• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.135-135
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• 2016

차세대 가스터빈 엔진 및 초음속 항공기 내 고온부의 온도가 증가함에 따라, 기존의 초내열합금 기반 소재를 사용하기 어려워지고 있다. 초고온 세라믹스는 높은 기계적 물성, 화학적 안정성 등 우수한 고온 특성을 가지고 있어 기존의 초고온 소재를 대체 할 수 있는 물질로 부상되고 있다. 하지만 기존의 금속 기반 소재 대비 높은 밀도로 인하여 초고온 세라믹 단일체를 비행체 부품에 적용하기에는 어려움이 있다. 이에 초고온 세라믹스와 탄소섬유를 포함하는 세라믹 복합체(Ceramic Matrix Composite, CMC)를 제작하여 동등한 기계적 물성을 보이면서 무게를 감소시키는 연구들이 진행 중에 있다. 초고온 세라믹스가 함침 된 세라믹 복합체의 경우 우수한 내삭마, 내산화 특성을 보이지만, 장시간 고온에 노출되어 탄소 섬유가 드러나게 되면 급격한 산화로 인해 소재 특성의 열화가 진행되는 단점을 가지고 있다. 따라서, 탄소 섬유가 드러나지 않도록 복합체 표면에 코팅층을 형성하여 세라믹 복합체 모재를 보호하는 방법이 활발히 연구되고 있다. 본 연구에서는 진공 플라즈마 용사 공정을 이용하여 다양한 공정조건 하에서 초고온 세라믹 코팅층을 형성하였다. 수십 마이크론 크기 분포를 갖는 HfC 분말을 Ar 유송 가스를 이용하여 플라즈마 화염 내부로 투입하였다. 플라즈마 화염 가스는 Ar 과 H2를 혼합하여 구성되었으며, 분위기 가스로는 N2를 사용하였다. 코팅에 사용된 모재로는 ZrB2 단일체와 SiC가 미량 포함된 HfC 단일체를 사용하였다. 다양한 공정 조건하에서 형성된 HfC 코팅층의 두께, 미세 조직구조를 SEM을 이용하여 관찰하였으며, XRD를 이용하여 형성된 HfC 코팅층의 결정구조를 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.134-134
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• 2016

CMC(Ceramic Matrix Composites)는 $1500^{\circ}C$ 이상의 고온에서 내열성, 내산화성, 내식성이 우수하여, 초음속 비행체, 가스터빈 엔진 및 원자로용 초고온 부품 등에 수요가 증가하고 있다. 하지만 이러한 특성은 비산소 환경에 국한되는 것으로 약 $400^{\circ}C$ 이상의 산화 분위기에는 탄소섬유가 산화되는 문제로 인하여 적용의 한계를 가지고 있다. 따라서 CMC의 적용범위 확대를 위하여 내산화 코팅으로 CMC의 초고온 산화특성을 개선하는 것이 필수적이며, 장시간 초고온 산화환경 분위기에서 사용되기 위하여 안정적인 코팅기술이 최근 기술개발의 핵심현안으로 부각되고 있다. 본 연구에서는 pack cementation 공정을 이용하여 내산화성이 우수한 SiC 코팅층을 제조하였다. Pack cementation 공정에 사용된 코팅 분말은 57wt.% SiC, 30wt.% Si, 3wt.% B, 10wt.% Al2O3의 비율로 혼합된 것이다. 실험은 3D 직조된 CMC 모재를 혼합분말 내에 침적한 후, Ar 분위기에서 $1600^{\circ}C$, 4~12시간 반응시켜 수 마이크론 두께의 SiC 코팅층을 형성하였다. 더 우수한 산화 특성을 부여하기 위하여 pack 처리된 CMC 표면에 초고온 세라믹인 TaC 소재를 진공플라즈마 코팅 공정으로 적층시켰다. 제조된 코팅층을 SEM, XRD를 이용하여 미세구조 및 결정구조를 분석하였으며, pack cementation에 따른 내산화 특성을 비교 분석하고자 $2000^{\circ}C$에서 산화 실험을 진행하였다. 산화 실험 이후 미세구조 및 결정구조 분석으로 산화거동을 규명하고자 하였다.

• 시스템엔지니어링워크숍
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• s.4
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• pp.1-4
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• 2004

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.30 no.6 s.249
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• pp.594-601
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• 2006

Optimization study has been carried out to design an energy efficient, high temperature vacuum furnace which satisfies users' design requirements. First of all, the transient temperature distribution and the uniform temperature zone results have been compared with the steady state results to validate the feasibility of using steady state solution when constructing the thermal analysis DB. In order to check the accuracy, the interpolated results using thermal analysis DB have been compared with the computational and the experimental results. In this study, total heat flux is selected as the objective function, and the geometry parameters of vacuum furnace including the thickness of insulator, the heat zone sizes and the interval between heater and insulator are the design variables. The Uniform temperature zone sizes and the wall temperature are imposed as the design constraints. With negligible computational cost a high temperature vacuum furnace which has $40\sim60%$ reduction in total heat flux is designed using thermal analysis DB.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.99-99
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• 2011

우주는 초청정 진공 환경이며, 곳에 따라서는 고에너지 기체 상태가 융합되어 있는 극한 융합 환경으로, 신물질이 만들어 지고 지상환경에서는 얻을 수 없는 특성들을 얻을 수 있는 환경이다. 초청정 환경, 고에너지 기체상태, 무중력으로 대변되는 우주 환경을 초고진공 플라즈마 레비테이션 기술을 통해 지상에서 모사할 수 있는 기술을 개발하고 이를 활용해서 신소재 공정 기술을 개발하는 것을 목표로 하는 '우주환경 기술 기반 융합기술 개발' 사업이 시작 되었다. 본 사업은 신소재나 신공정기술을 개발함에 있어, 기존의 기술을 개선하는데서 탈피하고 극한기술과 극한 환경 융합 기술을 활용하는 새로운 접근법을 도입하자는 의도에서 제안되었으며, 진공, 플라즈마, 부양, 초고온 등 극한 환경 구현 핵심 요소 기술과 이들이 융합된 원천 기술을 확보함으로써 물성 DB 자체 생산, IT 산업용 고부가 소재 부품 개발, 가속기와 우주 개발 등 거대 과학 발전에도 기여할 수 있다.

• Vacuum Magazine
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• v.3 no.4
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• pp.14-18
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• 2016

In this article, we will summarize recent advances in ultrahigh vacuum (UHV) low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) during the last decade. Leading STM groups have finished or are constructing UHV milli-Kelvin high magnetic field STM capable of a few tens of milli-Kelvin and ~ 10 tesla. Applications with UHV sub-Kelvin high magnetic STM have been increased since mid-2000's. Active research using UHV low temperature tuning fork atomic force microscopes and UHV photon low-temperature scanning tunneling microscopes will be introduced. Considering these advances of UHV low-temperature STM we will discuss next trend in STM in the near future.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 1999.07a
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• pp.38-38
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• 1999

KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 핵융합 실험 장치의 진공용기 및 진공용기 내부의 플라즈마 대향 부품들은 초고진공 (5$\times$10-9 Torr)의 달성을 위해 진공용기 내부의 이물질(H2, H2O, CO, CO2, CH4 등) 제거를 목적으로 SS316LN인 진공용기는 25$0^{\circ}C$, 탄소 물질인 플라즈마 대향부품은 35$0^{\circ}C$ 정도까지 가열(이하 베이킹)할 필요성이 있다. 이 가열방법으로 고온 질소가스를 진공용기 이중벽 사이로 흘려주는 방식과 코일에 저주파 교류전류를 흘려 진공용기를 유도가열하는 방식이 고려되고 있는데, 유도가열방식은 최대 유도 전력이 70kW 정도로 실제 베이킹에 필요한 열량을 공급하는데 있어 적잖이 부족하며 또 국부적인 가열 특성으로 인하여 KSTSR의 베이킹 방식은 전자의 가열방식을 우선적으로 채택하고 있다. 본 논문에서는 0-차원 해석을 통하여 진공용기와 플라즈마 대향 부품들에 대한 베이킹 계획을 결정하고 이를 만족시키기 위해 투입해야 할 열량을 직선적으로 증가하는 온도 곡선에서 각 부분의 온도 상승률을 다르게 설정한 세 경우와 F-자 형태로 변화하는 온도 곡선의 경우에 대해 각각 적용하여 시간에 따른 필요열량을 비교.검토하였으며, 이를 근거로 안정적인 베이킹 계획을 선정하였고 이 베이킹 계획의 실현을 위해 투입해야 할 고온 질소가스의 유량과 온도 도달시간까지 매 시간에서의 가스온도를 산출하였다. 토러스 형상의 토카막 진공용기와 플라즈마 대향 부품 및 다층단열재에 대한 해석 모델은 길이가 유한한 0-차원 실린더 모델로 가정하였고, 이에 대한 기하학적 성질 및 열역학적 성질은 유효계수를 고려하여 산출하였다. 진공용기 이중 벽 내부로 흐르는 질소가스의 유량과 온도의 계산은 진공용기 내벽과 외벽을 각각 독립적인 열전달 요소로 가정하여 구성한 모델을 이용하였다. 전체 해석에서 각 열전달 요소의 비열 값은 온도에 따라 변화하는 비열의 특성을 반영하였으며. 진공용기와 플라즈마 대향 부품의 방사율(emissivity)은 앞서 가정했던 각 온도 상승 곡선에 대해서 각각 0.1, 0.2, 1.3의 경우를 가정하여 계산하였다. 직선적으로 증가하는 온도 상승 곡선중 2$0^{\circ}C$/hr의 온도상승율을 갖는 경우가 다른 베이킹 시나리오 모델에 비해 효과적이라 생각되며 초대 필요 공급열량은 200kW 정도로 산출되었다. 실질적인 수치를 얻기 위해 보다 고차원 모델로의 해석이 필요하리라 생각된다. 끝으로 장기적인 관점에서 KSTAR 장치의 베이킹 계획도 살펴본다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.233.1-233.1
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• 2016

화학적 방법에 의한 NTE graphite의 박리 또는 전도도 개선을 위한 도핑공정을 수행할 경우, 결함 및 불순물 생성에 의해 재결정화 공정 및 순도 개선을 위한 별도의 공정을 필요로한다. 본 연구에서는 건식 방법으로써 10,000K 이상의 초고온 RF 열플라즈마를 이용하여 in-situ 방법으로 흑연의 박리, 결함 제거, 결정성 향상 및 도핑 공정을 수행하고, 도핑특성을 평가하였다. 질소 도핑을 위하여 암모니아 가스를 첨가하여 NTE graphite를 도핑 처리하였으며, 시뮬레이션을 통하여 반응기 내부의 온도분포를 파악하고, 도핑을 위한 암모니아가스가 분해되어 도핑공정이 수행될 수 있는 투입위치를 결정하였다. 질소 도핑율은 암모니아 가스의 주입위치에서의 온도 및 가스 주입 유량 등의 공정조건에 따라 변화됨을 확인하였고, XPS 분석결과 최대 14.87 atomic%의 도핑율의 결과를 얻었다.

• Bulletin of the Korean Space Science Society
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• 2009.10a
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• pp.46.4-47
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• 2009

인공위성은 지상에서 설계 제작된 후에 발사체에 탑재되어 궤도에 진입되어 위성에 부여된 고유임무를 수행하게 된다. 위성체가 임무를 수행하는 우주공간은 고진공 환경과 태양 복사열에 의한 고온 환경 및 극저온이 반복되는 가혹한 환경으로 특징지어진다. 때때로 위성체는 이러한 가혹한 우주환경의 영향으로 인해 주요 부품의 기능장애가 초래되기도 하며 이는 결국 임무의 실패로 이어지도 한다. 따라서 고진공과 극저온 환경으로 일컬어지는 우주환경을 지상에서 모사하여 위성체의 안정성 및 신뢰성을 시험하기 위해서 열진공 시험장비를 이용한 열진공시험을 수행한다. 한국항공우주연구원에서는 인공위성의 탑재체인 광학카메라의 국산화 개발을 위하여 우주공간의 고진공과 극저온 상태를 모사할 수 있는 $\varphi4m\timesL10m$ 규모의 광학탑재체 전용 열진공챔버를 국산화 제작하였다. 관측 위성용 광학카메라는 초고정밀 장비로서, 이를 테스트하기 위한 광학탑재체용 진공챔버는 특히 진동환경에 매우 민감한 하여 10-7 grms 이하의 진동레벨을 허용하고 있다. 그러나 진공용기는 지진 및 외부 환경으로부터의 시스템외부진동과 진공펌프 및 기타 장비들로부터의 내부 진동환경에 항상 노출되어 있으며, 가진 주파수가 구조물 자체의 고유진동수와 일치될 경우 공진이 발생하여 시스템에 큰 영향을 미칠 수 있으므로, 외부 진동 및 챔버 자체 진동이 광학계에 전달되지 않도록 진동차단장치가 필요하다. 이 논문에서는 광학탑재체 궤도환경시험용 챔버에 대한 진동차단장치의 개발 및 활용 예를 논의하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.242-242
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• 2013

현재 크라이오펌프의 주요 관심기술은 생산성 향상을 위한 급속 재생기술의 확보와 극저온 냉동기의 효율 향상 기술 및 저진동 기술의 확보이다. 크라이오펌프는 크게 냉동기 모듈과 펌프모듈로 구성되고, 냉동기 모듈은 주로 G-M 극저온 냉동기, Stirling 극저온 냉동기 또는 맥동관 극저온 냉동기 등을 사용하는데, 이것은 주로 압축기, 왕복기, 재생기, 구동장치 등으로 펌프모듈은 cryoarray와 펌프 body로 구성된다. 최근에 구조가 간단하고 장수명 및 저진동의 장점을 가진 맥동관 극저온 냉동기의 효율이 급속히 증가함에 따라 초전도, 액화 등의 분야에서 기존의 G-M 극저온 냉동기를 대체하는 추세이다. 본 연구에서는 지식경제부 제조기반산업원 천기술사업 "급속재생형 저진동 크라이오펌프 개발" 사업을 통해 급속 재생, 저진동, 고신뢰성 확보를 위해 기존의 G-M 극저온 냉동기를 맥동관 극저온 냉동기로 대체 적용 개발 및 국산화를 도모하고자 한다. 또한 상용화에 따른 공정 개발을 소개하고자 한다.