[논문]보론/티타늄 나노박막다층 내 이종금속간 화학반응 전파특성 해석연구

김경진; 박중윤

doi:10.6108/kspe.2017.21.3.010

보론/티타늄 나노박막다층 내 이종금속간 화학반응 전파특성 해석연구
Computational Study of Intermetallic Reaction Propagation in Nanoscale Boron/Titanium Metallic Multilayers 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.21 no.3, 2017년, pp.10 - 17

김경진 (Department of Mechanical System Engineering, Kumoh National Institute of Technology) , 박중윤 (Department of Mechanical System Engineering, Kumoh National Institute of Technology)

초록
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빠른 반응성 및 자체전파특성을 가지는 보론/티타늄 나노 다층박막구조를 대상으로 박막층 수평방향으로의 이종금속간 화학반응 및 화염 전파현상 해석 모델링을 수립하였다. 이종금속간 화학반응은 Arrhenius 반응식을 가정하여 모델링하였으며, 열 및 화학종 확산, 발열 화학반응에 따른 화염 자체전파 현상에 대하여 2차원적 전산해석을 수행하였다. 보론 및 티타늄 박막층의 두께 및 두께비 등 나노구조 형상의 영향을 비롯하여 접촉층 예혼합 정도가 화염 자체전파속도에 미치는 영향을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The analytical modeling has been established on the self-propagation of intermetallic reaction in the spanwise direction of highly reactive boron and titanium nanoscale multilayers. Assuming that the reaction obeys Arrhenius kinetics, two-dimensional computations are carried out for heat and atomic species diffusion with exothermic reaction model in order to simulate the self-propagation of intermetallic reaction. The effects of bimetallic layer thickness and thickness ratio on the reaction propagation speed are tested and discussed in addition to the assessment of pre-mixing zone effects.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 아직 기초적 연구가 부족하고 기본적 해석모델링 연구의 필요성이 있는데, 최근 Kim[16]은 다층구조 내 수직방향으로의 화학반응 자체전파에 대한 1차원적 전산해석을 수행한 바 있다. 본 연구에서는 나노두께의 보론/티타늄 나노 박막다층구조를 대상으로 하여 수평방향의 이종금속간 화학반응 전파특성에 관한 물리적 모델링 및 2차원적 전산해석을 시도하였다.

가설 설정

이 이중금속간 화학반응은 Arrhenius 반응식을 따른다고 가정하였으며, 금속 박막층간의 양방향 원자 확산에 따른 화학종 농도는 Eq. 4의 확산방정식 및 확산계수(D)로 표현된다.

제안 방법

본 연구에서는 보론 및 티타늄 나노 박막다층구조 내 이종금속간 화학반응 점화 및 화염 자체전파 현상을 대상으로 모델링 및 2차원적 전산해석을 수행하였다. 해석 결과, 박막층 수평방향으로의 화염 전파는 1 μs 이내의 매우 빠른 점화 반응성과 10 m/s 정도의 높은 자체전파속도가 가능함을 보였다.

대상 데이터

본 연구의 모델링 및 전산해석 대상은 보론/티타늄(B/Ti) 이종금속 나노 다층박막구조이며, 그 구체적 형상은 Fig. 1에 도시된 바와 같이 나노두께의 보론(B)과 티타늄(Ti) 재질 박막이 교차하여 적층된 나노구조물이다. 보론과 티타늄 간의 이종금속간 화학반응에 의한 화염의 자체전파는 박막다층의 수평방향(X방향)으로 진행된다.

데이터처리

동일한 두께비를 유지하며 B/Ti 복합층 두께 변화가 화염 전파속도에 주는 영향에 대비하여, Fig. 5에서는 티타늄 박막층 두께를 125 nm로 고정하여 보론 박막층 두께만을 조정하였을 때 화염 전파속도의 변화를 살펴보았다. 나노 복합 층이 상대적으로 두꺼우면 두께비가 2:1의 B/Ti 몰비에서 벗어나더라도 전파속도에 큰 영향이 없다.
이러한 일련의 모델링에 기반을 두어 B/Ti 다층구조 내 이종금속간 화학반응 점화 및 자체전파 현상 분석을 위한 온도 및 화학종 농도의 비정상 2차원적 해석계산을 다물리 전산해석 패키지인 COMSOL MULTIPHYSICS 3.1을 이용하여 수행하였다.
화염 전파위치의 선형적 시간 변화 기울기는 화염 전파속도이며, 끝단 단열조건 영향이 나타나는 시간대를 제외하여 선형회기분석으로 박막층 두께에 따른 화염 전파속도를 Fig. 4(b)와 같이 구하였다. 참고로 화염 전파위치는 각 금속 박막층 중심선에서 화학종 농도가 +0.

성능/효과

본 연구에서는 보론 및 티타늄 나노 박막다층구조 내 이종금속간 화학반응 점화 및 화염 자체전파 현상을 대상으로 모델링 및 2차원적 전산해석을 수행하였다. 해석 결과, 박막층 수평방향으로의 화염 전파는 1 μs 이내의 매우 빠른 점화 반응성과 10 m/s 정도의 높은 자체전파속도가 가능함을 보였다. 한편, 동일 박막층 두께에서는 수직방향 화염 전파속도와는 큰 차이가 없음을 밝혔다.
한편, 동일 박막층 두께에서는 수직방향 화염 전파속도와는 큰 차이가 없음을 밝혔다. B/Ti 박막층의 두께 및 두 금속층간 두께비에 따라 자체전파속도가 매우 민감하게 변화하며, 금속간 접촉면의 예혼합 정도에 따라서도 큰 영향을 받는다. 따라서 최적 반응성을 얻기 위해 각 금속층 두께 및 예혼합도를 세밀히 고려할 필요가 있다.
해석 결과, 박막층 수평방향으로의 화염 전파는 1 μs 이내의 매우 빠른 점화 반응성과 10 m/s 정도의 높은 자체전파속도가 가능함을 보였다. 한편, 동일 박막층 두께에서는 수직방향 화염 전파속도와는 큰 차이가 없음을 밝혔다. B/Ti 박막층의 두께 및 두 금속층간 두께비에 따라 자체전파속도가 매우 민감하게 변화하며, 금속간 접촉면의 예혼합 정도에 따라서도 큰 영향을 받는다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이종금속의 나노두께 다층박막은 어떤 제작공정으로 이루어져있나?	좀 더 최근의 나노에너지 기반 기술로서 이종 금속으로 구성되는 나노 박막다층구조 내 이종금속간 화학반응 현상 역시 상당한 주목을 받고 있다[7-10]. 이종금속의 나노두께 다층박막은 기판 상 기상박막증착 등 MEMS 제작공정으로 이루어짐이 일반적이다[7]. 나노 박막구조를 갖는 이종금속간 화학반응은 높은 발열을 동반하며 빠른 반응성 및 자체전파특성을 보인다.
	나노 박막구조를 갖는 이종금속간 화학반응은 어떤 특성을 보이는가?	이종금속의 나노두께 다층박막은 기판 상 기상박막증착 등 MEMS 제작공정으로 이루어짐이 일반적이다[7]. 나노 박막구조를 갖는 이종금속간 화학반응은 높은 발열을 동반하며 빠른 반응성 및 자체전파특성을 보인다. Gavens 등[8]과 Besnoin 등[9]은 알루미늄/니켈(Al/Ni) 박막 다층구조를 대상으로 실험적 연구 및 1차원적 간소화 모델을 이용한 이론적 연구를 수행하였으며, Al/Ni 이종금속간 화염의 자체전파속도가 10 m/s 이상에 이름을 보였다.
	나노에너지 기술분야의 기술적 장점은 무엇인가?	금속성 나노입자 또는 나노구조 등을 기반으로 하는 나노에너지 기술분야(nanoenergetics)가 최근 들어 여러 산업분야에서 주목을 받고 있다. 특히 추진 및 방산기술에서 고에너지 물질 점화, 추진제 연소 등 여러 세부분야에서 장치 소형화 및 경량화, 반응성 및 에너지 밀도 향상과 같은 고성능화, 안전성 및 신뢰성 개선 등 여러 기술적 장점으로 활발한 관련 연구개발 활동이 진행되고 있다[1]. 이러한 나노에너지 기술의 일종으로 금속성 나노입자의 경우, 나노 알루미늄 입자를 로켓 추진제에 첨가하여 추진제 점화 및 연소특성을 개선하거나[2,3], 금속 및 산화제 나노입자 복합분체로 구성된 나노 테르밋 물질로 기존 테르밋 성능을 향상시키려는 등 많은 연구성과가 있었다[4-6].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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