직충돌 이온산란 분광법(ICISS: Impact Collision Ion Scattering Spectroscopy)을 이용한 고체표면 해석의 마지막 개설로서 금속 표면에 대한 연구를 소개하기로 한다. 금속은 도체이기 때문에 전하 축적을 방지하려는 별도의 장치가 필요 없다. 또한 결정구조가 간단하여 금속재료 자체보다는 표면의 흡착구조 및 반응, 박막 구조 등과 같은 분야에서 ISS를 이용하고 있다. 세라믹이나 반도체와 구별되는 응용 분야로서는 첫째 금속의 높은 표면 반응성을 이용하는 촉매와 같은 분야에 있어서 표면에서 일어나는 반응을 추적하기 위한 수단으로 사용된다. 둘째 표면 용융 현상을 표면 원자의 위치 결정을 통하여 연구할 수 있다. 마지막으로 자성재료의 표면 자성 특성을 스핀분극 ISS를 이용하여 접근할 수 있다. 이상과 같은 금속 표면물성 분야에 대하여 ICISS를 적용한 연구 사례를 소개하고자 한다.
최근 층상구조를 가진 전이금속 칼코겐 화합물이 새로운 고성능 리튬이온전지 음극소재로서 주목받고 있다. 층상구조 물질들의 고성능 전극 소재 활용에 있어 박리를 이용한 정확한 층의 개수 조절은 전기화학 반응성을 증가시키고, 전극 필름 내에서의 균일한 거동을 위해서 매우 중요하다. 볼 밀링 공정은 이차전지 전극 소재 제조에 있어서 주로 물질의 분쇄나 고상 화학반응을 유도하여 합금 형태의 전극 소재 개발에 보편적으로 사용되는 공정이나, 층상구조를 가진 전이금속 칼코겐 화합물에 적용하면 층상구조 물질에 고체윤활작용을 일으켜 박리가 촉진된다. 이러한 성질을 이용하여 다양한 종류의 전이금속 칼코겐 화합물(예: MoS2, MoSe2, NbSe2)에 적절한 카본 매트릭스 물질과 복합화를 통해 새로운 전극 소재를 합성하고, 이를 통해 고성능 리튬이온전지 음극 소재를 제조하는 연구 동향에 대해 보고하고자 한다.
최근에 H.Eyring과 그의 공동연구자들은 "Significant liquid theory"를 제안하여 여러가지 액체에 대하여 잘 적용됨을 보여주고 있다$^{(3)-(12)}$. 그들은 고체와 액체 내부의 고체상 분자는 하나의 연속된 상을 이룬다고 보고 고체의 몰부피 $V_s$는 같다고 보았으나 Einstein특성온도 ${\theta}$나 승화열 $E_s$ 등은 서로 다른 값을 취하지 않으면 않되었을 뿐더러 가장 안정한 분자주위에 모여 올수 있는 자리수 n가 12보다 크게 되는 등의 실제적으로 생각하기 어려운 결과를 내놓았다. 그러나 우리는 고체상의 분자의 액체내부의 고체상분자와는 일반적으로 서로 다른 상태를 이루고 있으리라는 생각을 하여 액체가 존재하는 가장 낮은 온도 즉 삼중점을 액체의 기저상태로 보고 이점에서 parameter들을 정하였다. 이와같이 하여 정한 $V_s$는 고체의 경우보다 약간 크고 ${\theta}$나 $E_s$는 약간 작은 값이 나타나게 되었고 n도 12보다 작은 값이 나왔다. 이것은 실제적으로 매우 타당한 결과이며 또 이들을 써서 여러가지 열역학적인 양을 계산한 결과는 우리가 취급한 모든 물질들에 대해여 실측치와 좋은 일치를 보여주고 있다.
본 논문은 유동과 구조물간의 상호작용으로 인해 유체나 구조, 한 쪽 분야에서의 접근으로는 한계가 있는 고체 로켓 내부 유동-구조-연소 결합 문제를 해결하기 위해 FSI를 이용한 전산해석을 목적으로 한다. ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian) 기술 방식을 도입하여 계산 격자의 움직임을 허용하면서도 격자에 대한 연속체 입자의 상대운동이 가능하도록 하였다. 유체 영역의 해석 프로그램은 2차원 압축성 비정상 유동 해석을 위한 오일러 방정식을 ALE 형태를 변형시켜 적용 하였고, 고체 영역의 해석 프로그램은 ALE를 고려한 2차원 동적 유한 요소 방법을 사용하였다.
금속 소재의 열구조 안정성을 파악하기 위해 고체연료 추진기관의 노즐에 대해 열구조 해석을 수행하였다. 금속 소재 노즐은 짧은 연소 시간이지만 고온, 고압의 연소가스에 직접 노출되어 열하중이 상당히 클 것으로 판단된다. 해석 결과를 통해 열하중의 영향을 예측하고 향 후 추력기 설계 자료로 이용하고자 한다.
어떤 유체는 전기장에서 순간적으로 고체화한다. 이러한 다변형의 물질은 더욱 신속하고 적절한 기계의 앞날을 약속하고 있다. T-1000 (영화 터미네이터2; 심판의 날에서 생동하는 거의 불멸의 로보트)는 능숙하게 액체에서 고체로 변환다. T-1000은 총탄으로 관통되었을 때, 로보트의 액체-금속 피부는 관통된 구멍으로 흘러 들어가고, 산산조각이 났을때 T-1000은 녹아버린 후에 다시 제원형으로 응결된다. 전기유변성 유체는 이 영화제작자의 상상력에 어느 정도 적용될 수 있을 것이다. 전기유변성 유체는 전기장이 있는 곳에서 변형을 일으키는 물질이다. 주어진 전기장의 세기에 따라 전기유변성 유체는 물처럼 자유롭게 흐르기도 하고, 꿀처럼 진득하게 흐르기도 하며 제라틴처럼 고체화하기도 한다. 참으로 물질이 수천분의 일초사이에 한상태에서 다른 상태로 변할 수 있는 것이다. 전기유변성 유체는 만들기 쉽다; 절연액체에 미시적 입자가 분산된 것이다. 그러나 아직은 상업용으로 쓰이지 못하고 있다. 여러가지 문제점 중의 하나가 고체로서는 구조적으로 약하고, 또, 액체로서는 마찰성이 문제이며, 특히 고온에서는 화학적으로 불안정하다는 것이다.
고준위 방사성 폐기물 처분과 관련이 있는 가속기구동 소멸처리로는 미임계로이기 때문에 별도의 중성자원이 필요하다. 가속기에서 나오는 양성자를 받아 중성자를 발생시키는 중성자원으로 사용될 표적물로서 거론되는 방안중에 하나인 고체표적시스템에 대한 열전달 예비계산을 수행하였다. 고체표적물의 물질은 텅스텐을 대상으로 하였으며 표적시스템은 원통형구조를 가정하였다. 양성자 조사에 의한 텅스텐 물질의 핵파쇄반응으로 인한 내부발열을 모사하여 표적물내에서의 온도상승속도와 온도분포를 조사하였다. 계산결과 별도의 표적물에 대한 냉각시스템이 없는 상황에서 30∼37초만에 국부적으로 텅스텐의 온도가 녹는점 이상으로 상승하는 결과를 보였다. 따라서 고체표적물 시스템을 소멸처리로에서 사용하기 위해서는 표적물을 냉각시키기 위한 다각도의 방안이 모색되어야 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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