를 개선 재 평가하여 성능 향상에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.