[논문]가속열화시험에 의한 부품·소재 사용수명 예측에 관한 연구

권영일

가속열화시험에 의한 부품·소재 사용수명 예측에 관한 연구
Service Life Prediction of Components or Materials Based on Accelerated Degradation Tests 원문보기

신뢰성응용연구 = Journal of the applied reliability, v.17 no.2, 2017년, pp.103 - 111

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Purpose: Accelerated degradation tests can speed time to market and reduce the test time and costs associated with long term reliability tests to verify the required service life of a product or material. This paper proposes a service life prediction method for components or materials using an accelerated degradation tests based on the relationships between temperature and the rate of failure-causing chemical reaction. Methods: The relationship between performance degradation and the rate of a failure-causing chemical reaction is assumed and least square estimation is used to estimate model parameters from the degradation model. Results: Methods of obtaining acceleration factors and predicting service life using the degradation model are presented and a numerical example is provided. Conclusion: Service life prediction of a component or material is possible at an early stage of the degradation test by using the proposed method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 온도를 스트레스로 적용하는 가속 열화시험에서 반응속도론에 근거한 수학적 열화모형들을 도출하고 이 열화모델과 실제 열화시험데이터에 근거한 사용수명 예측 방법을 제시한다. 먼저 아레니우스 방정식과 반응속도론(chemical kinetics)을 적용하여 반응물질의 농도(concentration of reactants)의변화와 반응율 상수(rate constant 또는 reaction rate coefficient)간의 관계를 파악하고, 일정한 스트레스 하에서 시간의 경과에 따른 반응물질의 농도 변화와 대상 아이템의 성능열화의 관계를 모형화 하였다.

가설 설정

A의 초기 농도가 B에 비해 충분히 높아 반응이 진행되는 동안 A의 농도는 거의 변하지 않는 경우의 반응을 유사일차반응(pseudo first order reaction)이라 한다. 따라서 A의 농도는 일정하다고 가정한다. 이때 시간에 따른 B의 농도의 감소는 다음 방정식으로 표현된다
여기서는 성능열화가 멱수모형을 따르는 경우에 대해 가속열화시험 데이터로부터 최소제곱 추정법(least square estimation; LSE)을 사용하여 모수를 추정하는 방법을 제시한다. 실제 열화시험에서 시료간의 편차(deviation)를 반영하기 위해 시간 t에서 관측된 시료 i 열화량을 D_i(t)라 할 때 다음의 모델을 가정한다.
여기서 성능이란 고장을 판단하는 기준으로서 금속이나 복합소재의 인장강도나 경도, 고무제품의 신장률, 접착제의 접착강도, 도료의색차 등을 예로 들 수 있다. 일반적으로 열화시험에서 시간 t에서의 성능에 대해서는 시료의 산포를 반영하여 특정분포를 따른다고 가정한다.

제안 방법

먼저 아레니우스 방정식과 반응속도론(chemical kinetics)을 적용하여 반응물질의 농도(concentration of reactants)의변화와 반응율 상수(rate constant 또는 reaction rate coefficient)간의 관계를 파악하고, 일정한 스트레스 하에서 시간의 경과에 따른 반응물질의 농도 변화와 대상 아이템의 성능열화의 관계를 모형화 하였다. 다음가속열화시험 데이터로부터 열화모형의 모수들의 최소제곱 추정량(least square estimators)을 구하는 방법을 제시하고, 추정된 열화모형을 이용한 활성화 에너지와 가속계수(acceleration factor) 산출, 그리고 사용수명 예측방법을 제안하였다. 제안된 방법은 간단한 회귀분석만으로 필요한 결과들을 도출할 수 있으며 가속열화시험에서 고장이 발생하기까지 기다리지 않고 초기 열화데이터만으로도 조기에 사용수명을 평가할 수 있다.
온도를 가속인자로 적용하는 경우에 대해 반응속도론과 아레니우스 방정식에 기초한 가속열화모형을 설정하고 최소제곱법에 의한 모수 추정방법을 제시하였다. 또한 온도별 가속계수와 사용수명 예측방법을 제공하고, 실제 사례를 통해 제시된 가속열화시험에 의한 사용수명 추정방법을 예시하였다. 일반적으로 수명시험에서는 고장이 발생하기까지 오랜 시간이 소요되나, 제안된 방법을 사용함으로써 가속열화시험 초기의 데이터만으로도 조기에 사용수명을 예측할 수 있다.
본 연구에서는 온도를 스트레스로 적용하는 가속 열화시험에서 반응속도론에 근거한 수학적 열화모형들을 도출하고 이 열화모델과 실제 열화시험데이터에 근거한 사용수명 예측 방법을 제시한다. 먼저 아레니우스 방정식과 반응속도론(chemical kinetics)을 적용하여 반응물질의 농도(concentration of reactants)의변화와 반응율 상수(rate constant 또는 reaction rate coefficient)간의 관계를 파악하고, 일정한 스트레스 하에서 시간의 경과에 따른 반응물질의 농도 변화와 대상 아이템의 성능열화의 관계를 모형화 하였다. 다음가속열화시험 데이터로부터 열화모형의 모수들의 최소제곱 추정량(least square estimators)을 구하는 방법을 제시하고, 추정된 열화모형을 이용한 활성화 에너지와 가속계수(acceleration factor) 산출, 그리고 사용수명 예측방법을 제안하였다.
본 연구에서는 가속열화시험에 의한 부품.소재의 사용수명 예측방법을 제안하였다. 온도를 가속인자로 적용하는 경우에 대해 반응속도론과 아레니우스 방정식에 기초한 가속열화모형을 설정하고 최소제곱법에 의한 모수 추정방법을 제시하였다.
여기서는 성능열화가 멱수모형을 따르는 경우에 대해 가속열화시험 데이터로부터 최소제곱 추정법(least square estimation; LSE)을 사용하여 모수를 추정하는 방법을 제시한다. 실제 열화시험에서 시료간의 편차(deviation)를 반영하기 위해 시간 t에서 관측된 시료 i 열화량을 D_i(t)라 할 때 다음의 모델을 가정한다.
여기서는 온도를 스트레스로 적용하는 가속열화시험에서, 성능열화가 앞에서 고려한 열화모형을 따를 때 아레니우스 방정식에 의한 수명식과 가속계수 산출방법을 제시한다.
소재의 사용수명 예측방법을 제안하였다. 온도를 가속인자로 적용하는 경우에 대해 반응속도론과 아레니우스 방정식에 기초한 가속열화모형을 설정하고 최소제곱법에 의한 모수 추정방법을 제시하였다. 또한 온도별 가속계수와 사용수명 예측방법을 제공하고, 실제 사례를 통해 제시된 가속열화시험에 의한 사용수명 추정방법을 예시하였다.
2]는 한 고분자 소재에 대한 가속열화시험 결과를 나타낸 것이다. 주요성능은 신장률이며 섭씨 55도, 70도 및 85도의 온도에서 시간 t에 따른 신장률의 열화를 측정하였으며, t시간이 경과한 시점에서 신장률의 열화량 D(t)는 다음과 같이 신장률 P(t)의 초기치 대비 저하율로 나타내었다.
지금까지 대상 부품이나 소재의 주요성능을 저하시키는( 고장을 유발하는) 반응물질의 농도변화와 성능의 관계를 살펴보았다. 여기서 성능이란 고장을 판단하는 기준으로서 금속이나 복합소재의 인장강도나 경도, 고무제품의 신장률, 접착제의 접착강도, 도료의색차 등을 예로 들 수 있다.

성능/효과

앞에서 제시한 4가지 열화모형에 대한 결정계수(coefficient of determination)에 근거하여 적합도를 평가한 결과 결정계수 값이 가장 큰 멱수열화모형이 가장 적합한 것으로 판단되었다.
위의 4가지 열화모형 모두 성능열화량 또는 그 로그값이 kt의 선형관계식으로 표현 될 수 있음을 알 수 있다.
다음가속열화시험 데이터로부터 열화모형의 모수들의 최소제곱 추정량(least square estimators)을 구하는 방법을 제시하고, 추정된 열화모형을 이용한 활성화 에너지와 가속계수(acceleration factor) 산출, 그리고 사용수명 예측방법을 제안하였다. 제안된 방법은 간단한 회귀분석만으로 필요한 결과들을 도출할 수 있으며 가속열화시험에서 고장이 발생하기까지 기다리지 않고 초기 열화데이터만으로도 조기에 사용수명을 평가할 수 있다.

후속연구

그보다는 강도, 효율, 신장율 등 대상소재의 성능 P(t)가 관측되는 것이 일반적이다. 부품이나 소재의 열화에 따른 성분(반응물질의 농도)변화가 성능과 어떤 관계를 갖는지 화학적, 물리적으로 명확히 파악하기는 어렵지만, 반응속도론에 근거하여 앞에서 도출한 몇 가지 대표적 열화모형 중 하나를 따른다면, 이들 모형 중에서 가장 적합한 모형을 결정하는 것은 가능할 것이다. 이들 열화모형을 정리하면 다음과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화학반응에 있어서 반응율은 어떻게 정의 되는가?	화학반응에 있어서 반응율(reaction rate)이란 단위시간 동안 소비된 반응물질(reactant)의 양 또는 생성된 산물(product)의 양으로 정의된다. 반응이 일어나는 동안 반응율은 일정하지 않으며 반응물질의 농도 감소에 따라 감소하게 된다.
	화학반응속도론의 주 목적은 무엇인가?	화학반응속도론(chemical kinetics)이란 화학반응의 속도와 그 메커니즘을 연구하는 화학의 한 분야이다. 반응속도나 상세한 경로는 아직 잘 이해되지 않은 부분이 많으며, 화학반응 속도론의 주목적은 반응속도가 어떤 물질의 농도에 어떻게 의존하는지를 밝혀내고 이로부터 반응 메커니즘을 이끌어 내는 것이다. 화학반응속도에 영향을 주는 주요 인자는 반응 물질의 농도와 온도이다.
	화학반응속도에 영향을 주는 주요 인자는 무엇인가?	반응속도나 상세한 경로는 아직 잘 이해되지 않은 부분이 많으며, 화학반응 속도론의 주목적은 반응속도가 어떤 물질의 농도에 어떻게 의존하는지를 밝혀내고 이로부터 반응 메커니즘을 이끌어 내는 것이다. 화학반응속도에 영향을 주는 주요 인자는 반응 물질의 농도와 온도이다.

참고문헌 (10)

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Martin, J. W. (1999). "A Systems Approach to the Service Life Prediction Problem for Coating Systems". in A Systems Approach to Service Life Prediction of Organic Coatings, Washington: American Chemical Society, D. R. Bauer and J. W. Martin, Editors.
Meeker, W. Q., Escobar, L. A. and Chan, V. (2001). "Using Accelerated Tests to Predict Service Life in Highly Variable Environments". Service Life Prediction: Methodologies and Metrologies, Bauer, D. R., and Martin, J. W., Editors, American Chemical Society: Washington.
Liao, H. and Elsayed, E. A.(2006). "Reliability Inference for Field Conditions from Accelerated Degradation Testing". Naval Research Logistics, Vol. 53, pp. 576- 587.

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Chang, M. S., Shin, J. H., Kwon, Y. I., Choi, B. O., Lee, C. S. and Kang, B. S. (2013). "Reliability estimation of pneumatic cylinders using performance degradation data". International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 14, No. 2, pp. 2081-2086.

원문보기 상세보기
Chang, M. S., Kwon, Y. I. and Kang, B. S. (2014). "Design of reliability qualification test for pneumatic cylinders based on performance degradation data", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 28, No. 12, pp. 4939-4945.

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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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