• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2018.06a
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• pp.81-81
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• 2018

Bi-Te계 열전소자는 상온에서의 열전 효율이 우수하기 때문에 항공, 컴퓨터 등의 열전발전 또는 열전냉각 모듈에 널리 사용된다. 이 열전소자를 활용한 열전모듈은 다수의 n형 및 p형 열전소자가 세라믹 위에 형성된 Cu 전극에 전기적으로 직렬이 되도록 서로 솔더링 접합이 되어 있는 구조를 가지고 있다. 이처럼 직렬 연결된 방식에서는 높은 접합강도를 필요로 한다. 열전모듈 제작 시 Bi-Te 계 소자를 바로 Cu 기판에 접합시키면 솔더에 들어있는 Sn과 기판의 Cu가 접합하는 과정에서 소재 내로 확산하여 접합강도를 저하시킨다. 이러한 열전모듈의 접합강도 저하를 막기 위해 무전해 Ni-W-P 도금층을 확산 방지층으로 적용하였다. 본 연구에서는 Ni-W-P 도금이 Bi-Te 계 열전 모듈의 접합강도에 미치는 영향을 조사하였다. 본 연구에서는 Bi-Te계 열전소자에 양호한 밀착성을 가지는 Ni-W-P 도금층을 형성시키기 위해서 알루미나 분말을 이용한 sand-blasting 방법을 사용하여 Bi-Te 소재 표면에 분사하는 방법으로 표면을 거칠게 하였다. 그 후 무전해 Ni-W-P 도금을 $85^{\circ}C$에서 20분간 실시하여 약 4um의 Ni-W-P 도금층을 형성시켰다. 열전 모듈은 Sn-Ag-Cu 솔더를 사용하여 제작하였으며 접합강도는 Bonding tester를 사용하여 측정하였다. 제작한 열전 모듈의 단면 및 파단면 관찰을 통하여 접합강도가 변하는 요인을 조사하였다. 제작한 열전 모듈의 단면을 FE-EPMA로 관찰한 결과 Ni-W-P 도금층이 Bi-Te 소자와 Sn과 Cu사이의 확산을 방지하는 확산방지층 역할을 하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 열처리 전 열전모듈과 200도, 150시간 열처리 후 접합강도를 각각 측정해 본 결과, 열처리 후의 접합강도가 상승하는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 Bi-Te계 열전모듈 제작에 무전해 Ni-W-P 도금층을 형성시키므로 인해 확산방지층의 생성과 접합강도의 상승에 도움을 주었다.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.34 no.3
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• pp.341-346
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• 2010

The effect of specimen geometry on the bending and tensile strengths of dissimilar joints ($\beta-Si_3N_4/S45C$) with copper interlayers was evaluated. The average bending strength of specimens with circular cross sections was higher than that of specimens with rectangular cross sections. The crack initiation stress ($\sigma_i$) was successfully determined by the acoustic emission (AE) method and was approximately 60~80% of the bending strength. The residual stresses near the interfaces on the ceramic side were measured by X-ray diffraction before conducting the bending test. The bending strength and the crack initiation stress decreased with an increase in the residual stresses. The effect of the bending strain component was evaluated by the tensile testing; the tensile strength decreased with an increase in the bending strain component and was approximately 80% of the bending strength.

• Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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• v.26 no.1
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• pp.7-11
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• 2006

Since ceramic layers coated on machinery components inevitably experience the changes in their properties it is necessary to evaluate the characteristics of ceramic coating layers nondestructively for a reliable use of coated components and 4heir remaining life prediction. To address such a need, in the present study, an ultrasonic backward radiation technique is applied to investigate the characteristics of leaky Rayleigh surface waves propagating through the very thin TiN ceramic layers coated on AISI 1045 steel or austenitic 304 steel substrate with three different conditions of surface roughness, coating layer thickness and wear condition. In the experiments performed in the present work, the peak angle and the peak amplitude of ultrasonic backward radiation profile varied sensitively according to three specimen preparation renditions. in fact, this result demonstrates a high possibility of the ultrasonic backward radiation as an effective tool for the nondestructive characterization of the resting layers even in such a thin regime.

• Journal of the Korean Ceramic Society
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• v.39 no.10
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• pp.955-962
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• 2002

The microstructure change of brazed $Si_3N_4$/Stainless steel 316 joint with Cu buffer layer were examined to clarify the effects of brazing process conditions such as brazing time and temperature on the mechanical properties and reliability of brazed joints. For the brazed joint above 900${\circ}C$, the Cu buffer layer was completely dissolved into brazing alloy and the thickness of reaction product formed at $Si_3N_4$/brazing alloy joint interface was abruptly increased, which could increase the amounts of residual stress developed in the joint. The fracture strength of brazed $Si_3N_4$/Stainless steel 316 joint with Cu buffer layer at 950${\circ}C$ was much reduced comparing to those of joints brazed at the lower temperature. But, it was found that the effects of brazing time was not critical on the mechanical properties as well as the reliability of $Si_3N_4$/Stainless steel 316 joint with Cu buffer layer brazed at the temperature below 900${\circ}C$.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2017.05a
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• pp.129-129
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• 2017

열전재료는 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 직접 변환하는데 가장 널리 사용되는 재료이다. $Bi_2Te_3$계 열전 재료는 400K 이하의 비교적 저온 영역에서 높은 성능지수(Dimensionless Figure of merit, ZT($={\alpha}2{\sigma}T/{\kappa}$, ${\alpha}$: 제백계수, ${\sigma}$: 전기전도도, T: 절대온도, ${\kappa}$: 열전도도))를 나타내는 열전재료이며 자동차 시트나 정수기 등에 응용되고 있다. 열전모듈은 제조시 수십 개에서 수백 개 이상의 n형 및 p형 열전소자를 알루미나($Al_2O_3$)와 같은 세라믹 기판(substrate) 상에 접합된 동 전극 위에 전기적으로 서로 직렬로 접합시켜 제조한다. 기존의 열전모듈의 제조방법에는 동 전극 위에 위에 Sn합금 분말과 플럭스(flux)의 혼합물인 솔더페이스트를 스크린 인쇄법을 사용하여 동 전극에 도포한 다음, 그 위에 열전소자를 얹고 약 520K의 열풍을 가하여 솔더를 용융시켜 열전소자와 동 전극을 접합시킨다. 스크린 인쇄법에서는 인쇄 압력이 일정하지 않으면, 솔더페이스트 층의 두께가 균일하지 않게 되어 열전소자 접합부의 불량을 유발시킨다. 그러나 열모듈은 단 하나의 접합 불량이 모듈 전체의 열전변환성능에 심각한 영향을 줄 수 있기 때문에 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 솔더페이스트를 도포하지 않고 열전소자를 직접 동 전극과 접합할 수 있는 방법을 고안하였다. 무전해도금을 이용한 니켈층을 형성시킨 $Bi_2Te_3$계 열전소자 표면에 약 $50{\mu}m$의 주석도금층을 전기도금법을 구사하여 형성시켰다. 그 후, wire cutting을 통하여 $3mm{\times}3mm{\times}3mm$의 크기로 절단한 주석도금된 열전소자를 동 전극에 얹고 1.1KPa의 압력을 가하면서 523K의 핫플레이트 위에서 3분간 방치하여 직접(direct) 열압착 접합을 실시하였다. 접합부의 단면을 SEM을 이용하여 관찰한 결과, 동 전극과 열전소자 사이의 계면에 용융 후 응고된 주석층이 결함없이 균일하게 형성된 양호한 접합부를 관찰할 수 있었다. 따라서, 솔더페이스트를 이용하지 않고, 열전소자 표면에 주석도금을 실시한 후, 동 전극과 직접 열압착 본딩을 실시하는 방법은 균일한 접합계면을 얻을 수 있는 새로운 공정으로 기대된다.

• Journal of Welding and Joining
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• v.32 no.1
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• pp.40-46
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• 2014

Bonding technology and bonding mechanism of metal to ceramic including brazing, diffusion bonding, friction welding and etc were reviewed in this study. Various factors should be considered from a bonding design step to acquire a good bonding joint because of a large difference between metal and ceramic in crystal lattice, coefficient of thermal expansion and various properties. In addition, metal and ceramic bonding technologies are constantly being developed according to precise components, multi-function and application to harsh environment. However, improvement of bonding properties and bonding reliability also should be accompanied. Bonding of ceramics, such as $ZrO_2$, $Ti_3AlC_2$ and SiC, to metals like Ti-alloy, TiAl and steel were described in this paper.

• Journal of the Korean Ceramic Society
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• v.16 no.3
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• pp.169-177
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• 1979

The effect of apparent porosity of the fired ceramics, metallizing temperature, and metallizing mixtures on the bond strength in metal-to-ceramic seals was investigated. Three different metallizing compounds were metallized on dense alumina bodies at 1300~$1500^{\circ}C$ in dry hydrogen atmosphere. Bond strength between metal and alumina body was measured by means of nstron test machine. The greater bond strength was observed as the apparent porosity and metallizing temperature was increased. This work indicated that the glassy phase in metallizing mixture, having had sufficient fluidity to migrate into the alumina body, reacted with alumina and thereby forming strong metal-ceramic interface bond. It also showed that the glassy phase having higher thermal expansion cofficient than molybdenum might contribute to the strong bond formation by providing compressive stress around the molybdenum particle.

• Journal of the Korean Ceramic Society
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• v.35 no.3
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• pp.219-230
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• 1998

Various interlayer materials have been tested for active metal(Cusil ABA) brazing of Si3N4/S. S316 joint. In general multilayer joint had higher strength(80-150 MPa) and better reliability than monolayered one. The joint with Cu(0.2)/Mo(0.3)/Cu(0.2mm) interlayer showed the highest bending strength of abou 490 MPa and the joint with Cu(0.2)/Mo(0.3mm) interlayer the best reliability (14.6 Weibull modulus). The stresses distributed in joint materials during 4-point bending test were estimated by CAE von Mises analysis; the estimated stresses were In good agreement with the measured data. In multilayer joint Cu was though to reduce the residual stresses induced by the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic Mo and metal It apperared that a Cu/Mo was optimum interlayer material for Si3N4/S. S316 joint with high bending strength (420 MPa) and reliability. In addition the various shapes and types of compound were examined by EPMA in joining interface.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.20 no.2
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• pp.520-528
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• 1996

Four point bending tests of the brazed joint composed of sintered silicon nitride and 0.2% carbon steel with Cusil ABA filler which were fabricated at 86$0^{\circ}C$ were performed at temperatures, 25, 100, 200, 300, 400, 50$0^{\circ}C$ From the experiments, the maximum bending strength was measured at 30$0^{\circ}C$ From the 3D FE analysis of the residual stress of the brazed joint, it was revealed that the thermally induced residual stresses were minimized when the environmental temperature was 35$0^{\circ}C$ Considering the degradation of the filler material at high temperatures, it was calculated that the maximum bending strength of the brazed joint occured just below the temperature of the minimum thermal residual stress and the thermal residual stress was the dominative parameter of the brazed joint.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.524-524
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• 2012

Thermal Barrier Coating (TBC)은 미사일, 로켓발사체와 같이 고온에 노출되는 장비를 열로부터 보호하기 위한 코팅이다. 일반적인 Thermal Barrier Coating (TBC)은 모재와 코팅층간의 낮은 접합력과 높은 열충격으로 인한 박리가 많이 나타난다. 그래서 접합력을 높이고, 열충격을 줄이기 위해 모재와 코팅층 사이에 본드코팅층을 만든 Duplex - Thermal Barrier Coating (Duplex-TBC)이 개발되었다. 그러나 Duplex - Thermal Barrier Coating (Duplex-TBC)은 금속재료인 본드코팅층과 세라믹재료인 탑코팅층 사이에서 박리가 많이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 두 가지 분말을 동시에 코팅하여 본드코팅과 탑코팅의 경계가 없는 Functional Gradient Material - Thermal Barrier Coating (FGM-TBC)의 연구가 필요하다. 본 연구에서는 Functional Gradient Material - Thermal Barrier Coating (FGM-TBC)의 열충격 특성에 미치는 진공 플라즈마 용사 조건의 영향을 조사하였다. Functional Gradient Material - Thermal Barrier Coating (FGM-TBC)는 진공 플라즈마 용사장치를 사용하여 Cu-Cr 합금위에 코팅하였다. 거리, Carrier gas flow, 그리고 챔버 내부의 압력을 달리하여 제조하였다. 사용한 분말은 본드코팅용으로 Amdry 962와 내열 세라믹코팅을 위해 204NS를 사용하였고, 각각 분말 공급조건을 조절하여 두 분말의 비율을 달리하였다. 제조한 Functional Gradient Material - Thermal Barrier Coating (FGM-TBC) 코팅은 전기로에서 50분간 가열한 후, 수조에서 10분간 냉각하는 열충격 실험을 통해 열차폐 성능을 평가 하였다. 이러한 과정에서 진공 플라즈마 용사 조건 및 FGM 조성과 비율이 내열충격 특성에 미치는 영향을 미세조직학적 관점에서 고찰하였다.