기계재료 열화손상과 박막 특성평가를 위한 초음파 비파괴 진단 기법 연구

김동열 성균관대학교 일반대학원 2011 국내박사

본 연구에서는 초초임계압 발전설비에서 사용되는 재료의 열화손상과 기계구조용 다이아몬드 박막특성을 평가하기 위한 초음파 비파괴진단 기법을 개발하였다. 이를 위해 발전 설비에 사용되는 P92강과 P122강을 실제 가동 년수 의 증가에 따른 열화 손상과 동일한 가속 열화 시험편을 제작하고, 다양한 증착조건 하에서 다양한 기계적 특성을 나타내는 CVD 다이아몬드 박막을 제작하였다. 제작된 열화손상 시험편과 CVD 다이아몬드 박막 시험편에 대하여 광학현미경, SEM 등을 이용하여 미세조직을 관찰하고, 크리프 파단 실험 등의 금속조직학적인 결과를 도출하였으며, 본 연구를 통해 개발된 초음파 비파괴 진단 기법과의 비교/분석을 통한 기법의 정확성을 검증하였다. 1. 기계재료의 물성 평가를 위한 초음파 비파괴 진단 이론 기계재료의 물성을 평가하기 위하여 초음파 비파괴 진단 인자 및 그 적용 원리에 대하여 정리하였다. 재료의 물성이 변화함에 따라 초음파 전파 속도 및 감쇠계수, 그리고 Rayleigh 임계각 등 초음파 진단 인자의 값이 변화 하는데, 이러한 초음파 진단 인자를 기계재료의 물성변화 평가에 적용할 수 있는 가능성을 타진하고, 적용 이론에 대하여 정리하였다. 2. 기계재료의 열화손상 평가를 위한 초음파 비파괴 진단 기법 개발 초초임계압 발전설비용 소재인 P92강과 P122강의 열화손상 평가를 위하여 초음파 속도 및 감쇠계수와 재료의 경도변화 및 석출물 분율과의 상관관계를 도출하고 열화 손상에 따른 재료의 물성 변화를 평가할 수 있는 기법을 연구하였다. 광학현미경과 SEM을 이용하여 열화손상에 따른 재료의 미세조직변화를 관찰하였으며, 초음파 속도 및 감쇠계수를 측정한 결과 열화 손상도와 초음파 실험 결과 간에 상관관계가 존재함을 확인하였다. 이러한 상관관계를 이용하여 초음파 속도와 감쇠계수를 이용하여 크리프 손상에 따른 재료의 잔존 수명을 예측할 수 있는 관계식을 도출하였다. 3. 기계재료의 박막특성 평가를 위한 초음파 비파괴 진단 기법 개발 다양한 증착조건 하에서 제작된 CVD 다이아몬드 박막 시험편을 이용하여 표면의 물성변화 및 모재와 박막의 접합 특성을 비파괴적으로 평가할 수 있는 최소반사율 기법을 개발하였다. 재료의 표면 물성 변화에 따라 달라지는 Rayleigh 임계각을 이용하여 이를 측정할 수 있는 알고리즘과 진단 시스템을 개발하고 기계구조용 박막을 평가하는 기법을 개발하였다. 개발된 최소반사율 기법을 이용하여 다이아몬드 박막의 두께, 생성된 다이아몬드 박막의 형태 변화등의 표면 물성 변화를 평가하였으며, 박막과 모재와의 접합강도를 평가하기 위하여 박막 증착시 상이한 조건 하에서 박막 시험편을 제작하고, 실험을 통해 모재와 박막의 접합 강도를 평가할 수 있음을 확인하였다. 9Cr-2W and 12Cr-2W materials were widely used as structural materials of high temperature and pressure components in power plant. The components can be degraded as increasing their operation time. Since the isothermal aged materials are subject to precipitation or cavities between grain boundaries, it is one of major cause of early breakage of these component. Therefore, the quantitative NDE method for evaluating the microstructural changes in thermal aged steels and thin films is strongly needed to insure structural reliability of the components used in high temperature. Thin films of CVD diamond coating are being utilized for the wide ranging industrial application because of outstanding mechanical properties such as high hardness, low friction, high wear resistance and low thermal expansion coefficient. However, the CVD diamond coating could be affected by various deposit conditions such as surface roughness of substrate, kinds of substrate material, deposition time, and deposition temperature. These conditions make the quality influenced in the destabilizing factor of deposition process, and the film after deposition. In this study, thermal damaged specimems(P92 steel and P122 steel) and the CVD diamond coating specimens with various deposit conditions were prepared. In order to evaluate these specimens, this study aims at focusing a new ultrasonic nondestructive diagnostic method. To evaluate thermal aged steels, ultrasonic parameters: ultrasonic velocities and attenuation coefficients were measured by using a high frequency ultrasonic transducer. From the measured data, the relation between attenuations and area of precipitates and relation between velocities and hardness were calculated. Using these relations, the residual life times was predicted in thermal damaged specimens. To evaluate thin films, a new ultrasonic method was proposed, named as “minimum reflection profile” which measures energy variation of reflected waves from the surface of the specimens as changing the angle of incident wave from normal to beyond Rayleigh angle in a pitch-catch immersion setup. Using the minimum reflection profiles, changed material properties and bonding quality of thin films were evaluated.

양파수확 기계화를 위한 줄기절단기계 개발에 관한 연구

이승윤 慶尙大學校 2016 국내박사

Onion is an important agricultural product influencing Koreans’ dietary life because of its effectiveness on prevention of various adult diseases. However, onion cultivation mostly depends on human labor except for plowing and harrowing, pest control, and row covering that are mechanized. Mechanization of its cultivation is required because of scale improvement, reduction in production coast, and increase in price competitiveness. Raising of seedling, transplanting, and harvesting occupy highest share of labor input time by work process for domestic onion cultivation. The labor charge in production cost was 53.5% in 1991, 53.8% in 1993, and 55.7% in 1995 but still has a higher percentage. In harvesting work, stem cutting has 30%, digging 60%, and collecting 10%; stem cutting work requires 27.6 hr/10a among the entire labor input time. In particular, 80% of the harvesting work depends on human labor and the labor productivity has been significantly declined due to aging of agricultural labor. The phenomenon is similar to that of the entire agricultural structure, but causes a serious problem in onion cultivation because onion cultivation requires concentrated labor in transplanting and harvesting as in rice farming. In Korean southern areas as main cultivation area of onion, it is difficult to harvest onion by increase of demand for labor simultaneously because the farmers should perform rice transplantation between the beginning and the middle of June immediately after onion harvesting. Digging and collection for onion cultivation has been partially mechanized, but there are few researches about stem cutters. No machine has been developed for stem cutting on the case of vinyl mulching cultivation. Mechanization of onion cultivation is essential to increase competitiveness of farms of onion cultivation. In order to mechanize stem cutting and vinyl removal that occupy 32.6 hr/10a of labor in harvesting work, in this study, the characteristics of onion cultivation in main cultivation area were investigated and analyzed and a machine for onion stem cutting based on the results of basic tests needed for designing was developed. The performance of the machine to estimate its work performance was tested and the results are as follows. 1. Status of farmhouses and decision of the onion stem cutting point The average labour hours required for each process in onion cultivation was about 23.2 h/10a. Most of the farmhouses should harvest onion rapidly not only because personal expenses should be cut down but because they should perform rice transplantation as succeeding double-cropping immediately after the onion harvest in June, a reason that requires development of onion stem cutter. The operating width of the stem cutter was determined to be 1,000 mm for the integrated system of onion cultivation mechanization. Reciprocal cutting blades for combine whose cutting plane is similar to a sickle, a traditional tool for stem cutting, was determined to be a cutting blade. The onion stem cutting point which is the distance between the cutting point and the ground, was determined to be 70 mm by considering the decomposition rate during the onion storage after harvest depending on the cutting point. 2. Basic test The vinyl tensile force of the low-density polyethylene film used for agricultural mulching vinyl is reduced down to 90% of the original force. vinly collecting process was difficult because the vinly was easily torn. According to the preliminary test, the vinyl with the tensile force of 27.99 N, which is hardly tearing in its removal process, might be appropriate in onion cultivation. When the water content in onion was 96%, the average resistance for stem cutting was 3.39 N; the cutting resistance become less with the moisture content in onion becoming higher and the stem cutting distance becoming longer. Also, the cutting resistance was lowest at the condition of the blade scope of 30° and the blade angle of 20° among variation levels for parameter effects test . The blade scope and angle for the prototype of this study was decided as 33° and 22°, respectively. Those are the same values of the combine in the domestic market, because the dimension values of the blade by the parameter effects test are very similar to those of the combine and the cost for making the new blades are considered. By the analyses of forward resistance test in soil depending on guide angle, the average resistance was about 2.26 N when the guide angle was 40°, which is less than that of 45° or 50°. Therefore, the guide angle was selected to be 40° considering the length of the guide becoming longer and the length of the onion stem cutter becoming longer with the guide angle becoming less. 3. Development of prototype onion stem cutter For the mechanization of onion stem cutting, the first, second, third, and fourth prototypes of onion stem cutting equipment were designed, manufactured, and tested on the field. The first and the second prototype were walking-type. The third and the forth prototype were riding-type(attached to rice planter). The results of the tests showed that the average working speed and the field working efficiency for the walking-type are 0.2 m/s and 8.5 a/h, respectively. Those for the riding-type rice planter were 0.5 m/s and 21.3 a/h. Those for the riding-type attached to tractor were 0.2 m/s and 6.9 a/h on the condition of 1,300 mm of working width. The operating time of onion stem cutters may be different depending on conditions of working. The arable land under burden calculated in order to use the cutters efficiently was 10.6 ha for the walking type, 26.5 ha for the riding type (rice planter), and 8.7 ha for the riding type (tractor) when the conditions of 74% of field working efficiency, 72% of real working time ratio, 60.6% of ratio of possible working days, 8 hours of daily working, and 30 days of possible working were applied. The riding type (rice planter) was superior in working efficiency and the area of working process, but the percentage of the damaged onions was highest (12 to 15%). The damage rate by the guide became increased as the working speed became increased; further studies may be needed to reduce the damage rate for mechanization of onion cultivation. The onion stem cutter attached to tractor can conduct the cutting process with the working speed of 0.2 m/s and the working area of 690 ㎡/h for the stem cutting height of 70 mm and vinyl discharging process simultaneously. According to the surveys, the labour hours for the conventional, the manual working required for removing vinyl and stem cutting was averagely 32.6 hr/10a for the main production area of Korea. The labour hours required for working with the onion stem cutter attached to tractor in this study was 14.4 hr/10a. Therefore, the labor reduction may be estimated to be about 60%. 양파는 매년 재배면적과 생산량이 증가되고 있으며 농가 소득을 증대시키는 중요한 위치를 차지하고 있으며, 각종 성인병 예방에 효과가 인정되어 국민 식생활에도 큰 영향을 미칠 만큼 중요한 작물이다. 그러나 양파재배의 기계화작업은 경운정지, 방제, 휴립피복 등을 제외하고는 대부분 인력에 의존하고 있는 실정으로 규모화와 생산비 절감, 가격 경쟁력 제고를 위한 기계화는 절실하다. 국내의 양파재배 작업별 노동투하시간은 파종, 정식 및 수확작업의 비중이 가장 높으며, 생산비에서 노력비는 ’91년 53.5%, ’93년 53.8%, ’95년 55.7% 이며 최근 2000년이후 경운정지 작업기계의 보급 확대로 점차적으로 감소하고 있지만 여전히 많은 비중을 차지한다. 수확작업에서는 줄기절단 30%, 굴취 60%, 수집 10%의 비율로 전체 노동 투하시간 중 줄기절단에는 20.7 hr/10a 소요된다. 특히 수확작업은 76%가 인력에 의존하고 있고 농촌 노동력의 노령화로 노동 생산성이 많이 떨어지고 있는 실정이다. 이러한 현상은 전체 농업구조와 동일한 현상이지만, 특히 양파재배는 벼농사와 마찬가지로 정식과 수확시기에 노동력이 집중되므로 심각한 문제를 초래하고 있다. 더욱이 양파 주생산지인 남부지방에서는 논에서 재배할 경우 수확 후 곧바로 묘 이앙이 6월초에서 중순경으로 이어지므로 동시 다발적으로 노동력 수요 증가로 수확에 많은 어려움을 겪고 있다. 굴취 및 수집의 기계화는 진행되고 있으나 줄기절단기계의 연구는 저조하며, 비닐 멀칭 상태에서의 줄기절단기계는 없다. 양파재배농가의 경쟁력을 제고할 수 있는 것은 양파재배기계화가 필수이며, 수확작업에서 노동력이 32.6 hr/10a가 소요되는 줄기절단과 비닐제거 작업의 기계화를 위하여 본 연구는 양파재배 주산지를 중심으로 특성을 조사 분석하고 설계에 필요한 기초 시험에 의한 구명 결과를 바탕으로 양파줄기절단기계를 개발하여 그 성능을 시험 분석하고 작업 성능을 평가하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 문헌 및 농가현황조사 양파재배의 단계별 소요시간을 조사한 결과 양파수확에 소요되는 시간은 평균 23.2 hr/10a이였으며, 농가의 대부분은 양파 수확 후 후작으로 바로 벼 이앙작업을 하는 시기이므로 수확작업이 빠르게 이루어져야 되기 때문에 양파줄기절단기계의 개발이 꼭 필요한 것으로 나타났다. 양파줄기절단기계의 작업폭은 양파재배기계화 일관화 구축을 위해 1,000 mm로 결정하였으며, 절단칼날은 관행작업 도구인 낫과 절단면이 유사한 콤바인용 왕복식 칼날로 결정하였다. 줄기절단 높이는 길이가 길어질수록 부패 발생률이 4.4% 줄어드는 것으로 조사되었으나 망작업과 유통의 문제로 70 mm로 한정하였다 2. 기초시험 농업용 멀칭비닐로 사용하는 저밀도 폴리에틸렌 필름은 양파재배 기간에 비닐이 부식되어 비닐인장력이 원재료의 90%수준으로 저하되므로 비닐 제거시 찢어짐이 생겨서 비닐수거에 애로사항이 있었다. 따라서 양파재배 농가에서는 비닐 찢어짐이 거의 없는 27.99 N의 비닐을 사용하여 재배하는 것이 적합한 것으로 판단된다. 수분함유량이 96%일 때 줄기절단높이의 평균 저항은 3.39 N으로 수분이 많을수록, 줄기절단 높이가 길수록 절단저항은 작게 나타났다. 절단칼날은 칼날 기움각 30°, 칼날 각도 20°에서 절단 저항력이 가장 작게 나타났으나, 시작기는 콤바인용 왕복식 예취칼날로 사용되는 칼날 기움각 33°, 칼날 각도 22°의 제품을 적용하는 것이 시작기 개발 비용 절약 면에서 적정할 것으로 판단되었다. 가이드의 토양내 전진저항에서 가이드 각도 40°일때 평균저항은 2.26 N으로 가이드 각도 45°와 50°보다 작았으나, 가이드 각도가 작아지면 가이드의 길이가 길어지게 되어 양파줄기절단기계의 외형이 길어지고 운전 조작성이 불리함 등을 고려하여 40°가 적정할 것으로 판단된다. 3. 양파줄기절단기계 시작기 개발 양파줄기절단기계화의 가능성에 대한 시험을 위하여 1차 및 2차 시작기는 보행형이었으며, 3차 및 4차 시작기는 승용형으로 제작하여 포장시험을 한 결과 보행관리기 부착형 시작기는 작업속도 0.2 m/s에서 줄기 절단율 72%로 다소 낮았고, 양파 구 손상율은 10∼12%로 다소 많이 손상되었다. 승용이앙기 부착형 시작기는 작업속도 0.2 m/s에서 줄기 절단율 81%, 양파 구 손상율 8∼10%로 보행형 보다는 다소 안정된 작업 상태를 유지 할 수 있었다. 가이드유인 방식의 트랙터 부착형 시작기에는 가이드를 4개 부착하였으며, 작업속도 0.2 m/s에서 줄기절단율 91%, 양파 구 손상율 6∼9%로 나타났다. 또한 작업속도 0.13 m/s에서는 절단율은 높고 손상율은 낮았다. 유효작업능률은 보행관리기 부착형에서 평균 작업속도 0.2 m/s일 때, 시간당 8.5 a이고, 승용이앙기 부착형은 평균 작업속도 0.5 m/s일 때 시간당 21.3 a이며, 트랙터 부착형은 평균 작업속도 0.2 m/s일 때, 작업폭 1,300 mm에서 시간당 6.9 a로 나타났다. 양파줄기절단은 작업 여건에 따라 양파줄기절단기계의 사용시간이 다르게 되므로 양파줄기절단기계를 효율적으로 활용하기 위하여 산출하는 부담면적은 포장작업효율 74%, 실 작업시간율 72%, 작업가능일수율 60.6%, 1일 작업시간 8시간, 작업가능일 수 30일을 적용하여 산출한 결과 보행관리기 부착형에서10.6 ha, 승용이앙기 부착형에서 26.5 ha, 트랙터 부착형에서 8.7 ha로 나타났다. 비닐상부 유인방식의 보행관리기 부착형과 승용이앙기 부착형 시작기 작업효율 및 부담면적을 산출한 결과는 우수하였으나, 가이드 유인방식의 트랙터 부착형 시작기에 비하여 양파의 손상율이 높고, 줄기 절단율은 낮았다. 트랙터 부착형 시작기는 0.2 m/s 작업속도로 양파줄기 70 mm 내외의 높이로 절단과 동시에 비닐 배출이 가능하며, 시간당 690 ㎡의 작업을 할 수 있다. 기존의 보고 자료를 토대로 평가할 때 비닐제거와 줄기절단에 소요되는 인력 작업은 32.6 hr/10a(주산지 평균)이었고, 트랙터 부착형 시작기로 작업시에는 14.4 hr/10a로 나타났으므로 약 60% 노동력 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 따라서 실용화를 위한 양파줄기절단기계는 비닐을 가이드에 의해 걷어 올리면서 양파줄기를 절단하고 멀칭비닐은 후방으로 배출하는 트랙터 부착작업기의 형태가 작업성능이나 작업 환경측면에서 적합한 것으로 판단된다.

Electromechanical properties investigations of high temperature superconductor (HTS) tapes

Dizon, John Ryan C 안동대학교 2008 국내박사

Development of new industrial technologies like superconductivity will play a major role in addressing problems regarding the proper management and efficient use of the world’s energy resources. In the past years, superconductivity technologies have been making remarkable progress, and it is expected that the new superconductivity industry will appear in the very near future in various industrial fields. From the discovery of High Temperature Superconductivity in 1986, high temperature superconductor (HTS) compounds have offered new and exciting possibilities for power applications at 77 K. Unfortunately, the industrialization and commercialization of these HTS materials have still not yet been realized due to issues including low critical current density (Jc), critical magnetic field (Hc), and critical temperature (Tc), as well as other application issues including AC losses, critical tolerance strain (c), cooling method/cost, reliability, availability in long lengths, material cost, stability, etc. For large-scale industrial applications of HTS materials such as cables, coils and transformers, the expected mechanical loads are needed to be evaluated at the design stage. And therefore, the effect of mechanical strain on the HTS material should be understood. Mechanical strain is not a fundamental parameter to achieve superconductivity, but its importance can be seen when the superconducting material is used for device applications. The critical current, Ic, in the superconductor depends sensitively on the different stresses/strains induced during fabrication/operation, and that just a little mechanical strain can cause a large drop in the current carried by HTS materials. This Ph.D. dissertation contains the condensed results of several years of experimental research on the electro-mechanical property evaluation of HTS tapes. Particularly, this work resulted from Ic measurements on HTS tapes as a function of mechanical strain which has been performed at the Materials Behavior Measurement and Evaluation Laboratory in Andong National University. Most of the research has been done within the framework of the Development of Advanced Power system by Applied Superconducting technologies (DAPAS) program of the Center for Applied Superconductivity Technology under the 21st Century Frontier R & D Program funded by the Ministry of Science and Technology, Republic of Korea. This study, which focuses on the electro-mechanical property evaluation and reliability assessment of HTS tapes, has been divided into four main topics. Chapter two focuses on the electro-mechanical property evaluation of ReBCO coated conductor (CC) HTS tapes. The electro-mechanical property evaluation of ReBCO CC tapes is still scarce, and considering the various emerging materials used as superconductor, buffer and substrate layers, a comprehensive study on the electro-mechanical properties of CC tapes under various strain modes is needed. In this chapter, the electro-mechanical properties of CC tapes were investigated under tensile and bending strains. The tensile strain dependence of Ic in two kinds of commercially available YBCO CC tapes and another one fabricated at KERI, which were processed by the rolling-assisted biaxially textured substrate (RABiTS) and the ion-beam assisted deposition (IBAD) techniques, have been investigated. The mechanical properties including the Young’s modulus and 0.2% offset yield stress at 77 K have been derived. Also, the irreversible strain/stress limits of Ic have been investigated. The influence of stabilizer on the Ic degradation behaviour in YBCO CC tapes with IBAD substrates was discussed. Under easy bending, hard bending, and torsional bending strains, a reversible behaviour of Ic has been found up to 1.6%, 0.6% and 1.6%, respectively, for the RABiTS/MOD processed YBCO CC sample with copper reinforcement. Under repeated easy bending, the Ic showed a 95% Ic retention up to 100 cycles for bending strains of 1.0% or less. Under the hard bending case local buckling occurred. Under torsional bending strain, the Ic degradation in YBCO CC tape under torsional strains occurred gradually. Chapter three focuses on the electro-mechanical property evaluation of jointed HTS tapes. Jointing of HTS tapes is needed during device manufacturing, installation and field repair. These joints should have high strength, low AC loss and low joint resistance. In this study, manual and mechanically-controlled lap jointing of YBCO CC tapes have been employed achieving good electrical and mechanical properties which means that jointed CC tapes with stabilizers can be applied to electric power devices. In the cases of non-symmetric 2G tapes, having different architectures, different joint configurations have been studied, namely, a) face-to-face b) back-to-back and c) face-to-back. The joint resistance and strength of the jointed HTS tapes have been evaluated. Electro-mechanical properties of the joint sample under tension and bending have been examined and compared with the case of the single tapes. For YBCO tapes evaluated, the electro-mechanical properties are similar with single tapes. Chapter four focuses on the reliability assessment of HTS tapes under a pressurized cryogen environment. The influence of pressurization of LN2 and thermal cycle of HTS on its Ic degradation and ballooning characteristics have been investigated. Accelerated reliability tests of HTS tapes under bending deformation were performed using a newly-devised -shaped sample holder and a cryostat for pressurization. Six kinds of multifilamentary Bi-2223 superconducting tapes and one YBCO CC tape were used as samples. For all samples, the Ic at the unstrained state of the sample, Ic0, decreased with the increase of applied pressure, but the Ic degradation behaviours with bending strain were similar. But when the vessel was depressurized to atmospheric pressure from 1 MPa, the Ic completely recovered to its initial value. When the samples were warmed up to room temperature after pressurization tests, ballooning damage occurred in all samples except for the Bi-2223 which has been pressurized during the sintering process, and YBCO CC tapes. Ballooning is usually located at the straight or less bent regions of the samples. It was observed that ballooning caused a severe degradation of Ic. Ballooning was suppressed at larger bending strain regions where the mandrel gives a structural constraint to the tape. Chapter five focuses on the development of a new bending technique for standardization. In this study, a -shaped sample holder which gives a series of bending strains to HTS tapes in just single mounting was devised. The Ic degradation behaviours under bending strain in Bi-2223 tapes were investigated using a -shaped sample holder. In order to make the data obtained by the newly developed sample holder and its testing procedure reliable, the results using the -shaped sample holder was compared with the conventional and other bending test procedures. The data obtained by the FRP sample holder/mechanical fixing and the -shaped sample holder showed a very close irreversible bending strain values. Also, the data obtained using the -shaped sample holder has low scattering, and thus it can be considered as a candidate standard test method. 초전도와 같은 새로운 산업기술의 발달은 세계 에너지 자원의 적절한 관리와 효율적인 사용 측면에서 중요한 역할을 담당하게 된다. 지난 수년 동안, 초전도 기술은 현저한 발전을 이루어 왔고, 가까운 미래에 여러 산업분야에서 새로운 초전도 산업이 나타날 것으로 기대되고 있다. 1986년 고온초전도체(HTS) 발견 이래로, HTS는 77K에서 전력분야 응용이라는 새로운 가능성을 제시해 오고 있다. 그러나 불행히도, 이들 HTS의 산업화 및 상용화는낮은 임계전류밀도(Jc), 임계자기장(Hc), 임계온도(Tc) 뿐만 아니라 교류손실, 임계허용 변형률, 냉각방법/비용, 신뢰성, 장선재 가용성, 비용, 안정성 등을 포함하는 이슈 때문에 아직 실현되지 못하고 있다. 케이블, 코일 및 변압기와 같은 대형 적용분야에서는, 초전도선재에 걸리는 예상되는 기계적 하중을 설계단계에서 평가하는 것이 필요하다. 따라서, HTS선재에 미치는 기계적 변형률의 영향을 알고 있어야 한다. 기계적 변형률이 초전도체의 필수 고려 변수는 아니지만, 초전도체의 장치 적용시에는 그 중요성이 고려되어야 한다. 초천도체의 임계전류(Ic)는 제조/운전하는 동안 걸리는 다양한 응력/변형률에민감하게 의존한다. 그리하여 작은 기계적 변형률에서도 HTS 재료에 흘릴 수 있는 전류를 크게 감소시키는 원인을 제공하게 된다. 본 논문은 몇 년에 걸쳐 안동대 재료거동 측정 및 평가연구실(MBMEL)에서 수행되어온 HTS테이프의 전기-기계적 특성을 평가한 연구결과를 압축 하고 있다. 따라서 연구의 대부분은 본 연구실에서 수행중인 21C프로티어사업인 응용초전도 기술개발 프로그램(DAPAS)의 사업 계획을 통해 수행되었다. 본 연구내용은 HTS테이프의 전기-기계적 특성 평가 및 신뢰성 평가에 초점이 맞추어서 크게 4개 영역으로 나눌 수 있다. 제2장은 ReBCO CC테이프의 전기-기계적 특성 평가에 초점을 맞추고 있다. ReBCO CC테이프의 전기-기계적 특성 평가는 아직 미비하며 또한 기층 및 버퍼층에 여러 가지 새로운 물질을 사용하는 것을 고려하면, 여러 가지 변형률 모더하에서 CC테이프의 전기-기계적 특성에 관한 광범위한 연구가 필요하다. 이 장에서는, 다양한 CC테이프의 인장 및 굽힘 변형률하에서 전기-기계적 특성을 조사하였다. RABiTS 및 IBAD기법으로 제조한 두 종류의 시판 YBCO CC테이프 및 KERI에서 시작한 YBCO CC테이프의 임계전류(Ic)의 인장변형률 의존성을 조사하였다. 77K에서, 영률과 0.2% 항복응력을 포함한 기계적 특성을 구하였다. 또한, Ic의 비가역 변형률/응력 한계를 조사하였다. IBAD기판의 YBCO CC테이프에서 Ic 열화거동에 미치는 안정화층의 영향을 고찰하였다. 구리로 외부보강한 RABiTS/MOD-YBCO CC시료에 대하여 쉬운 굽힘, 힘든 굽힘, 비틀림 굽힘변형률 모더 하에서, Ic의 가역적 거동은 각각 1.6%, 0.6%, 1.6%에 이르는 것을 알 수 있었다. 반복된 쉬운 굽힘 모더하에서, Ic는 ≤1.0%에서 100사이클까지 95%의 Ic유지를 나타내었다. 힘든 굽힘 모더의 경우, 국부적 좌굴이 발생하였다. 비틀림 굽힘 모더의 경우, YBCO CC테이프의 임계전류의 열화는 다른 변형률 모더의 경우보다서서히 발생하였다. 제3장은 접합된 HTS테이프의 전기-기계적 특성 평가에 초점을 맞추고 있다. HTS 테이프의 접합은 장치 제작, 설치 및 현장 수리 과정에서 요구된다. 이러한 접합은 높은 강도, 낮은 교류 손실 그리고 낮은 접합저항을 가져야 한다. 마그네트 응용을 위하여, 초전도체 접합부는매우 낮은 접합저항이 요구된다. 그러나 전력장치 응용에서는 어느 정도의 접합저항이 허용되어 납땜 접합으로 충분하다. 본 연구에서는, 수작업 및 기계적 제어방법을 사용한 YBCO CC테이프의 겹치기접합 작업은 우수한 전기적 및 기계적 특성을 갖추면서 적용될 수 있었다. 즉 안정화층을 갖는 접합된 CC테이프를 전력 장치에 적용할 수 있다는 것을 의미한다. 2G테이프는 비대칭 단면 구조를 가져, 다른 구조의 접합형상 즉 a) 앞면과 앞면의 접합 b) 뒷면과 뒷면의 접합, c) 앞면과 뒷면의 접합에 대하여, HTS테이프의 접합부 저항과 강도를 평가하였다. 인장과 굽힘하에서 접합된 시험편의 전기-기계적 특성을 단일 시험편의 경우와 비교하였다. YBCO CC테이프의 경우, 겹치기 접합부는 접합하지 않은 테이프의 전기-기계적 특성과 유사하였다. 제4장은 가압 냉매 환경하에서 HTS테이프의 신뢰성 평가에 초점을 맞추고 있다. HTS테이프의 Ic 열화거동과 배불림(ballooning) 특성에 미치는 가압 액체질소 및 열사이클의 영향에 대하여 조사하였다. HTS 테이프의 가속 신뢰성 시험을 위해 새로 고안한 �자 형상의 시험편 홀더와 가압용 저온 유지 장치를 사용하였다. 6 종류의 다심 Bi-2223테이프와 한 종류의 YBCO CC 테이프를 시험편으로 사용하였다. 가압하에서 모든 시험편의 Ic0는 가압과 더불어 감소하였으나, 굽힘변형률에 따른 Ic열화거동은 비슷하였다. 그러나 압력을 1 MPa에서 대기압으로 감압하였을 때, Ic는 완전히 초기 값으로 회복하였다. 가압시험후 시험편을 상온으로 승온 하였을 때, HIP처리한 Bi-2223 및 YBCO CC 테이프를 제외한 모든 Bi-2223시험편에서 배불림 손상이 발생하였다. 베불림은 대체로 시험편의 곧은 부분 또는 약간 굽은 부분에서 발생하였다. 배불림 현상이 심각한 Ic의 현저한 열화 원인이 되었다는 것을 알 수 있었다. 배불림 현상은 맨드릴이 테이프에 구조적 구속을 제공하는 큰 굽힘변형률을 갖는 영역에서는 억제되었다. 제5장은 새로운 표준화를위한 굽힘시험기술의 개발에 초점을 맞추고 있다. 본 연구에서는, 한번의 장착으로 HTS테이프에 연속적인 굽힘변형률을 부가할 수 있는 �자형상의 FRP 시료홀더를 고안하였다. �자 형상의 시료 홀더를 사용하여 굽힘변형률 하에서 Bi-2223테이프의 Ic 열화거동을 조사하였다. 새로 개발된 시료홀더와 시험절차를 사용하여 얻어진 데이터를 신뢰성을 위해서 종래의 다른 굽힘시험 절차로서얻어진 데이터와 비교하였다. � 자 형상FRP 시료홀더/기계적 장착을 통해 얻어진 데이터는 매우 근사한 Ic 열화거동과 비가역적 굽힘변형률 값을 나타내었다. 또한, �자 형상의 시료홀더를 사용하여 얻어진 데이터는 낮은 분산을 나타내었으므로, 이것은 하나의 표준시험법 후보로 고려할 수 있다. 전체적으로, 본 연구는 실제적인 HTS테이프의 전기-기계적 특성과 신뢰성의 보다 나은 이해를 추구한다.

회전대우 기구에서의 기계편차 해석에 관한 연구

신대영 漢陽大學校 大學院 1999 국내박사

정밀한 운동을 요구하는 많은 기계류나 장치의 설계에 있어서 기구(mechanism)에서 필연적으로 발생하는 편차는 기구의 성능과 밀접한 관계가 있다. 따라서 정밀한 기구의 설계에 있어서 편차의 발생인자와 편차의 크기 등을 정확하게 알고 설계하는 것이 매우 중요하다. 편차는 크게 구조편차와 기계편차로 구분된다. 구조편차는 기구 설계의 오류나 특성에 의하여 필연적으로 기구가 안고 있는 편차로서 기구의 설계 거동(designed motion)과 기구의 구조적 거동(structural motion)사이에 발생하는 편차를 말한다. 기계편차는 치수편차, 틈새편차, 기계요소의 변형 등의 발생인자에 의하여 발생하는 것으로 기구의 구조적 거동과 기구의 기계적 거동(mechanical motion)사이에 발생하는 오차를 말한다. 일반적으로 기구합성(kinematic synthesis)을 통하여 구조편차의 최소화를 도모하고 효율적인 공차와 틈새의 할당에 의하여 기계편차의 최소화를 시도한다. 기계편차의 최소화를 위해서는 발생인자에 의한 영향을 파악 내지는 해석하는 것이 무엇보다 중요하다. 그 동안 많은 방법들이 결정론적 접근(deterministic approach) 또는 통계적인 접근(statistical approach)을 통하여 치수편차와 틈새편차에 의하여 발생하는 기계편차(mechanical deviation)의 특성을 해석하여 왔다. 본 논문은 회전대우(revolute joint)로 구성되는 모든 기구에서 발생하는 최대 기계편차를 결정론적인 접근을 통하여 해석하며 또한 허용 기계편차 범위 내에서 공차와 틈새를 할당하고자 한다. 최대 기계편차는 다음과 같은 과정을 거쳐 해석된다. ① 치수편차와 틈새편차에 의하여 발생되는 기계편차를 치수편차의 영향(dimension deviation effect)과 틈새편차의 영향(clearance deviation effect)으로 분리한다. 틈새편차의 영향은 독립 회전대우를 비롯한 I 중첩 회전대우의 영향으로 구분한다. ② 최적화를 위하여 기계편차를 목적함수로 하는 공식화(formulation)를 수행한다. ③ 쿤-터커 필요조건(Kuhn-Tucker necessary condition)을 이용하여 틈새와 공차에 의하여 발생되는 최대 기계편차의 일반해를 유도한다. 최대 기계편차의 일반해를 유도하는 과정에서 모든 링크의 치수편차가 관련 치수변수의 공차와 같을 때 그리고 회전대우에서 핀은 항상 구멍과 접촉한 상태에서 최대 기계편차가 발생된다는 사실이 수식으로 규명되었다. 최대 기계편차는 양의 최대 기계편차와 음의 최대 기계편차 로 구분되는데 양의 최대 기계편차와 음의 최대 기계편차의 크기는 항상 서로 같으며, 양과 음의 최대 기계편차를 발생시키는 치수변수의 공차 방향은 서로 반대이고, 회전대우에서 양과 음의 최대 기계편차를 발생시키는 회전각 사이에는 항상 180°의 차이가 있다는 사실이 판명되었다. 최대 기계편차의 일반해는 치수편차의 최대 영향과 틈새편차의 최대 영향으로 분리하여 표현함으로써 공차와 틈새의 할당에 기여할 수 있었다. 이와 같이 최대 기계편차를 유도하는 과정은 회전대우 이외에 미끄럼대우(prismatic joint) 등과 같이 다른 대우로 구성되는 기구에서 최대 기계편차를 해석하기 위한 방법에 이용될 수 있다.

기계식 연료공급시스템 사용 다기통 경유-LPG 혼소엔진에서의 배출가스 특성에 관한 연구

조승환 인하대학교 대학원 2012 국내박사

전체 자동차 등록대수중 건설기계가 차지하는 비율이 낮음에도 불구하고, 건설기계에서 배출되는 배출가스의 기여도는 NOx 15.1%, PM 15.5%, CO 6% 및 VOC 9.1% 등으로 높은 수준을 차지하고 있다. 최근 자동차의 배출 허용기준이 강화되고 있고, 자동차로부터의 오염물질이 저감됨에 따라 전체 오염물질 배출량에서 건설기계가 차지하는 기여도는 증가하고 있다. 운행 중인 건설기계중 약 79.3%는 미규제 및 Tier-1 배출 허용기준 적용을 받고 있기 때문에 오염물질 배출 규제가 어려운 실정이다. 노후 건설기계 엔진에서 PM배출량을 저감하기 위해서는 DPF와 같은 후처리장치가 많이 적용되고 있지만, NOx 저감에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 기계식 연료펌프를 사용하는 노후 건설기계용 원동기의 배출가스를 저감하기 위해서 LPG 혼소(Dual fuel) 기술을 적용하였고, 베이스 경유엔진 및 LPG 혼소엔진의 배출가스 특성을 측정 및 비교하였다. 혼소 기술을 경유엔진에 적용시 경유 분사량이 감소하여 분사 길이가 짧아지게 된다. 분사 길이 변화는 분무 및 혼합 특성을 변화시키는 요인이 된다. LPG 혼소율 증가에 따라 경유가 혼소전과 동등한 수준의 분사거리확보가 중요하다. 이를 위해서 기계식 연료펌프를 이용한 분무 특성 장치를 구성하였고, 분무 패턴 및 분무 형상을 측정 및 분석하였다. 분사 노즐 직경은 작아지고 홀 개수가 많아진 노즐#2의 경우, 분사거리가 경유 100% 및 50%의 경우 비교하여 각각 약 74%와 79%수준을 나타내어 유사한 분무 도달거리를 나타내어 혼소 엔진에서 연소 개선이 가능할 것으로 파악된다. 현재 건설기계 엔진은 배출가스 검사시험 방법으로 KC1-8모드를 이용하고 있다. 베이스 경유엔진의 최대출력 및 최대 토크선도를 도출하여 KC1-8 모드 측정점을 파악하였다. LPG 혼소의 경우 베이스 경유엔진과 동일한 출력하에서 실험이 진행되었기 때문에 각 엔진은 동일한 KC1-8모드의 측정점에서 배출가스를 측정하고 비교 및 분석하였다. 그리고 LPG 혼소 연소시 연소 특성변화에 따른 엔진변수를 최적화하기 위해서 베이스 경유엔진 및 LPG 혼소시 엔진 연소실 압력파형 취득 및 열발생율을 계산하였다. 배출가스 측정결과와 열발생율 계산결과 분석을 통해 배출가스의 저감원인에 대해서 분석 및 이해하였다. LPG 혼소시 배출가스를 최적화 할 수 있는 엔진 변수를 고려하기 위해서 분사시기 조정 및 노즐의 개변압 변경, 노즐의 돌출길이 변경, EGR 모사, 산화촉매 장착, SPI(Single point injection), 혼소율 증가 등의 실험을 진행하였다. EGR 모사를 통해 모드별로 약 47.8~66.5%의 NOx가 저감가능하고, 산화촉매 장착으로 CO는 약 89.9%, HC는 약 57.3%의 저감하였다. SPI 및 연료펌프 고압챔버의 체적변화는 배출가스 저감에 기여하지 않는 것으로 확인하였다. 실험용 엔진에서 혼소율은 knocking이 발생하지 않은 영역에서 최고 49.6%까지 증가가 가능함을 확인하였다. 다양한 분사시기 및 노즐 개변압 조절로 NOx 및 soot 각각의 배출 저감을 최적화 가능한 조건을 파악하였다. NOx와 soot의 저감율을 모두 고려하면, 분사 노즐 개변압 180bar, 연료 분사시기는 BTDC 15도 임을 확인하였다.

가교결합 조건변화에 의한 인공관절용 초고분자량폴리에틸렌의 기계적 성질 향상

김동훈 한양대학교 공학대학원 2008 국내석사

급속하게 증가하는 노령인구의 증가로 인하여 관철치환술은 나날이 증가하는 추세이다. 이로써 인공관절의 수명척도로 생체재료에 대한 관심이 부각되어지기 시작하였으며, 인공관절 부품으로는 티타늄(Ti-6Al-4V ELI), 코발트크롬몰리브덴 합금(Co-Cr-Mo), 세라믹, 지르코늄과 초고분자폴리에틸렌(UHMWPE) 등이 사용 되어지고 있다. 초고분자량폴리에틸렌은 관절의 회전체 역할을 하는 메탈재질과 접촉하기 때문에 마모에 대한 성능이 중요하게 부각 되어져 왔다. 마모를 통해 일어나는 마모입자들은 골용해현상을 일으켜 결국 환자의 극심한 고통을 초래하게 되어 재수술을 요구하게 된다. 인공관절은 생체내에 삽입 되어지는 의료부품이므로 반드시 멸균을 필요로 한다. 의료부품 멸균은 감마선 조사를 통해 일반적으로 이루어진다. 감마선 조사방법은 멸균에 대한 신뢰성 및 저온에서 조사가 가능한 장점을 가지고 있기 때문에 많이 이용되는 기법이다. 감마선 조사는 초고분자량폴리에틸렌 재료에 가교(Crosslinking), 분할 (Scission), 산화(Oxidation)를 발생시킨다. 가교는 초고분자폴리에틸렌의 기계적 특성을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 그러나 감마선 조사선량에 대한 기계적 특성변화에 대한 정량적인 수치가 제시되지 못하고 있다. 또한 감마선 조사를 통해 발생된 프리래디컬(free radical)은 공기와 접촉하여 산화를 일으킨다. 이러한 산화를 방지하기 위해서는 프리래디컬을 제거해야 하는 열처리를 필요로 한다. 이처럼 감마선 조사선량과 열처리 조건에 대한 물리화학적 및 기계적인 특성에 대한 고찰은 초고분자량폴리에틸렌 부품의 신뢰성을 획득할 수 있는 기초가 될 것이다. 본 논문에서는 이를 위해 가교 조건 변화에 따른 초고분자량폴리에틸렌의 특성변화를 검토하고자 하였다. 먼저 감마선 조사가 초고분자량폴리에틸렌의 가교, 분할, 산화를 일으키는 것을 검증하기 위하여 감마선 조사를 가진 초고분자량폴리에틸렌 시편을 가지고 FT-IR 고분자 시험을 실시하였다. 또한 감마선 조사선량에 따른 기계적 특성을 파악하기 위해 각각 시험규격에 따른 인장, 압축, 경도시험편을 제작하여 시험을 실시하였다. 이와 같은 시편을 가지고 감마선 조사선량에 따른 기계적 시험을 통하여 힘-변위의 관계를 측정하였고, 응력-변형률 곡선으로 변환하여 항복강도와 극한강도, 연신율을 구하였다. 감마선 조사선량에 따른 기계적 성질이 우수하게 나타난 조사선량을 선정한 후 감마선 조사가 산화를 일으키는 지를 확인하기 위해 FT-IR분석으로 산화여부를 분석하였다. 초고분자량폴리에틸렌의 산화를 억제하기 위한 열처리 조건에 대한 기계적 특성변화를 고찰하기 위해 감마선 조사된 초고분자량폴리에티렌 환봉을 열처리하였다. 열처리온도 조건은 초고분자량폴리에틸렌의 열변형온도가 125∼138℃이므로 Annealing 온도와 Remelting온도 범위를 구분하여 선정하였다. 열처리된 시편은 기계시험 규격에 따른 크기로 시편을 제작하여 기계적 특성변화를 관찰하였다. 결론적으로 초고분자폴리에틸렌의 기계적 특성에 영향을 미치는 감마선 및 열처리 공정에 대한 기계적인 특성 관계를 검토하였으며, 유효화된 구성화 모델을 수립하였다. 이로써 정량적인 기계적 특성에 대한 수치를 제시하였으며 이는 다양한 인공관절 부품의 설계 및 재료의 변형에 대한 기초적인 자료를 제시하는 토대가 될 것으로 판단한다. The population of older generation is rapidly increasing in daily due to the increasing trend of joint replacement surgery. In the lifetime of artificial joints as a measure interest in biomaterial that has been emerging recently, mainly Titanium (Ti-6Al-4V ELI), Cobalt- Chromium-Molybdenum alloy (Co-Cr-Mo), Ceramics like zirconium, ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) is being used. The UHMWPE has been emerging as wear resistant for articulation of artificial joint because of its contact to the metal directly. Wear and tear of UHMWPE leads to a patient's fraying osteolosis particles that are causing severe pain, demanding revision surgery. Artificial joints are inserted within the biometric devices, as it must be sterilized as per medical needs. Sterilized medical devices are typically achieved through gamma ray irradiation process. For reliability, and gamma ray irradiation low-temperature sterilization method is possible in the irradiation because it has many advantages of the techniques used. Gamma ray irradiation causes cross-linking, scission, oxidation to UHMWPE material. Consequently, it improves the mechanical properties of UHMWPE. However, the gamma ray dose irradiates quantitative changes in the mechanical properties and this picture is not clear yet. It also rises through a gamma ray survey of the free radical oxidation contact with the air crash. In order to prevent this free radical oxidation and remove it, heat treatment is necessary. The heat treatment for the condition and the gamma ray dose investigate chemical, mechanical and physical characteristics of ultra high molecular insights about the reliability of parts is based on standard values. This paper describes the changes in the conditions of cross-linking process for ultra-high molecular polyethylene. First, FT-IR testing has been conducted for the polymer like crosslinking, scission, causing oxidation by gamma ray irradiation. In addition, mechanical properties of gamma ray dose irradiation to determine the standards for each test tensile, compression, hardness specimens was produced by conducting the test. Also, mechanical properties for each gamma ray irradiation dose are checked through the relationship of loaddisplacement, stress-strain converting the yield curve and extreme intensity, measuring elongation. UHMWPE bar has heat treatments in order to consider mechanical properties changing about heat treatment conditions for reduce oxidation. Annealing temperature condition choose below 138℃ and re-melting temperature conditions choose upper 138℃. Because melting point of UHMWPE was approximately 138℃. Specimen for heat treatment is made according to the mechanical testing standard to record the change in mechanical properties. Through these testing it is verified that the gamma ray dose effect UHMWPE mechanical properties. Hence it could be set up validated constructive model. For quantitative figures presented by the mechanical properties of artificial joints to various parts of the design and material variation from the basic (virgin) materials for a standard that will be presented to judge this issue.

배터리 셀 개수에 따른 기계적 거동과 전기화학적 성능 평가 및 분석 연구

임현우 국립한밭대학교 대학원 2025 국내석사

배터리 셀 개수에 따른 기계적 거동과 전기화학적 성능 평가 및 분석 연구 논문제출자 임 현 우 지 도 교 수 송 지 환 리튬이온 배터리는 구동 과정에서 리튬이온의 (de-)intercalation 에 의한 기계적 거동을 보이며, 사이클이 반복됨에 따라 SEI 층의 성장, 가스 생성 등에 의해 비가역적 두께 성장이 발생한다. 특히, 멀티 셀로 구성된 모듈 또는 팩은 단일 셀과는 다른 전기화학적/기계적 거동을 보일 것이라 예상되며, 이는 모듈 또는 팩의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 멀티 셀에 대한 평가 기법을 활용하여 배터리의의 기계적 거동 및 전기화학적 성능 분석이 필요하다. 본 연구에서는 리튬이온 배터리의 멀티 스케일 평가를 수행하고, 기계적 전기화학적 분석이 수행되었다. 실험 조건은 각각 배터리 셀의 개수와 구동 온도에 따라 구성되었으며, 100 사이클 동안의 기계적 변형 및 응력과 전기화학적 성능 측정 실험을 수행하였다. 이 과정에서 멀티 셀로 구성하였을 때 셀의 개수에 비례한 값보다 큰 변형이 나타나는 특성을 발견하였다. 이러한 현상의 원인을 분석하기 위해 동일한 압력이 가해질 때 셀 개수에 따라 발생하는 압축 특성을 분석하였다. 이를 통해, 셀의 개수가 증가함에 따라 하나의 셀에서 발생하는 압축양이 감소하는 양상이 확인되었으며, 단일 셀과 비교하여 더 큰 압력이 생성되는 멀티 셀 조건에서 더 빠른 용량 퇴화가 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 압축 특성 차이로 인한 배터리의 변형 양상의 차이의 발현 현상을 확인하기 위해 추가적으로 셀 개수에 따른 압축 특성이 고려된 전기화학적 반응 역학 기반의 두께 변화 예측 모델을 개발하였다. 시뮬레이션 결과, 셀 개수에 따른 압축 특성을 고려한 경우가 그렇지 않은 경우에 비하여 실제 실험과 유사한 기계적 특성을 보이는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 보다 정확한 모듈 또는 팩 설계 및 두께 예측 모델 개발에 배터리 셀 개수에 따른 압축 특성이 고려되어야 함을 시사하고자 한다. 더 나아가, 본 연구 결과는 배터리의 기계적 안정성 및 전기화학적 성능 최적화를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이라 기대한다.

리튬이온 배터리셀의 비선형 구조-전기화학-열 연성해석 기법 개발 및 기계적 오용에 의한 열폭주 및 전기적 용량손실에 대한 연구

이동찬 한양대학교 대학원 2020 국내박사

최근 전기자동차 증가로 인하여 기계적 하중으로 유발되는 리튬이온 배터리 (LIB) 열폭주 및 용량 손실 사례가 증가하고 있다. 기계적 하중으로 인한 열폭주 및 용량 손실 매커니즘을 실험을 통해 분석하는 것은 매우 위험하기 때문에 전산 수치 해석을 통한 매커니즘 분석이 대안으로 떠오르고 있다. 하지만 기존 연구에서 사용된 균질화된 LIB모델 및 RVE (Representative volume element) 모델은 열폭주 및 용량 손실을 유발하는 기계적 응답을 정확히 계산할 수 없었다. 본 연구에서는 비선형 상세 레이어 (Nonlinear mechanical detailed layered, NDL) 모델을 개발하고 NDL 모델을 기반으로 정확한 기계적 응답을 계산하여 열폭주 및 용량 손실 해석용 비선형구조-전기화학-열 연성해석 기법을 개발하였다. 이를 활용해 국제 표준에서 명시한 기계적 오용(Crush, Shock) 조건에서 열폭주 및 용량 손실을 성공적으로 해석하여 NDL 모델 기반으로 개발된 연성 해석 기법의 정확성과 실용적인 우수성을 나타냈다. NDL 모델은 LIB셀의 기계적 비선형 거동과 분리막 파손으로 인한 내부단락 매커니즘을 정확히 예측하기 위해 알루미늄 포일, 구리 포일, 분리막, 음극, 양극 레이어 갯수와 두께를 정확히 반영하여 상세 레이어로 구성하였다. 또한 변형 속도로 인한 경화 특성을 고려한 재료의 비선형성과 전극과 분리막의 이방성을 고려하여 분리막 파손으로 인한 내부단락을 정확히 예측하도록 했다. NDL 모델은 3가지 압입 시험에 의한 하중-변위 곡선, 내부단락 발생 순간 및 위치, 그리고 분리막 파손 형태를 시험 결과와 비교하여 정확히 검증되었다. NDL 모델을 활용해 기계적 하중에 의한 열폭주 현상을 분석하기 위해 내부단락으로 인한 전압강하, 온도상승을 동시에 해석할 수 있는 비선형 기계-전기화학-열 연성 해석 기법을 구현하였다. 전기화학 모델은 Randle circuit으로 구성되며 충전량에 따른 에너지 총량을 고려하였으며 방전과 내부단락에 따른 발열량을 계산하였다. 열 모델은 전기화학 모델에서 계산된 발열을 입력 받아 시간에 따른 온도를 계산하였다. 파우치 셀에 대한 구형 펀치 압입 시험과 기계적 반력, 전기적 전압, 전류, 그리고 시간에 따른 온도 변화 결과를 비교하여 제안된 연성 해석 기법을 검증하였다. 그리고 전기화학-열 모델만을 고려한 기존 설계 방법으로 용량 증가를 위해서 LIB셀 설계를 변경할 경우, Crush test 조건에서 열폭주 안전성이 확보되지 못함을 보였다. 이를 개선하기 위해 기존 설계 방법에서 추가로 열폭주 예측용 연성 해석 기법을 이용해 Crush test 조건에서 분리막 두께에 대한 파라메트릭 스터디를 수행하고 열폭주 안전성이 확보된 설계안 도출 과정을 보였다. 이를 통해 NDL 모델을 기반한 연성 해석 기법의 유용성을 확인하였다. LIB 분야에서 또 다른 문제인 용량 감소 현상을 분석하기 위해 shock test 조건에서 기계적 파손과 용량 감소를 해석할 수 있는 비선형 기계-전기화학-열 연성 해석 기법을 NDL모델을 기반으로 구현하였다. 전기자동차용으로 상용화된 60Ah 파우치 셀과 단면적은 동일하고 용량에 비례하여 길이를 증가시킨 가상의 대용량 파우치 셀 (120, 180, 240Ah)에 대해 국제 표준(UN.38.3.T4) 명시된 Shock test를 수행하였다. 셀은 길이가 증가할수록 집전판과 전극사이 박리 비율은 증가하였고 박리 비율이 높을수록 용량 손실이 증가되었다. 용량 손실 원인은 박리로 인한 분극 증가로 나타났다. 이에 대한 근거로 분극으로 인한 발열량이 용량 손실량과 일치함을 확인하고 HPPC 시험을 통해 분극 증가를 확인하였다. 이를 통해NDL 모델의 정확한 기계적 응답을 기반한 연성해석 기법의 유용성을 다시 한번 확인하였다. 본 연구에서 개발된 NDL 모델 기반 연성 해석 기법을 활용한다면 국제 규정과 표준에 명시된 기준을 만족하면서 목적에 맞는 LIB 최적 설계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 기술이 보편화 된다면 위험한 실험을 최소화하면서 안전한 LIB 제품 개발 기간을 단축하여 LIB 및 전기자동차 대중화에 기여할 수 있을 것이다.

고성능 칼륨 이온 배터리를 위한 멀티스케일 설계 시스템 개발

김수빈 국립한밭대학교 대학원 2025 국내석사

칼륨 이온 배터리는 풍부한 칼륨의 자원 , 낮은 산화환원 전위 , 그리고 작은 용매화 이온과 같은 장점으로 인해 리튬 부족 문제를 해결할 수 있는 유망한 대체재로 주목받고 있다 . 하지만 칼륨 이온의 큰 이온 반지름으로 인해 칼륨 이온의 삽입 및 탈리 과정에서 전극에 비가역적인 기계적 열화가 초래되어 낮은 전기화학적 성능을 갖는 한계점이 존재한다. 이러한 한계점을 극복하기 위해서는 칼륨 이온 배터리의 전기화학적-기계적 거동을 정확하게 해석하고, 이를 바탕으로 설계하는 것이 필수적이다. 기존 연구들은 칼륨 이온 배터리의 전극 재료 물성 조사에 초점을 맞춰왔지만, 칼륨 이온 농도를 고려하지 않아 칼륨 이온 배터리의 충/방전 과정 동안 변화하는 재료 물성을 조사할 수 없었다. 또한, 배터리의 정확한 전기화학적-기계적 거동 해석을 위한 멀티스케일 설계 시스템 개발 연구는 주로 리튬 이온 배터리에 초점을 맞춰왔으며, 칼륨 이온 배터리를 위한 멀티스케일 설계 시스템은 아직 보고된 바가 없다. 본 연구에서는 칼륨 이온 배터리를 대상으로 원자 수준 계산을 통해 재료 물성을 얻고 이를 이용하여 전극 수준의 전기화학적-기계적 거동까지 체계적으로 분석 할 수 있는 멀티스케일 설계 시스템을 제안한다. 밀도 범함수 이론을 통해 재료 물성을 조사하였고, 그 결과, 흑연 전극의 확산계수와 기계적 물성은 흑연 내 삽입된 칼륨 이온 농도에 크게 의존한다는 것을 확인하였다. 더 나아가, 이들을 전극 수준에서의 3D particle network model에 적용하여 칼륨 이온 배터리의 전기화학적-기계적 거동을 해석하였다. 그 결과, 멀티스케일 설계 시스템에 적용된 재료 물성의 칼륨 이온 농도 의존 여부에 따라 전기화학적-기계적 거동 해석 결과에 차이가 발생하였고, 이는 칼륨 이온 배터리의 정확한 전기화학적-기계적 거동 해석을 위해서는 칼륨 이온 농도에 따른 전극 재료 물성의 면밀한 분석이 중요하다는 것을 시사한다. 제안된 멀티스케일 설계 시스템은 원자 수준에서의 칼륨 이온 배터리의 전극 재료 물성부터 전극 수준에서의 칼륨 이온 배터리의 전기화학적-기계적 거동 해석까지의 포괄적인 이해를 제공하며, 고성능 칼륨 이온 배터리를 위한 이론적인 토대를 마련할 것이다.

다층 재료 모델을 이용한 고온용 엔진 부품의 열적 기계적 이력거동 및 수명 예측에 관한 연구

김상호 울산대학교 2010 국내박사

본 연구에서는 고온, 고압의 취약한 운전 조건에서 장시간 노출되어 작동하는 구조물의 피로수명을 예측하기 위하여, 간편하면서도 효과적인 재료상수의 결정 방법과 재료의 비선형 이력거동을 효과적으로 모사할 수 있는 재료모델의 검토 및 선정, 그리고 열적 기계적 하중을 겪고 있는 고온 구조물의 피로 수명을 평가할 수 있는 예측방법의 개발을 목표로 하였다. 먼저 기존 비탄성 구성식을 사용하여 열적 기계적 하중조건 하에서의 이력거동 예측을 수행에 필요한 복잡한 수치 해석과정을 배제하기 위하여, 여러 개의 완전 탄소성 요소를 이용한 다층 모델의 개념을 도입하였다. 이 과정에서 각 온도별 이력곡선의 형태로부터 직접 재료상수를 추출함으로써, 변온 해석을 위하여 일반적인 비탄성 구성식에서 요구되는 추가적인 내부 변수의 도입 및 온도에 대한 재료상수의 의존성에 따른 오차의 증폭 등의 문제점을 배제하였다. 다음으로 Morrow 피로 모델의 개념을 도입하여 연속적으로 피로 수명을 계산할 수 있는 손상 모델을 제안하였으며, 변온 상태로의 확장을 위하여 온도관련 정규화(Normalization) 인자인 온도 영향 계수(TIF : Temperature Influence Factor)를 적용하였다. 또한 이 과정에서 열적 기계적 피로 수명에 영향을 미칠 수 있는 영향인자(Influence Factor)가 고려된 열적 기계적 피로 수명식을 제안하였다. 마지막으로 본 논문에서 개발된 다층 모델과 피로 손상 모델을 실제 유한요소해석에 접목시키기 위하여 ABAQUS에서 제공하는 사용자 서브루틴인 UMAT을 개발하였으며, 등온 및 열적 기계적 하중 조건에서 수행된 해석과 시험 결과를 비교함으로써 개발된 UMAT의 효용성을 검증하였다. 또한 이를 이용하여 실제 자동차용 배기 매니폴드의 열 피로 해석을 수행함으로써, 일반적인 고온 구조물의 정량적 수명 예측을 위한 적용 가능성을 검토하였다.