CO₂와 H₂를 함유하는 질화열처리에 관한 연구

최윤종 인하대학교 공학대학원 2010 국내석사

가스질화열처리가 준비된 6가지의 강재 시편으로 열처리 대상물을 열처리하는 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 이산화탄소(CO₂) 및 수소가스(H₂)의 분위기 가스를 혼합하여 추입한 시편의 표면경도로부터 중심부까지의 경도측정, 부식 후 화합물층의 특성에 대하여 조사하였다. 경도측정은 마이크로 비커스 경도기를 이용하였고, 화합물층의 분석 및 조직의 사진을 얻기 위해 질산부식액을 사용하였고, 화합물층의 확인은 주사전자 현미경(SEM)을 사용하였다. 상기와 같은 열처리방법에서 추입된 가스가 열처리 반응이 완료된 후 준비된 6가지의 강재 모두 기존의 가스질화열처리와는 비교 할 수 있도록 CO₂가스와 H₂가스를 첨가함으로써 경도가 상승하는 효과를 보았다. 또한, 열처리 대상물 표면에 질화층을 형성시켜 산화를 방지하는 것이 관찰되었고, 경화층의 경도가 높아진 것이 관찰되었다. 상기와 같은 열처리방법에 의하면, 가영반응실내로 H₂가스와 Co₂가스를 첨가하여 산화층이 형성되는 것을 방지함으로써, 열처리 대상물의 부식을 방지할 수 있는 장점이 있고 표면경도를 상승시키는 효과가 있었다.

열처리 조건별 동복 알루미늄 선재의 딥러닝 기반 전기전도도 예측 모델 개발

김현준 부산대학교 대학원 2026 국내석사

동복 알루미늄 선재(Copper-Clad Aluminum wires, CCAWs)는 알루미늄 봉재(Rod)에 구리로 클래딩(Cladding)한 복합 도체이다. 열처리 과정에서 Cu-Al 계면을 따라 금속간화합물(Intermetallic Compounds, IMCs)이 형성되며, 이러한 상들은 복합재의 전기전도도를 결정하는데 핵심적인 역할을 한다. 본 연구에서는 딥러닝 기반 접근을 통해 다양한 열처리 조건에서 동복 알루미늄 선재의 전기전도도를 예측하고자 한다. 이를 위해, 열처리 조건을 입력으로 IMC 이미지를 생성하는 조건부 이미지 생성 모델과, 생성된 이미지를 입력으로 전기전도도를 예측하는 모델을 결합하여, 열처리 조건이 IMC 형성에 미치는 영향과 그에 따른 전기전도도 변화를 연계적으로 학습하였다. 동복 알루미늄 선재는 다섯 가지 열처리 온도와 다섯 가지 유지 시간 조건에서 열처리하였으며, 각 조건별로 선재의 단면을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)으로 관찰하고, 4단자법(four-point probe)을 이용하여 전기전도도를 측정하였다. 열처리 조건에 따른 금속간화합물과 전기전도도 사이의 상관관계를 정량적으로 분석하였으며, 얻어진 SEM 이미지는 열처리 조건과 함께 조건부(conditional) StyleGAN2-ADA 모델 학습에 사용 하였다. 또한, IMC 이미지와 대응하는 전기전도도 값을 함께 활용하여 ResNet-50 기반 합성곱 신경망 회귀 모델을 학습하고, 전기전도도 예측에 사용하였다. 그 결과, StyleGAN2-ADA는 열처리 온도 및 시간이 증가함에 따라 IMC가 두꺼워지는 경향을 재현하였다. 또한 테스트 데이터셋의 SEM 이미지와의 정량 비교에서 높은 유사도를 보였으며(R^2= 92.92%, SSIM = 71.17%), IMC 면적분율은 2.71% 오차로 재현하였다. ResNet-50 회귀 모델은 높은 예측 정확도를 달성했으며(test R^2= 96.10%), 열처리 조건 변화에 따른 전기전도도 변화를 정량적으로 예측할 수 있음을 확인하였다. Grad-CAM 시각화 결과, 예측에 기여하는 활성화는 IMC 층 자체보다 외부 영역인 Cu와 Al 모재 영역에 강하게 집중되었다. 이는 전류가 고전도 경로인 Cu와 Al을 통해 흐르고, IMC가 성장함에 따라 전류가 흐르는 면적이 감소하고 전체 저항이 증가하는 결과와 일치한다. Copper-clad aluminum wires (CCAWs) are composite conductors in which copper is clad onto an aluminum rod. During heat treatment, intermetallic compounds (IMCs) form along the Cu–Al interface, and these phases play a critical role in determining the electrical conductivity of the composite. In this study, we aim to predict the electrical conductivity of CCAWs under various heat-treatment conditions using a deep learning-based approach. To this end, we jointly trained a conditional image generation model that synthesizes IMC images from heat-treatment conditions and a prediction model that estimates electrical conductivity from the generated images, thereby learning the coupled relationship between heat-treatment conditions, IMC evolution, and conductivity changes. CCAW were heat-treated at five temperatures and five holding times. For each condition, cross-sectional surfaces were observed using scanning electron microscopy (SEM), and electrical conductivity was measured using the four-point probe method. The correlation between IMC formation and electrical conductivity as a function of heat-treatment conditions was quantitatively analyzed, and the acquired SEM images were used to train a conditional StyleGAN2-ADA model together with the corresponding heat-treatment conditions. In addition, a ResNet-50-based convolutional neural network regressor was trained using the IMC images and their paired electrical conductivity values, and then used for conductivity prediction. As a result, StyleGAN2-ADA reproduced the tendency of IMC thickening with increasing heat-treatment temperature and holding time. Quantitative comparisons with SEM images in the test dataset demonstrated high similarity (92.92% and 71.17%), and the IMC area fraction was reproduced with an error of 2.71%. The ResNet-50 regressor achieved high predictive accuracy (test R² = 0.9610), confirming that it can quantitatively predict conductivity variations induced by changes in heat-treatment conditions. Grad-CAM visualization further indicated that the most influential activations for prediction were concentrated more strongly in the surrounding Cu and Al matrix regions than within the IMC layer itself. This observation is consistent with the notion that electrical current preferentially flows through the highly conductive Cu and Al regions, while IMC growth effectively reduces the current-carrying cross-sectional area and increases the overall resistance.

금속 열처리 기기 구매요인의 우선순위에 관한 실증연구 : AHP 평가모형을 기반으로

김승현 경희대학교 경영대학원 2022 국내석사

금속 열처리는 선사시대부터 인류에게 무기, 농기구, 활자 그리고 현재에는 자동차부터 반도체와 우주항공산업까지 모든 산업에서 우리 생활에 밀접하고 아주 중요한 산업중에 하나이다. 그러나 시대적 변화에 따라 에너지 절감의 사회적 요구와 인력의 노령화, 장비의 노후화, 양극화 되어 있는 업체의 기술적 수준등 어려운 현실임에도 불구하고 열처리 기술이나 신소재 관련 연구는 활발한 반면에 금속 열처리 장비 구매요인 분석이나 금속 열처리 장비 구매 시장의 시대적 변화 또는 요구에 관련된 연구는 전무한 실정이다. 그리고 정부의 6대 뿌리산업 지원정책과 스마트 공장 추진정책, 환경오염과 에너지 절감등 다양한 사회적 요구에 금속 열처리 업체는 장비 구매시에 예전과는 다른 환경적, 사회적 요구가 늘어나고 있는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 금속 열처리 기기 구매시장에서 장비를 구매하는 고객을 대상으로 AHP 평가 모형연구를 활용하여 우선순위에 관한 실증연구를 진행하였다. 그 결과 대항목에서는 서비스보다 품질이 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그리고 중항목에서는 제품 품질, 판매자 서비스, 상품 서비스, 관리 품질 순으로 나타났고 소항목은 전문성, 사용용이성, 내구성, 신뢰성, 안전성, 정확성, 신속성, 가격, 납기, 조직, 교육, 인증, 운전비용, 평판, 디자인 순으로 나타났다. 핵심어 : 금속 열처리 기기, 구매요인, 우선순위, AHP 평가모형 Metal heat treatment is one of the most important and closely related to our lives in all industries from prehistoric times to mankind, from weapons, agricultural tools, printing presses, and now, from automobiles to semiconductors and aerospace industries. However, despite the difficult reality such as social demands for energy saving, aging of manpower, aging of equipment, and the technological level of companies that are polarized according to the changes of the times, research on heat treatment technology and new materials is active, while analysis of purchase factors for metal heat treatment equipment and metal There is no research related to the change or demand of the heat treatment equipment purchase market. In response to various social demands such as the government's six major root industries support policy, smart factory promotion policy, environmental pollution and energy saving, metal heat treatment companies are in a situation where different environmental and social demands are increasing when purchasing equipment. Therefore, in this study, an empirical study was conducted on priorities by using the AHP evaluation model study for customers who purchase equipment in the metal heat treatment equipment purchase market. As a result, it was found that quality had a greater influence than service in large items. And in the middle category, product quality, seller service, product service, and management quality appeared in the order, and the sub-items were professionalism, ease of use, durability, reliability, safety, accuracy, promptness, price, delivery date, organization, training, certification, operation cost, and reputation, followed by design.

고탄소강(SAE1050)의 고주파 열처리 인자에 따른 변형량 연구

이상엽 부산대학교 대학원 2025 국내석사

최근 자동차 부품의 경량화와 정밀성 요구가 증가함에 따라 표면경화 열처리 기술의 중요성이 부각 되고 있다. 본 연구에서는 고탄소강(SAE1050)을 소재로 하는 Disk C/G outer race 제품의 열처리 변형량이 적은 최적의 열처리 조건을 찾기 위해서 고주파 유도가열 열처리 인자에 따른 변형량, 표면 경도, 유효 경화층 깊이, 금속 미세조직의 변화를 분석하였다. 실험은 고주파 출력(50kW, 60kW, 70kW)과 하강 이송 속도(3.5mm/sec, 6.0mm/sec, 8.5mm/sec)를 주요 인자로 설정하여 진행하였으며, 열처리된 제품의 표면 경도, 유효 경화층 깊이, 미세조직 및 치수 변형량을 평가하였다. 연구 결과, 고주파 유도가열 출력이 증가할수록 표면 경도와 유효 경화층 깊이가 증가하였으며, 표면 경도는 탄소량에 따른 최고 경도가 나온 이후 상승하지는 않았다. 하강 이송 속도가 느릴수록 깊은 경화층과 높은 경도를 얻을 수 있었다. 또한, 변형량은 고주파 출력 및 하강 이송 속도에 따라 가열 열량이 작을 때는 내면 부 치수가 줄어들고 열량이 커질수록 치수도 커지는 경향을 보였다. 열처리 변형이 작은 최적의 열처리 조건은 고주파 출력 60kW, 하강 이송 속도 6mm/sec로 도출할 수 있었으며, 이 조건에서 표면 경도는 HRC 63.5, 유효 경화층 깊이는 2.15mm, 변형량 0.005mm를 기록하였다. 본 연구는 Disk C/G outer race 제품의 고주파 유도가열 열처리 공정 개선 및 유사 제품 개발 시 유용한 데이터를 제공하며, 열처리 기술의 정밀성과 효율성 향상에 도움이 될 수 있을 것이다.

이온성 고분자 금속 복합물 액추에이터의 열처리 효과 및 그리퍼 응용에 관한 연구

김동익 단국대학교 대학원 2011 국내석사

열처리 과정을 사용하여, 다양한 형상의 이온성 고분자 금속 복합물 액추에이터를 제작할 수 있는 공정 방법을 제안하였다. 일반적인 이온성 고분자 금속 복합물 액추에이터는 발생력이 작고, 다양한 형상으로 제작하는 것이 어렵운 단점을 갖고 있다. 하지만 이온성 고분자 금속 복합물 액추에이터를 열처리 공정 방법을 이용하여 다양한 형상을 갖게 제작하게 되면 성형된 모양에 따라 복원력과 전압인가로 발생되는 발생력이 추가되기 때문에 발생력이 작은 이온성 고분자 금속 복합물 액추에이터의 단점을 개선할 수 있으며 다양한 형상으로 제작이 가능해진다. 또한 열처리 공정 방법을 통하여 액추에이터에 열처리 공정을 진행하여도 이온성 고분자 금속 복합물 액추에이터의 기본적인 특성에는 변화 없이 그대로 유지할 수 있다. 기존의 이온성 고분자 금속 복합물 액추에이터는 액추에이터의 제작 후 필요에 따라 개별적인 액추에이터로 잘라서 사용하기 때문에 시편으로의 활용에 사용되었던 반면에 열처리 공정 방법을 이용하여 제작한 성형된 형상을 갖는 이온성 고분자 금속 복합물 액추에이터는 다양한 형태로 액추에이터를 제작하는 것이 가능하기 때문에 여러 분야의 응용이 가능할 것으로 판단된다. 본 논문에서는 이와 같은 내용을 실험적으로 확인하였으며 열처리 공정을 이용하여 제작한 형상을 갖는 이온성 고분자 금속 복합물 액추에이터의 특성을 측정하여 기존의 액추에이터의 특성은 그대로 유지하면서 개선된 발생력을 갖고 이를 이용하여 그리퍼로의 응용이 가능하다는 것을 실험적으로 입증하였다. Ionic Polymer Metal Composite(IPMC) is a soft actuator with potential applications in the fields of medicine and biologically inspired robots because it has soft properties and can be operated in wet condition. This paper propose a new method to fabricate the Ionic Polymer Metal Composite(IPMC) actuator, which can actuate various forms. The IPMC actuator is small tip force and difficult to fabricate with various shapes. This paper used thermal treatment method that can fabricate IPMC actuator with various shapes. This paper proposes a simple thermal treatment process that can fabricate IPMC actuator with 3-dimensional form, which means various complicated shapes are possible. The fabricated heated IPMC actuators have been characterized and compared with unheated actuator. Various heated IPMC actuators have been fabricated by the proposed thermal treatment method and the characteristics of heated IPMC actuator have been measured. The measured characterisrics of the fabricated heated IPMC actuator show the possibility applications for gripper where complicated actuators are required.

열처리 온도에 따른 TOPCon 후면 P doped poly-Si 의 도펀트 활성화 및 비활성화 매커니즘 연구

심서우 충북대학교 일반대학원 2025 국내석사

터널 산화막 패시베이션 접촉(TOPCon, Tunnel Oxide Passivated Contact) 태양전지는 후면 다결정 실리콘(poly-Si, polycrystalline silicon)과 결정질 실 리콘(c-Si, crystalline silicon) 사이에 얇은 두께(∼1.5nm)의 실리콘 산화막 (SiOx, silicon oxide)을 성장시킨 구조를 갖는다. 얇은 두께의 터널 실리콘 산 화막은 전자와 정공의 비대칭적인 터널링 효과로 정공에 비해 전자에 대한 낮 은 터널 장벽과 작은 유효 질량으로 전자의 높은 선택적 수집 확률을 보인다. 본 연구에서는 TOPCon 태양전지의 후면 구조의 패시베이션 특성이 전면 공정 온도에서 저하되는 것을 확인하여 이를 극복하기 위해 두 공정 사이에 추가적인 열처리 공정을 도입하였고, 패시베이션 특성 변화와 메커니즘에 대 한 연구를 진행하였다. 열처리 온도에 따른 패시베이션 특성을 확인하였을 때, 도핑이 완료된 상태에서의 양면 후면구조의 패시베이션 특성이 600°C 열처리 온도에서 감소하는 모습을 보였고 800°C 열처리 온도에서 회복되는 모습을 보였다. 전체적인 인(phosphorus. P) 농도는 열처리 온도에 상관없이 유사한 값을 보였지만 활성화된 인 농도는 열처리 온도에 따라 변화하는 것을 확인하 였다. 반면, 활성화된 인 도펀트(dopant)의 농도를 확인해 본 결과, as-grown 상태에 비해서 600°C 열처리 온도에서 감소하는 모습을 보였고 800°C 열처리 온도에서 다시 증가하는 모습을 보였다. 이는 열처리 온도에 따라 인 도펀트 가 활성화되는 양이 달라지는 것을 의미한다. TEM(Transmission Electron Microscope)과 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)을 통해 다결정 실리콘의 미시적 구조와 인 도펀트의 분 포를 확인해 본 결과, 600°C 열처리 온도에서는 인 도펀트가 다결정 실리콘 결정립계(grain boundary)에서 농도가 높아진 모습을 보였고 800°C 열처리 온 도에서는 인 도펀트가 다결정 실리콘 영역 전체에 걸쳐 고르게 확산된 모습을 보였다. 이는 결정립계의 폭의 변화와 밀접한 관계를 가짐을 보인다. 따라서 온도에 따른 패시베이션 특성 변화는 다결정 실리콘 결정립계에서 인 도펀트 의 집적으로 인한 활성화 및 비활성화 현상에 기인하는 것으로 판단된다. 본 논문에서는 열처리 온도에 따른 다결정 실리콘에서의 인 도펀트 활성화 및 비활성화가 태양전지 패시베이션 특성에 미치는 영향과 메커니즘에 대해서 소개하고자 한다. 주요어(Key words) : 터널 산화막 접촉 태양전지(TOPCon Solar Cell), 다결 정 실리콘(poly-Si), 열처리, 패시베이션, 인, 도펀트 활성화 Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon) solar cells have a sandwiched thin silicon oxide (SiOx) layer (∼1.5 nm) between the rear polycrystalline silicon (poly-Si) and crystalline silicon (c-Si) substrate. This thin tunnel oxide provides asymmetric tunnl barriers for electrons and holes, resulting in a lower tunnel barrier and smaller effective mass for electrons compared to holes. As a result, the carrier selectivity of electrons is enhanced. In this study, we found that the rear-side passivation quality of TOPCon solar cells decreased at the front side passivation process. To address this issue, we introduced an additional annealing step between the rear and front processes and investigated the changes of passivation quality at different temperatures and underlying mechanism of passivation. The passivation quality of the rear-side structure decreased after annealing at 600°C and was recovered to a level comparable to that of the as-grown state after annealing at 800°C. The total phosphorus(P) concentration remained nearly constant regardless of annealing temperature, but the electrically active P concentration changed depending on annealing temperature. Specifically, the activated P concentration decreased at 600°C compared to the as-grown state and increased again at 800°C. This result indicates that the amount of electrically active P dopants depends on the annealing temperature. Transmission electron microscopy(TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis showed that, at 600°C, the accumulation of P dopants at the grain boundaries of the poly-Si layer leads to their electrical deactivation. In contrast, after annealing at 800°C, the P dopants were more evenly distributed throughout the polycrystalline silicon region. We consider this phenomena is closely associated with the modulation of grain boundary width at different annealing temperature. Thus, temperature-dependent changes in passivation quality are originated from the activation and deactivation of phosphorus dopants due to their redistribution at grain boundaries in the poly-Si. This dissertation presents the effects and mechanisms of P dopant activation and deactivation in poly-Si according to annealing temperature, and their impact on the passivation properties of TOPCon solar cells. Key word : Tunnel Oxide Contact Solar Cell, Polycrystalline Silicon, Annealing, Passivation, Phosphorus, Dopant activation * A thesis for the degree of Master in August 2025.

열처리 공정의 생산스케줄 수립과 적용에 관한 연구

최민철 동아대학교 대학원 2009 국내박사

본 연구는 선박엔진이나 풍력발전에 들어가는 대형 단조공정에서 열처리 공정의 생산스케줄 수립과 적용을 위한 연구이다. 처리능력(capacity)이 다른 여러 대의 열처리로에 열처리 시간, 무게, 주문량이 각기 다른 제품들을 어떻게 조합하여 열처리로에 투입하느냐에 따라 전체 작업완료시간이 달라진다. 열처리 공정에서의 운영개선은 전체 생산시스템의 생산성을 증가시킨다. 그러나 제품을 열처리로에 투입하는 문제는 조합문제(combinatorial problem)로서 NP-hard 문제로 알려져 있다. 실제 현장에서도 작업자의 경험에 의존하여 열처리로에 제품투입 일정을 수립하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 전체 작업완료시간을 최소로 하는 제품투입 일정계획 문제를 수리모형으로 수립하고 그 적합성을 검증하였다. 그리고 사례기업에 네 가지 방법으로 적용하여 그 결과를 비교해 보았다. 문제가 작은 경우에는 최적해(optimal solution)로 일정계획을 수립하였고, 문제가 큰 경우에는 최적해에 근접한 실행가능해(feasible solution)를 찾았으며, 이때의 실행가능해가 최적해에 매우 근접해 있음을 설명하였다. 실험에서 해(solution)의 도출을 위해 ILOG OPL Studio 5.5를 사용하였다. 추가적으로 연구를 확대하여 다음의 두 문제에 대한 의사결정 기준을 제시하였다. 첫째, 신규주문이 발생했을 때 고객이 요구하는 납기 안에 제품의 생산을 완료할 수 있는지 처리능력을 판단해야 한다. 이는 전체 작업완료시간을 최소로 하는 수리모형으로 그 기준을 제시할 수 있었다. 둘째, 열처리 공정에서 주된 비용은 가스사용과 관련된 비용이다. 따라서 계획기간(Planning Horizon) 안에 주어진 제품을 처리하되, 가스사용량을 최소로 하는 일정계획을 수립하는 것이 중요하다. 이를 위해서 수정된 수리모형을 제시하였고, 그 결과 가스사용량을 줄이는 일정계획을 수립할 수 있었다. 또한 추가실험을 통해서 여유시간이 늘어날수록 가스사용량이 지속적으로 감소하는 것이 아니라 일정 범위 내에서만 감소함을 알 수 있었다. 본 논문은 열처리 공정에서 일정계획 수립을 작업자가 과학적으로 수립하고 적용할 수 있는 방법과 열처리 공정과 관련된 의사결정 문제의 판단 기준을 제시할 수 있었다.

실린더形 容器體(AISI 4140)의 機械的 特性에 미치는 열처리 스케일의 影響 硏究

權宅萬 한밭大學校 産業大學院 2011 국내석사

국 문 요 약 실린더形 容器體(AISI 4140)의 機械的 特性에 미치는 열처리 스케일의 影響 硏究 논문제출자 권 택 만 지 도 교 수 조 덕 호 금속재료는 기계가공 후 열처리를 통해서 원하는 기계적 성질을 얻은 후에야 목적에 맞게 사용할 수 있다. 금속재질의 종류가 많은 만큼 열처리 방법도 다양하다. 군에서 사용되고 있는 탄약은 전투의 승패와 직결되므로 신뢰성과 안전성을 확보하기 위해 탄체는 우수한 기계적 성질을 가져야 한다. 따라서 이러한 기계적 성질을 확보하기 위해 적절한 열처리 방법을 적용하는 것이 중요하다. 초기에 생산된 탄체는 열처리 후 항복강도의 요구수준을 만족하지 못하여 여러 가지 열처리 방법을 적용하여 이러한 현상을 개선하고자 하였다. 열처리 후 항복강도 저하의 원인은 Quenching시 Martensite 변태 부족으로 인한 Bainite 형성으로 밝혀졌다. 따라서 요구수준의 항복강도를 확보하기 위한 Martensite 변태를 위해 열처리 조건, 냉각방법, 열처리시 탄체 표면산화 등에 대해 연구하였다. 열처리 조건에 대한 연구로는 Austenite의 입도와 항복강도의 상관관계를 규명하기 위해 가열온도 및 가열 후 유지시간 조건을 연구하였으나 항복강도 저하의 원인을 찾지 못하였다. 냉각방법에 의한 영향을 규명하기 위해 냉각욕조 장입 방법을 수직장입과 수평장입으로 구분하여 항복강도 변화 양상을 조사하였다. 수평장입 시 탄체 원주의 상부에서 냉각유의 와류 발생으로 인한 냉각속도 저하로 산화 Scale이 생성되고 이 산화 Scale은 또 다시 냉각속도를 늦추는 것으로 나타났다. 표면산화 Scale에 의한 냉각속도 저하가 Martensite 변태를 방해한 것이다. 산화 Scale은 탄체 가열시 또는 냉각 초기 단계에 생성되어 냉각유와 탄체간의 열 흐름을 단절시켜 탄체의 냉각속도 저하에 따른 Martensite 변태를 지연시켰다. 탄체표면의 산화 Scale 형성을 방지하기 위하여 탄체 표면에 산화방지제를 도포하여 Scale 발생량을 줄인 결과 탄체의 기계적 성질은 요구수준을 만족하였다. 따라서 열처리 시 탄체표면의 산화 Scale 발생을 최소화할 수 있는 가열온도와 유지시간을 설정하였다.

열전달 모델을 이용한 가열처리 점토지반의 지지력 평가

이영진 대진대학교 대학원 2026 국내박사

가열처리를 통해 점토지반을 개량하는 방법은 점토의 강도 증진과 압축성 및 팽창성 감소 효과를 기대할 수 있다. 가열처리 점토지반의 가장 큰 특징은 열전달 과정을 통해 개량 효과를 유도한다는 점이다. 따라서 가열처리 점토지반의 설계를 위해서는 열전달 거동을 정밀하게 예측할 수 있는 해석기법이 필수적이다. 지반은 다공성 매질로서 가열 시 수분의 이동 및 증발로 인해 함수비가 감소한다. 이때 지반을 구성하는 흙입자, 간극수, 공기는 각각 상이한 열전달 특성을 가지므로 각 요소의 구성비율이 달라지는 경우에는 지반의 복합적인 열전달 특성도 변화하게 된다. 따라서, 지반은 간극수가 증발할 정도의 고온 조건에서 여타의 고체 재료와는 상이한 열전달 거동을 보일 수 있다. 이에 본 연구는 이상화된 모형지반에 대하여 선행압밀압력(5kPa, 10kPa, 20kPa)과 초기온도(10℃, 15℃, 20℃) 조건을 달리하여 총 9개 케이스의 실내실험을 실시하였다. 실내실험시에는 시간에 따른 온도와 더불어 함수비, 콘관입 저항치를 각각 측정하였으며 이에 대한 분석을 수행하였다. 또한, 본 연구에서는 점토지반의 열적 특성인 열전도율, 물리적 특성인 함수비, 그리고 역학적 특성인 콘관입 저항치를 각각 회귀분석하여 가장 적합도가 높은 상관관계를 찾아내었다. 실내실험을 통해 찾아낸 공학적 특성의 회귀분석 결과는 기존에 사용되어온 열전달 모델을 수정하는데 이용하였다. 이때 수정 열전달 모델에서는 기존 열전달 모델과 달리 고온조건에서 함수비 변화가 계산되도록 함수비 감소 모델을 개발하였다. 그리고 열적 특성인 열전도율과 열용량이 함수비 감소 모델에 의존하여 시간에 따라 변할 수 있도록 열전도율 감소 모델과 열용량 감소 모델을 개발하였다. 시간에 따른 온도 변화는 점토지반의 강도를 변화시키므로 이를 고려하기 위해 점토지반의 온도 의존성을 갖는 강도 증가 모델을 개발하였다. 수분은 증발하는 경우 잠열효과에 의해 주변 온도를 감소시킨다. 따라서, 함수비 감소 모델에 의존하여 잠열에 의한 온도 감소가 이루어질수 있도록 기존 열전달 모델을 수정 보완하였다. 본 연구에서 수정된 지반 열전달 모델은 프로그래밍 언어를 이용하여 프로그램으로 정식화하였다. 이때 좌표계는 가열처리 점토지반의 열전달 형태를 고려하여 원통형 좌표계를 적용하였으며, 수치해석 기법은 유한차분법과 양해법을 이용하였다. 또한, 수치해석시에는 쿠랑 프리드리히 루이 조건을 검토하여 해석 결과에 대한 안정성을 판단할 수 있도록 하였다. 개발된 프로그램은 GeoHeat 2026이라고 명명하였으며 민감도 분석을 통해 입력데이터 적용 방안을 검토하였다. 끝으로는 상용 프로그램 및 실내실험에 의한 결과를 비교하여 통해 프로그램 코딩 및 개발 모델에 대한 적정성을 검증하였다. 가열처리 점토지반에 대한 설계는 GeoHeat 2026 프로그램을 이용하여 초기 점토층 개량깊이(2m, 4m, 6m, 8m, 10m)와 선행압밀압력(5kPa, 10kPa, 20kPa) 조건을 달리한 총 30개 수치해석 결과를 이용하여 수행하였다. 수치해석 결과는 시간 및 히터 중심과의 거리에 따른 온도, 함수비, 강도를 측정하였으며, 이를 통해 점토지반의 가열시간 및 개량깊이, 개량체의 직경 및 일축압축강도, 가열처리 점토지반의 비배수 전단강도를 산정하였다. 가열처리 점토지반의 지지력은 지반응력 해석과 지지력 공식을 이용하여 산정하였다. 이때 지반응력 해석시에는 평판재하시험과 유사한 조건을 모델링하였으며 해석 케이스는 개량간격비(1.0D, 1.1D, 1.2D, 1.3D, 1.5D, 1.7D, 2.0D)와 선행압밀압력(5kPa, 10kPa, 20kPa) 조건을 달리하여 총 24개 케이스를 적용하였다. 가열처리 점토지반의 지지력은 원지반 대비 지지력 증가비를 산정하여 지지력의 개선 정도를 평가하였으며, 최종적으로는 개량간격을 산정하기 위한 경험식을 제안하였다. 열전달 모형실험 결과 점토지반의 유효 열전도율은 기하평균 모델을 잘 따르는 것으로 나타났다. 점토지반의 함수비는 평균온도와 함수비 감소율의 관계에서 높은 적합도를 보였으며, 이때 적용한 회귀분석 결과는 물의 증발에 기여하는 온도에 대한 의존성과 시간에 대한 의존성이 모두 적절하게 반영된 것으로 평가되었다. 점토지반의 콘관입 저항치는 온도변화비와 콘관입 저항치 증가비의 관계에서 높은 적합도를 보였으며 이때 선행압밀압력별 각 기울기를 초기 함수비에 대하여 다시 회귀분석하였다. 회귀 분석 결과는 가열처리 점토지반의 강도에 대하여 시간 의존성을 고려하지 못하지만 온도 의존성은 적절하게 반영하는 것으로 평가되었다. 모형실험 결과를 바탕으로 개발된 열전달 해석 프로그램은 민감도 분석 결과 초기 함수비 및 일축압축강도 변화에 높은 민감도를 보이는 것으로 나타났다. 또한 적정성 검증 결과 실내실험 결과와 유사한 경향을 나타내므로 실제 지반의 열전달 거동을 잘 반영하는 것으로 평가되었다. 가열처리 점토지반의 적정 가열시간은 3일, 6일, 8일, 11일, 13일이며 이때 기대할 수 있는 개량체의 직경은 각각 420mm, 620mm, 820mm, 820mm, 1,020mm인 것으로 나타났다. 또한, 개량체의 함수비는 0%로 완전히 증발되어 안정적인 개량이 이루어지는 것으로 나타났다. 또한, 가열처리 점토지반의 개량깊이는 4m보다 증가할 경우 개량 효율이 저하될 수 있으므로 개량깊이를 4m이하로 관리할 필요가 있는 것으로 검토되었다. 가열처리 점토지반의 지지력은 개량간격에 따라서 상이해지지만 개량체의 직경과 개량간격의 비가 2.0D인 경우 3.25~3.93배, 1.0D인 경우 8.63~11.33배까지 지지력 증가를 기대할 수 있는 것으로 나타났다. 가열처리 점토지반의 개량간격은 목표로 하는 허용지지력에 대하여 본 연구에서 제안한 경험식을 통해 산정할 수 있으며 가열시간 3일의 경우 238mm~1,158mm, 가열시간 6일의 경우 351mm~1,709mm, 가열시간 8일~11일의 경우 465mm~2,261mm, 가열시간 13일의 경우 578mm~2,812mm의 범위에서 적용할 수 있는 것으로 산정되었다. 본 연구의 결과는 가열처리 점토지반에 대해 보다 정량적이고 체계적인 설계 매뉴얼을 제시하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 GeoHeat 2026 프로그램은 고온 환경에서 지반의 공학적 특성 변화를 반영할 수 있다는 장점을 지닌다. 따라서 향후에는 가열처리 점토지반뿐 아니라 지열 발전, 에너지 파일, 지하 저장고, 원자력 발전소 등의 다양한 분야에서도 충분히 활용될 수 있을 것으로 기대된다. Thermal stabilization of clayey soil has been applied in field projects in Romania, Russia, and Japan, particularly for clay deposits with potential for ceramicization. thermally stabilized clayey soil can improve strength while reducing compressibility and expansibility. The most distinctive feature of thermally stabilized clayey soil is that the ground improvement effect is achieved through heat transfer. Therefore, accurately predicting heat transfer behavior is essential for designing thermally stabilized clayey soil systems. As a porous medium, soil exhibits a reduction in water content when heated due to moisture migration and evaporation. Since soil particles, pore water, and air each have distinct thermal properties, changes in their volumetric fractions lead to variations in the overall thermal conductivity of the soil. Consequently, under high-temperature conditions sufficient to evaporate pore water, soil demonstrates heat transfer behavior different from that of ordinary solid materials. This study conducted nine laboratory experiment cases by varying the preconsolidation pressure(5kPa, 10kPa, 20kPa) and initial temperature (10℃, 15℃, 20℃) on an idealized model soil. During the laboratory experiments, temperature, water content, and cone penetration resistance were measured over time. The experiment results were analyzed with respect to time, distance from the center of the experiment tank, preconsolidation pressure, and initial temperature. Regression analyses were then performed to identify the best-fit correlations between thermal properties(thermal conductivity), physical properties(water content), and mechanical properties(cone penetration resistance). The regression models derived from the experimental results were used to modify the conventional heat transfer model. A new water content reduction model was developed to account for moisture loss at high temperatures. Thermal conductivity and heat capacity were modeled as functions of water content, allowing them to vary over time. Since temperature changes affect the strength of clayey soil, a strength enhancement model incorporating temperature dependency was introduced. In addition, the latent heat effect caused by moisture evaporation was integrated into the heat transfer model to capture temperature reduction associated with evaporation. The modified heat transfer model was implemented into a numerical analysis program using a cylindrical coordinate system to reflect the heat transfer geometry of thermally stabilized clayey soil. A finite difference method with an implicit scheme was applied, and the Courant–Friedrichs–Lewy(CFL) condition was verified to ensure stability. The developed program, named GeoHeat 2026, was validated through sensitivity analyses and comparisons with commercial software and laboratory experiment results. For design applications, GeoHeat 2026 was used to perform 30 numerical analyses with varying initial treatment depths(2m, 4m, 6m, 8m, 10m) and preconsolidation pressures (5kPa, 10kPa, 20kPa). Temperature, water content, and strength were evaluated with respect to time and radial distance from the heater. From these results, heating time, improvement depth, improvement body diameter, unconfined compressive strength, and undrained shear strength of the treated soil were derived. The bearing capacity of thermally stabilized clayey soil was estimated through finite element method and conventional bearing capacity equations. The analysis modeled plate loading experiment conditions, and 24 cases were performed by varying the improvement spacing ratio (1.0D, 1.1D, 1.2D, 1.3D, 1.5D, 1.7D, 2.0D) and preconsolidation pressure (5kPa, 10kPa, 20kPa). The improvement effect was evaluated using the bearing capacity ratio compared to untreated soil, and an empirical equation was proposed to estimate appropriate improvement spacing. The heat transfer model experiment results indicated that the effective thermal conductivity of clayey soil followed the geometric mean model well. Water content showed high correlation with average temperature and reduction rate, with the regression analysis confirming that both temperature and time dependencies were appropriately represented. The cone penetration resistance exhibited a strong correlation with temperature ratio, and regression analyses were conducted for each preconsolidation pressure against initial water content. Although the regression model did not fully capture time dependency, it effectively reflected temperature effects on strength. Sensitivity analysis revealed that the developed heat transfer program was highly sensitive to initial water content and unconfined compressive strength. The validation results showed good agreement with laboratory experiments, indicating that the program accurately represents the thermal behavior of real soil. The optimum heating durations for thermally stabilized clayey soil were found to be approximately 3days, 6days, 8days, 11days and 13days, resulting in improvement body diameters of approximately 420mm, 620mm, 820mm, 820mm, and 1,020mm, respectively. The water content of the improvement body was reduced to nearly zero, achieving stable improvement. It was found that increasing the treatment depth beyond 4m reduced the improvement efficiency, suggesting that the depth should be managed within 4m. The bearing capacity of thermally stabilized clayey soil increased depending on the improvement spacing. When the ratio of treated diameter to spacing was 2.0D, the bearing capacity increased by 3.25 times–3.93 times, and by 8.63 times–11.33 times when the ratio was 1.0D. The applicable improvement spacing corresponding to the target allowable bearing capacity can be determined using the empirical equation proposed in this study. Based on this equation, the spacing ranges from 238mm–1,158mm for 3days of heating, 351mm–1,709mm for 6days, 465mm–2,261mm for 8day–11days, and 578mm–2,812mm for 13days of heating. The findings of this study are expected to contribute to establishing a more quantitative and systematic design manual for thermally stabilized clayey soil. In addition, the GeoHeat 2026 program has the advantage of being able to incorporate the changes in geotechnical properties that occur under high-temperature conditions. Therefore, it is anticipated that the proposed approach can be effectively utilized not only for thermally stabilized clayey soil but also in various fields such as geothermal energy systems, energy piles, underground storage facilities, and nuclear power plants.

乾熱處理가 박과菜蔬의 종자발아 및 幼苗活力에 미치는 影響

장완식 慶熙大學校 1998 국내석사