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문제 정의
- 따라서 충격분말 고화기술은 난소결성 재료를 성형할 수 있는 장점을 가지고 있지만, 폭발 충격파에 의하여 형성된 고화체에 발생하는 균열을 제어하지 않고서는 상업화가 어려울 것이다. 본 연구에서는 강한 충격파에 의한 재료내부의 균열발생을 방지할 목적으로 구리분말을 사용하였고, 투명박막 제작용으로 사용되는 산화아연(ZnO)-산화갈륨(Ga2O3) 세라믹을 충격분말 고화기술을 이용하여 제작하고, 제작된 ZnOGa2O3 고화체의 미세조직과 전기적 특성을 분석한 후, 산업응용에 대한 적용 가능성을 조사하였다.
제안 방법
- 장치는 기본적으로 전기뇌관, 폭약용기, 물용기, 분말용기, 분말캡슐로 구성되어 있다. 높은 충격압력을 만들기 위해서 폭약은 6.9 km/sec의 폭발속도를 나타내는 고성능 폭약을 사용하였고, 수중충격파를 만들기 위해서 충격반응용기에 비압축성 물질인 물을 채워 넣었다. 본연구에 사용된 분말은 산화아연 98%와 산화갈륨 2%의 혼합분말이 사용되었다.
- 분말에 작용하는 충격파는 평면파(Planar wave)가 되지 않으면 실험중에 분말이 비산되거나 재료 내부에 큰 균열이 발생되기 쉽다. 따라서, 폭굉파와 수중충격파의 전파과정을 이해하고 분석하여 적절한 물용기를 제작하기 위해 선행적으로 수치해석을 실시하였다. 수치해석은 유한요소법에 근간을 둔 LS-DYNA 3D 상용프로그램을 사용하였고, 고화장치의 계산모델은 Fig.
- 충격분말 고화기술을 이용하여 산화아연(ZnO)-산화갈륨(Ga2O3)의 혼합분말에 대한 고화연구 및 고화체의 특성에 대한 조사를 실시하였다. 그 결과는 다음과 같다.
- 2와 같이 단순화시켜 계산하였다. 충격파에 의해 고화된 재료의 미세조직과 상변환 조사는 주사전자 현미경(SEM, JCM-5700, JEOL Japan)과 X-ray(RIGAKU, Rint 2100)분석 방법을 각각 이용하였고, 고화체가 가지는 전기저항은 극좌표선도(Nyquist plot, HIOKI 3532-80, Japan) 방법을 통해 조사하였다.
대상 데이터
- 9 km/sec의 폭발속도를 나타내는 고성능 폭약을 사용하였고, 수중충격파를 만들기 위해서 충격반응용기에 비압축성 물질인 물을 채워 넣었다. 본연구에 사용된 분말은 산화아연 98%와 산화갈륨 2%의 혼합분말이 사용되었다. 혼합분말은 볼밀링 장치를 사용하여 100 rpm의 회전수로 3시간 동안 혼합된 후, 분말캡슐에 넣어져 이론밀도의 60%가 되도록 유압압축기를 이용하여 50 MPa의 압력으로 압축시켰다.
데이터처리
- 따라서, 폭굉파와 수중충격파의 전파과정을 이해하고 분석하여 적절한 물용기를 제작하기 위해 선행적으로 수치해석을 실시하였다. 수치해석은 유한요소법에 근간을 둔 LS-DYNA 3D 상용프로그램을 사용하였고, 고화장치의 계산모델은 Fig. 2와 같이 단순화시켜 계산하였다. 충격파에 의해 고화된 재료의 미세조직과 상변환 조사는 주사전자 현미경(SEM, JCM-5700, JEOL Japan)과 X-ray(RIGAKU, Rint 2100)분석 방법을 각각 이용하였고, 고화체가 가지는 전기저항은 극좌표선도(Nyquist plot, HIOKI 3532-80, Japan) 방법을 통해 조사하였다.
성능/효과
- 1. 수중충격파의 압력과 거동에 관한 수치해석에서 폭굉파의 전파거동과 수중충격파의 발생 및 물용기 벽면으로부터 반사파가 생성됨이 확인되었다. 또한, 반사파들은 물용기 중앙부분에서 중첩된 후, 수중충격파를 쫒아 전파하는 모습이 확인되었다.
- 2. 충격분말고화방법에 의해 균열이 표면에 나타나지 않은 ZnOGa2O3 고화체를 얻었다. 고화체의 크기는 폭이 30 mm, 두께가 6 mm 이고, 밀도는 이론 밀도의 97%를 나타냈고, 경도는 220~250 Hv 이었다.
- 3. ZnOGa2O3 고화체의 특성평가에서 충격파에 의해 분말입자표면의 변형이 관찰되었고, 입자간 결합이 확인되었으며, 결정성장은 나타나지 않았다. X-ray 분석결과에서 고화체의 피크가 분말의 피크와 비교해서 폭이 넓고, 강도가 낮았다.
- 4. 충격파에 의해 결정립이 파괴되면서 결정립계(Grain boundary)가 증가하고, 절연체와 같은 높은 전기저항을 나타낸다는 것이 좌표선도 방법에 의해 확인되었다. 또한, ZnO에 Ga2O3을 첨가할수록 전기저항은 다소 낮아짐이 확인되었다.
- ZnOGa2O3 고화체의 특성평가에서 충격파에 의해 분말입자표면의 변형이 관찰되었고, 입자간 결합이 확인되었으며, 결정성장은 나타나지 않았다. X-ray 분석결과에서 고화체의 피크가 분말의 피크와 비교해서 폭이 넓고, 강도가 낮았다. 이것은 충격파에 의해 분말입자의 결정자 크기(Crystallite size)가 감소되면서 나타나는 현상이며, 결정립(Grain)의 파괴와 결정립계의 증가를 예측할 수 있었다.
- 충격분말고화방법에 의해 균열이 표면에 나타나지 않은 ZnOGa2O3 고화체를 얻었다. 고화체의 크기는 폭이 30 mm, 두께가 6 mm 이고, 밀도는 이론 밀도의 97%를 나타냈고, 경도는 220~250 Hv 이었다.
- 분말캡슐에서 회수된 타원형 고화체의 크기는 폭이 30 mm, 두께가 6 mm이고, 경도가 220~250 Hv, 상대밀도는 97%로써 고밀도를 나타냈다. 고화체의 표면에서 충격파에 의한 균열은 보이지 않았고, 구리분말의 고열원에 의해 충분한 열전달이 이루어졌음이 확인되었다. 일반적인 충격고화기술에서 고속과 고압을 가지는 충격파는 재료내부에 균열을 쉽게 발생시킨다.
- 산화갈륨(Ga2O3)의 첨가량이 적어 ZnO 상(Phase)만 확인되었다. 그리고, ZnOGa2O3 고화체의 대부분의 피크 (Peak)의 폭이 분말보다 다소 넓고, 강도(Intensity)가 낮았다. 이것은 충격파에 의해 분말입자의 결정자의 크기(Crystallite size)가 감소되면서 생기는 현상이다.
- 충격파에 의해 발생된 재료내부의 격자결함과 결정립계의 증가로 거의 절연체에 가까운 높은 전기저항을 나타냈다. 또한, ZnO에 Ga2O3을 첨가할수록 전기저항은 다소 낮아짐이 확인되었다.
- 수중충격파의 압력과 거동에 관한 수치해석에서 폭굉파의 전파거동과 수중충격파의 발생 및 물용기 벽면으로부터 반사파가 생성됨이 확인되었다. 또한, 반사파들은 물용기 중앙부분에서 중첩된 후, 수중충격파를 쫒아 전파하는 모습이 확인되었다. 수중충격파의 충격압력은 약 6 GPa, 반사파의 충격압력은 약 8 GPa로 확인되었다.
- 또한, 반사파들은 물용기 중앙부분에서 중첩된 후, 수중충격파를 쫒아 전파하는 모습이 확인되었다. 수중충격파의 충격압력은 약 6 GPa, 반사파의 충격압력은 약 8 GPa로 확인되었다.
- 8은 충격파에 의해 고화된 ZnOGa2O3 고화체의 전기저항을 극좌표선도로 나타낸 것이다. 충격파에 의해 발생된 재료내부의 격자결함과 결정립계의 증가로 거의 절연체에 가까운 높은 전기저항을 나타냈다. 또한, ZnO에 Ga2O3을 첨가할수록 전기저항은 다소 낮아짐이 확인되었다.
후속연구
- 끝으로, 충격분말 고화기술은 결정성장 없이 고밀도의 세라믹 벌크체를 낮은 제조비용으로 쉽게 제조할 수 있다. 이전 충격분말 고화연구들에서는 고화체 내부에 발생하는 균열문제로 산업에 적용할 수 없었지만, 구리 분말을 이용한 균열발생 문제를 해결함으로써, 초전도 케이블, 디스플레이, 태양전지, 광촉매 산업 등에 사용되는 투명박막 제작용의 세라믹 타겟재료로써 충분히 적용 가능할 것으로 사료된다.
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