다공성 소재는 bulk 소재와 달리 내부에 기공을 포함하고 있는 소재로서 이론적으로 개포형 구조와 폐포형 구조로 나눌 수 있다. 이런 특별한 구조 때문에 환경산업 (초고온 필터, 정화필터), 충격 흡수재, 열 교환기, 정수/담수화 설비, 흡음재, 내?외장재, 의료/건강분야 (임플란트, 인공 고관절) 그리고 에너지분야에서 적용 범위가 매우 다양하다. 다공성 금속은 넓은 표면적과 경량소재이며, 무게 대비 우수한 강도와 높은 열?전기 전도성, 우수한 충격 흡수성 및 흡음성과 낮은 ...
다공성 소재는 bulk 소재와 달리 내부에 기공을 포함하고 있는 소재로서 이론적으로 개포형 구조와 폐포형 구조로 나눌 수 있다. 이런 특별한 구조 때문에 환경산업 (초고온 필터, 정화필터), 충격 흡수재, 열 교환기, 정수/담수화 설비, 흡음재, 내?외장재, 의료/건강분야 (임플란트, 인공 고관절) 그리고 에너지분야에서 적용 범위가 매우 다양하다. 다공성 금속은 넓은 표면적과 경량소재이며, 무게 대비 우수한 강도와 높은 열?전기 전도성, 우수한 충격 흡수성 및 흡음성과 낮은 탄성계수를 갖는 특징이 있다. 본 학위논문에서는 타이타늄을 다공성 소재로 제작하고 에너지 전극재에 적용하는 연구이다. 타이타늄은 철의 절반 정도의 무게로 철과 유사한 수준의 강도를 낼 수 있으며, 상온부근에서는 부동태 피막이 형성되어 금이나 백금 다음가는 우수한 내식성을 갖는다. 부식저항성이 높고, 전이금속이기 때문에 에너지분야의 전극재로 적합한 소재이다. 다공성 타이타늄을 제작하는 방법으로 동결주조 공정을 이용하였으며, 이 공정은 단순하면서 매우 경제적이고, 대면적 샘플이 제작가능 하다. 또한 개포형 구조로 제작 할 수 있기 때문에 에너지 분야에 적용이 유리하다. 동결 주조법은 다양한 변수를 조절하여 다공체의 내부 기공과 기공률을 조절할 수 있으며, 본 연구에는 소결온도에 따른 기공률을 관찰해보았다. 동결 주조 공정으로 Ti 및 Ti-5W alloy foam을 제작하였다. Ti 및 Ti-5W alloy foam의 물성과 미세 구조을 확인하였고, Ti 기지안에 텡스텐(W)이 얼마나 어떻게 위치하고 있는지 관찰하였다. 기계적 성질을 알아보기 위해 나노 미소경도기 (nano-indentation) 평가와 압축강도평가 통해 W의 역할을 분석해보았다. 직접 제작한Ti foam을 수소이온교환막연료전지 (PEMFC) 의 연료극 가스확산층 (GDL)으로 적용해보았다. Ti foam은 다공성 구조로 가스의 침투가 원활하며, 금속 소재이기 때문에 기존의 탄소계 가스확산층보다 월등히 높은 전기 전도도를 갖는다. 또한 부식과 고온에 견디어 장시간 운전시에도 높은 효율을 유지 할 것으로 기대된다. 또 다른 에너지 전극재로 리튬이차전지의 음극재로 적용시켜 보았다. Ti foam표면에 음극활물질인 anatase TiO2을 형성시켜 집전체와 활물질이 일체형 된 음극재를 제작하였다. 다공성 구조로 넓은 반응면적을 확보하고 간단한 열처리로 활물질을 형성시켰다. Anatase TiO2는 용량은 비교적 낮지만, 부피팽창이 작고 매우 안정하기 때문에 연구 가치가 높다. 요약하면 동결 주조법으로Ti metal foam을 제작하였고, Ti 및 Ti-5W alloy foam 의 물성과 기계적 성질을 평가하였다. 직접 제작한Ti foam 은 에너지 전극재로 수소이온교환막연료전지 (PEMFC)와 리튬이온전지 (Li-ion battery) 의 음극재로 적용시켜, 전기화학평가를 하였다.
다공성 소재는 bulk 소재와 달리 내부에 기공을 포함하고 있는 소재로서 이론적으로 개포형 구조와 폐포형 구조로 나눌 수 있다. 이런 특별한 구조 때문에 환경산업 (초고온 필터, 정화필터), 충격 흡수재, 열 교환기, 정수/담수화 설비, 흡음재, 내?외장재, 의료/건강분야 (임플란트, 인공 고관절) 그리고 에너지분야에서 적용 범위가 매우 다양하다. 다공성 금속은 넓은 표면적과 경량소재이며, 무게 대비 우수한 강도와 높은 열?전기 전도성, 우수한 충격 흡수성 및 흡음성과 낮은 탄성계수를 갖는 특징이 있다. 본 학위논문에서는 타이타늄을 다공성 소재로 제작하고 에너지 전극재에 적용하는 연구이다. 타이타늄은 철의 절반 정도의 무게로 철과 유사한 수준의 강도를 낼 수 있으며, 상온부근에서는 부동태 피막이 형성되어 금이나 백금 다음가는 우수한 내식성을 갖는다. 부식저항성이 높고, 전이금속이기 때문에 에너지분야의 전극재로 적합한 소재이다. 다공성 타이타늄을 제작하는 방법으로 동결주조 공정을 이용하였으며, 이 공정은 단순하면서 매우 경제적이고, 대면적 샘플이 제작가능 하다. 또한 개포형 구조로 제작 할 수 있기 때문에 에너지 분야에 적용이 유리하다. 동결 주조법은 다양한 변수를 조절하여 다공체의 내부 기공과 기공률을 조절할 수 있으며, 본 연구에는 소결온도에 따른 기공률을 관찰해보았다. 동결 주조 공정으로 Ti 및 Ti-5W alloy foam을 제작하였다. Ti 및 Ti-5W alloy foam의 물성과 미세 구조을 확인하였고, Ti 기지안에 텡스텐(W)이 얼마나 어떻게 위치하고 있는지 관찰하였다. 기계적 성질을 알아보기 위해 나노 미소경도기 (nano-indentation) 평가와 압축강도평가 통해 W의 역할을 분석해보았다. 직접 제작한Ti foam을 수소이온교환막연료전지 (PEMFC) 의 연료극 가스확산층 (GDL)으로 적용해보았다. Ti foam은 다공성 구조로 가스의 침투가 원활하며, 금속 소재이기 때문에 기존의 탄소계 가스확산층보다 월등히 높은 전기 전도도를 갖는다. 또한 부식과 고온에 견디어 장시간 운전시에도 높은 효율을 유지 할 것으로 기대된다. 또 다른 에너지 전극재로 리튬이차전지의 음극재로 적용시켜 보았다. Ti foam표면에 음극활물질인 anatase TiO2을 형성시켜 집전체와 활물질이 일체형 된 음극재를 제작하였다. 다공성 구조로 넓은 반응면적을 확보하고 간단한 열처리로 활물질을 형성시켰다. Anatase TiO2는 용량은 비교적 낮지만, 부피팽창이 작고 매우 안정하기 때문에 연구 가치가 높다. 요약하면 동결 주조법으로Ti metal foam을 제작하였고, Ti 및 Ti-5W alloy foam 의 물성과 기계적 성질을 평가하였다. 직접 제작한Ti foam 은 에너지 전극재로 수소이온교환막연료전지 (PEMFC)와 리튬이온전지 (Li-ion battery) 의 음극재로 적용시켜, 전기화학평가를 하였다.
A porous material which has the gas pockets inside, unlike bulk materials, can be classified into two structures, open- and closed-cell foams. Due to these distinctive structural feature, porous materials can be used in a wide range of applications from environmental industry (ultra high temperature...
A porous material which has the gas pockets inside, unlike bulk materials, can be classified into two structures, open- and closed-cell foams. Due to these distinctive structural feature, porous materials can be used in a wide range of applications from environmental industry (ultra high temperature filter and an purification filter), impact absorbing material, heat exchanger, water-purifying and desalination equipment, backing material, interior / exterior material, medical and health field (implant surgery, an artificial hip joint) to energy sector. In particular, the porous metal has a larger surface area and is much lighter than bulk materials. Furthermore, it has high strength per weight, good thermoelectric conductivity, impact absorption, sound absorption, and low elastic modulus. This study investigates porous titanium, which is made of micrometer-scale fine pores and can thus be suitable for the field of energy electrodes. Titanium can possess the same level of strength with the half weight compared to steel and has an exceptional corrosion resistance by making passive film at room temperature. To fabricate the porous titanium for this study, we use freeze-casting process because it is highly affordable and is easy to make large-area samples for easy scale-up. For the application to the energy field, controlling the size, distribution, and percentage of pore is highly crucial. By adjusting those variables, it is possible to create adequate Ti foams with large surface area. In this study, we also observe the microstructure and mechanical properties of Ti and Ti-5W alloy foams made by freeze-casting process. In particular, the role of W is analyzed to understand the effect of W in the matrix of Ti and the positive mechanical properties due to the presence of W by using nano-indentation and compressive tests. For the application study of Ti foams created in this study, Ti foam is applied as anode gas diffusion layer (GDL) of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), because Ti foam having the structure of many fine pores can achieve can simply replace the current carbon-based GDL. Ti foam has inherent metallic properties and hence, has superior conductivity to carbon-based GDL. We believe that this study suggests profound implications in the commercialization of PEMFCs, because the metallic Ti foam provides a longer-term reliability and chemical stability. Also by forming anatase TiO2 on the surface of Ti foam, it is applied as the anode of a Li-ion battery. Here, the Ti foam acts as the current collector with a large surface area and the TiO2 the active anode material. Compared to the current carbon-based anode materials, TiO2 does not have distinctive capacity advantage against them. However, it is known to have very stable and safe cycling properties, because of its small volume expansion during the cycling process. In summary, this study investigates the processing and potential application possibilities of Ti foams to energy electrode area. The fabrication of Ti foam is successfully achieved by freeze-casting process. In particular, the mechanical properties of Ti and Ti-5W alloy foams are examined and compared. For the applications of energy electrodes, a variety of electrochemical analysis and performance tests are carried out on Ti foam, which prove that Ti foam can be successfully applied for the anode of both PEMFC and Li-ion battery.
A porous material which has the gas pockets inside, unlike bulk materials, can be classified into two structures, open- and closed-cell foams. Due to these distinctive structural feature, porous materials can be used in a wide range of applications from environmental industry (ultra high temperature filter and an purification filter), impact absorbing material, heat exchanger, water-purifying and desalination equipment, backing material, interior / exterior material, medical and health field (implant surgery, an artificial hip joint) to energy sector. In particular, the porous metal has a larger surface area and is much lighter than bulk materials. Furthermore, it has high strength per weight, good thermoelectric conductivity, impact absorption, sound absorption, and low elastic modulus. This study investigates porous titanium, which is made of micrometer-scale fine pores and can thus be suitable for the field of energy electrodes. Titanium can possess the same level of strength with the half weight compared to steel and has an exceptional corrosion resistance by making passive film at room temperature. To fabricate the porous titanium for this study, we use freeze-casting process because it is highly affordable and is easy to make large-area samples for easy scale-up. For the application to the energy field, controlling the size, distribution, and percentage of pore is highly crucial. By adjusting those variables, it is possible to create adequate Ti foams with large surface area. In this study, we also observe the microstructure and mechanical properties of Ti and Ti-5W alloy foams made by freeze-casting process. In particular, the role of W is analyzed to understand the effect of W in the matrix of Ti and the positive mechanical properties due to the presence of W by using nano-indentation and compressive tests. For the application study of Ti foams created in this study, Ti foam is applied as anode gas diffusion layer (GDL) of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), because Ti foam having the structure of many fine pores can achieve can simply replace the current carbon-based GDL. Ti foam has inherent metallic properties and hence, has superior conductivity to carbon-based GDL. We believe that this study suggests profound implications in the commercialization of PEMFCs, because the metallic Ti foam provides a longer-term reliability and chemical stability. Also by forming anatase TiO2 on the surface of Ti foam, it is applied as the anode of a Li-ion battery. Here, the Ti foam acts as the current collector with a large surface area and the TiO2 the active anode material. Compared to the current carbon-based anode materials, TiO2 does not have distinctive capacity advantage against them. However, it is known to have very stable and safe cycling properties, because of its small volume expansion during the cycling process. In summary, this study investigates the processing and potential application possibilities of Ti foams to energy electrode area. The fabrication of Ti foam is successfully achieved by freeze-casting process. In particular, the mechanical properties of Ti and Ti-5W alloy foams are examined and compared. For the applications of energy electrodes, a variety of electrochemical analysis and performance tests are carried out on Ti foam, which prove that Ti foam can be successfully applied for the anode of both PEMFC and Li-ion battery.
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