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풀러렌, 탄소나노튜브(CNT)

1. 풀러렌 (버키볼)① 정의 : 탄소원자가 5각형과 6각형으로 이루어진 축구공 모양으로 연결된 분자를 통틀어 이르는 말흑연 조각에 레이저를 쏘았을 때 남아 있는 그을음에서 발견한 완전히 새로운 물질이다. 주로 탄소 원소 60개가 축구공 모양으로 결합하여 생긴 탄소의 크러스터 C60을 말한다. 12개의 5원환(員環)과 20개의 6 원환으로 이루어져 있으며, 각각의 5원환에는 5개의 6원환이 인접해 있다.지름 약 1nm인 '나노의 축구공'을 형성하는데, 풀러렌이라는 명칭은 이 구조와 같은 모양의 돔을 설계한 미국의 건축가 B. 풀러(B. Fuller:1895~1983)의 이름에서 유래한 것이다. '버키 볼(Bucky ball)' [그림1] 풀러렌의 형태 이라는 별칭으로도 불리는데, 이것 역시 그의 이름에서 따온 것이다.1990년 W. 크래치머 등이 훗날 아크법으로 발전하는 풀러렌의 생성법을 발견한 이래 이에 대한 연구가 활발해졌다. 압력 약 50~600토르의 헬륨 가스 안에서 흑연을 전극으로 하여 아크방전을 하여 생성한 주석의 유기용매(벤젠, 톨루엔 등) 추출로 얻어진다. 이 때 럭비공 모양의 C70이나, 소량이기는 하지만 보다 사이즈가 큰 C76, C78, C82, C90, C94, C96과 같은 고차(高次) 풀러렌도 생성된다.[그림2] 고차 플러렌의 형태② 특성 및 성질-풀러렌(C60)을 원료로 하여 2개가 연결된 모양의 2량체(量體:C120)나 풀러렌폴리머((-C60-)n)도 합 성되고 있는데, 이것은 가열을 하면 원래의 C60으로 되돌아간다. 최근 알칼리금속을 도입한 금속풀러 렌이 종래의 유기물초전도체보다 높은 온도에서 초전도성을 나타내서 주목을 받고 있다.-또한 C60에는 지름 0.4nm(0.4×10-9m)의 공간이 있고, 고차 풀러렌에서는 보다 큰 공간이 있기 때문 에 금속내포 풀러렌도 만들 수 있다. 이것은 금속원자를 혼합한 흑연을 전극으로 하여 아크방전했을 때에 생성되는 것이다.예) 1) Gd@C82제작 (Gd : 원자번호 64, Gadoliniu 채워져 1차원 결정 형태를 이루는 것으로 나타났다.2) La@C82 제작=>흑연판을 용액 속에 담그고, 건조시켜서 레이저를 쏘면 La@C82이 형성 =>La@C82음이온은 ESR 실험으로 반자기성을 띄고 있음을 보여주었고, 핵자기 공명 분광법(NMR)으로 기하구조를 알아내었다.[그림3] 풀러렌의 빈공간에 다른 금속을 가둔 모습,금속내포 플러렌-기름에 녹는 성질을 이용하여 풀러렌을 수지에 첨가해서 내구성이나 내열성을 높이거나 정전기의 제 거, 잡음 필터로의 응용이 시도되고 있다. 이것을 이용해서 단단하고 날카로운 절삭 도구나 아주 단단 한 플라스틱을 만드는 연구도 진행 중이다.-수소 저장 수단으로 가능성이 높다.이 경우는 분자자신의 수소화에 의한 수소저장이 검토되고 있다. 플러렌은 탄소원자가 축구공으로 보 이는 기하학적 모양을 하고 있으며 정점에 위치한 직경 1nm의 가마모양의 탄소분자가 있으며, 오토클 래이브 (6.9MPa, 400도)와 촉매를 이용하여, 최대 C60H36의 조성까지 탄소화하는 것이 가능하다 (4.8wt.%상당).=>단, 이 반응에서는 수소화 탈수소화 시간이 걸리므로 수소를 신속하게 빼고 넣는 것은 할 수 없다.③ 공업적, 산업 사용사례- 자동차 분야1) 연료-풀러렌의 둥그런 분자구조가 엔진 내부와 미션부위에 매끄럽고 영구적인 피막을 형성해 주행거리를 평 균 5∼15%까지 높이며 불필요한 차량진동도 극소화 시킨다.-적은 양의 셀레늄산화물 나노입자를 경유자동차의 연료에 첨가: 연료가 잘 타게 하여, 연료 소비를 약 5% 정도 줄이고 있으며, 이에 따라 배기가스 중 이산화탄소 양도 줄일 수 있다.-하이브리드 자동차에 사용되는 축전지, 나노소재 기술로 가벼우면서 대용량:차가 정지할 때 전기모터가 발전기로 작용하면서 운동 에너지를 전기에너지로 바꾸어 축전지를 충전 하게 된다. 이러한 방법은 저속에서 운전할 때 주로 발생되는 오염 가스의 배출을 크게 줄이고 연비 를 향상시킨다.2)차량부품-타이어를 끼우는 알루미늄 휠에 연꽃잎 효과 이용: 휠의 표면을 여 잘 닳지 않고 정지성능이 좋고 공기가 잘 빠지지 않는 타이어 개발.-엔진 타이밍벨트 커버: 연비향상을 위하여 경량이면서도 고강도의 특성을 갖는 나노복합재료 개발, 일 본의 토요다 자동차가 세계최초로 채택한 나일론 나노복합체를 이용한 자동차 엔진룸의 타이밍벨트 커 버 등 엔진룸 부품으로서 작은비중이며 고강도 및 고열변형온도의 특성이용.-자동차도어 판넬: 미국 GM 자동차와 Montell이공동 개발한 TPO 나노복합 체를 이용한 자동차 도어판넬로서 저비중, 고강도, 표면의 평탄성등을 이용한 제품이다. 이와같이 자동차 분야에서는 비중, 내충격성 등의 큰 변화 없이 고강도화를 이룰 수 있는 방향으로 제품 개발.[그림5] TPO나노 복합체를 이용한 자동차도어판넬(Thermoplastic Olefins)- 생명공학 의학분야: 알러지 반응 억제풀러렌(fullerene)으로 알려진 나노입자가 인체세포 배양 실험 및 마우스 동물실험에서 알러지 반응을 차단시킬 수 있다는 사실을 처음으로 보여주었다. 이 같은 발견은 Journal of Immunology 7월1일자에 “플러렌 나노물질의 알러지 반응 억제”이란 제목으로 발표되었다.게다가, 풀러렌 분자의 표면 성질 변화가 독성을 경감시켜, 세포막 유출을 방지할 수 있다는 사실도 밝혀지게 되었다. 최근에 클렘슨 대학(Clemson University) 연구진은 풀러렌(C60) 분자의 표면 성질을 변화시킴으로써 생체 세포막으로 확산되는 속도가 급격히 감소될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 연구진의 결과는 최소의 독성을 얻기 위해 나노물질의 표면 성질 변화 및 나노입자 기반의 약물 전달 시스템을 디자인에 도움이 될 수 있다.앞서 설명한 바와같이 풀러렌은 생명공학과 의학분야에서 적용가능성을 갖고 있는 새로운 탄소 나노물질로서 독특한 이 물질의 특성을 개선시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 다른 세포시스템을 사용한 이전 연구결과에 의하면, 이 물질은 여러가지 세포 작용기전을 차단한다고 한다. 비만세포 및 호염구는 여러가지 염증, 주로 11991년 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 이지마 스미오[飯島澄男] 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연의 음극상에 형성시킨 탄소덩어리를 분석하는 과정에서 발견하였다. 형태는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있[그림6] 탄소나노튜브 형태 다. 관의 지름이 수∼수십 나노미터에 불과하여 탄소나노튜브라고 일컬어지게 되었다. 나노미터는 10억 분의 1m로 보통 머리카락의 10만 분의 1 굵기이다. 이 탄소나노튜브는 흑연판이 나노크기의 직경으로 둥글게 말린 형태이며, 그 직경이 나노미터 수준으로 극히 작은 영역의 물질을 말한다. 탄소나노튜브는 구조에 따라 한 겹으로 된 단일벽 탄소나노튜브, 여러 겹의 탄소나노튜브가 동심원 상을 이루는 다중벽 탄소나노튜브로 크게 분류된다.② 특성 및 성질-전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철 강보다 100배나 뛰어나다. 탄소섬유는 1％만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15％가 변형 되어도 견딜 수 있다.특성단일벽 탄소나노튜브(SWNT)다중벽 탄소나노튜브(MWNT)비고지름(nm)1.2~35~100머리카락 (70~100)×103장력(GPa)~4550~300합금철 ~2스테인리스강 ~(0.65~1)밀도(g/cc)1.33~1.40-알루미늄(Al) ~2.7전기저항(Ω·m)10×10-65.1×10-8구리(Cu) 1.7×10-8전류밀도(A/m2)~109-구리(Cu) 106열전도율(W/m·K)~6000~3000다이아몬드 2000~40000,구리(Cu) 393.7[표1] 탄소나노튜뷰의 물리적 특성③ 공업적, 산업 사용사례- 에너지분야에너지분야에서의 탄소나노튜브 응용은 대체로 높은 전기전도성을 이용하거나 높은 비표면적을 이용하는 경유가 많다. 예를 들어 연료전지나 기타 수소에너지를 응용하는 분야에서는 탄소나노튜브를 수소정장 매체로 사용하려는 시도가 있어왔고, 저장장치 전극 물질로 매우 우수한 특성을 지니고 있어 초고량 컴패시터, 리튬이온전지, 태양전지에 탄소나노튜브를 사용하여 전자가 전극에 도달하게 도움으로써 효율을 향상시켰다.[그림7] 탄소나노튜브가 사용된 태양전지 작동원리- 전자분야반도체와 평판 디스플레이, 배터리, 초강력 섬유, 생체 센서, 텔레비전 브라운관 등 탄소나노튜브를 이용한 장치가 수없이 개발되고 있으며, 나노 크기의 물질을 집어 옮길 수 있는 나노집게로도 활용.앞으로 탄소나노튜브가 실리콘을 대체할것이라고 예상이 나오고 있는데 탄소나노튜브를 반도체로 이용할 경우 반도체소자 제작과정이 더 간단해지고, 열전도도가 실리콘보다 높으므로 열을 쉽게 방출할 수 있는 장점이 있다.1) ‘차세대 평면 브라운관’ FED (Field Emission Display)이미 LCD와 PDP가 디스플레이 시장을 주도 하고 있으나 LCD는 광원이 필요하다는 아킬레스건을 가지고 있으며 PDP 역시 전력소모와 열이 문제가 되었다. 그러한 맥락에서 살펴보면 큰 덩치만 제외한다면 CRT(cathode-ray tube 브라운관)야말로 가장 이상적인 디스플레이일지도 모른다.이러한 CRT의 장점과 평판 디스플레이의 장점을 하나로 모은 것이 바로 전계방출 디스플레이라 불리는 FED이다. 그러나 FED가 아직 시장에 진입하지 못하는 데에는 그만한 이유가 있다. 문제는 FED의 음극팁이 전계 방출 횟수와 비례하여 노후가 진행되며 상당한 양의 불순물을 진공 패키지 내부로 방출하게 된다는 것이다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 연구되고 있는 것이 바로 탄소나노튜브를 이용한 음극 팁의 형성이다. 탄소나노튜브는 길고 가늘게 서 있어 시야각이 넓고 휘도가 높아 이 성질을 이용해 활발히 연구되고 있어 향후 10년 내 많이 사용 될 것이다.2) ‘친환경주의 BLU’FED 다음으로 대표적인 분야가 바로 LCD 구동에 꼭 필요한 부품인 BLU(LCD의 후면에 위치한 균일한 휘도분포의 면광원)이다. 그 동안 사용되던 CCFL BLU의 경우 수은을 포함하고 있어 환경 문제와 복잡한 공정이 필요하다. 그로 인해 최근 LED를 이용한 BLU나 면광원 BLU 등 구조

공학/기술| 2011.10.14| 6페이지| 1,500원| 조회(1,214)

CNT, 탄소나노튜브, 풀러렌

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버니어캘리퍼스, 마이크로미터

1. 버니어 캘리퍼스쇠부리-깊이 바조-[그림1] 버니어 캘리퍼스① 측정방법 : - 버니어 캘리퍼스의 구조 : 어미자, 아들자, 조, 쇠부리, 깊이 바- 어미자의 눈금은 1mm, 아들자의 눈금은 어미자의 1/20인 0.05mm 이다- 눈금읽기 : (1) 조, 쇠부리, 깊이 바를 이용하여 치수를 측정하고 하는 물체를 버니어캘리퍼스에 물린다* 조 : 바깥지름이나 두께를 측정* 쇠부리 : 안지름이나 홈의 너비 측정* 깊이 바 : 구멍의 깊이 측정(2) 아들자의 눈금 0이 어미자 눈금에 가르키는 지점의 눈금을 읽음(한 눈금의 크기는 1mm 단위, 즉 0.1cm 단위 까지만 읽음)(3) 아들자의 눈금과 어미자의 눈금이 정확히 일직선 상에 일치하는아들자의 눈금을 읽음 (한 눈금의 크기는 0.05mm 단위)(4) 측정 한 두 눈금의 값을 더한다[그림2] 눈금읽는 방법의 예- 아들자의 0이 어미자에 가르키는곳: 24mm~25mm 사이- 아들자와 어미자가 일치하는 곳:0.7mm 지점- 두 누금을 더하면:24mm + 0.7mm = 24.7mm즉, 2.47cm② 유의사항 : -사용 목적에 적합한 켈리퍼스를 선택한다 (종류, 측정 범위, 정도 등을 잘 확인한다)? -과격한 충격을 주지 않도록 한다: 떨어뜨리거나 부딪치지 않도록 한다.망치의 대용품으로 사용하지 않는다.?? -내측 JAW를 손상하지 않도록 주의한다: 컴퍼스나 디바이더 대용으로 사용하지 않는다??-측정전에 각 부의 먼지를 잘 닦는다. 특히, 미끄러운 면과 측정면을 잘 닦는다.??- 슬라이드의 미끄럼상태를 확인하고 이상이 있을 시에는 세트나사, 압축나사를 조정하여 맞춘다.- 외측 측정: 가능한 기준 단면에 가깝게 측정물을 좁혀서 측정한다.본 척의 외측면을 측정물레 밀착해서 측정.-내측 측정: 가능한 내측 JAW를 깊게 삽입하여 측정.내경을 측정 할 때는 지시치가 최대가 되는 점의 값을 읽는다.홈 폭을 측정 할 때는 지시값이 최소가 되는 점의 값을 읽는다.??-깊이 측정 : 깊이 기준면을 공작물에 밀착하여 측정??-보관 / 관리시 준수 사항: 직사광선에 노출되지 않을 것습기가 적고 통풍이 잘 되는 곳자성이 있는 물질이 없는 곳양측정면은 0.2~2mm 정도 간격을 띄워 보관할 것Clamp를 하지 말 것가능한 전용 box에 보관할 것③ 필요성 : - 다양한 형태의 물체의 길이를 측정할 수 있다- 위의 사용법에서처럼 * 조 : 바깥지름이나 두께를 측정* 쇠부리 : 안지름이나 홈의 너비 측정* 깊이 바 : 구멍의 깊이 측정- 간단한 방법으로 0.05mm단위 까지 꽤 정밀한 측정이 가능출처 :http://cafe.naver.com/sunnyandice.cafe?iframe_url=/BoardRead.do%3Farticleid=35http://blog.naver.com/kmkang87?Redirect=Log&logNo=110048673628http://blog.naver.com/srh0320?Redirect=Log&logNo=*************. 마이크로미터[그림3] 마이크로미터① 측정방법 : - 클램프로 잠금을 풀고 나서, 앤빌과 스핀들 사이에 측정하고자 하는 물체를 물린다- 래칫스톱을 천천히 돌려가면서 클릭소리가 날 때까지 천천히 돌린다- 클릭소리가 나면 정확하게 측정물체가 마이크로미터에 물린 것이므로 눈금을 읽는다- 슬리브의 한 눈금: 0.5mm, 버니어의 한 눈금(슬리브의 1/50): 0.01mm- 눈금읽기: (1) 슬리브의 눈금을 먼저 읽는데 버니어가 있는 곳의 세로눈금을 읽는다(2) 슬리브의 가로기준줄과 일직선상에 일치하는 버니어의 눈금을 읽는다(3) 측정한 두 눈금의 값을 더 한다[그림4] 마이크로미터 측정 예②유의사항: - 엔빌과 스핀들부분에 이물질에 들어가지 않도록 주의함- 슬리브와 스핀들 사이에 이물질이 들어가서 스핀들 회전에 영향을 주지 않도록한다- 측정물을 엔빌과 스핀들에 축/직각으로 정확하게 들어가도록 한다- 스핀들이 측정물에 닿기 전에는 래칫스톱을 천천히 돌려 관성에 의해 스핀들이저절로 돌아가지 않도록 주의한다- 측정 전 0점을 확인해야한다- 보관 시 엔빌면과 스핀들면을 살짝 띄어놓아, 열평챙으로 마이크로미터가 커지더라도기계의 변형을 막을 수 있다③ 필요성: 물체의 두께와 외경을 0.01mm(버니커캘리스터의 1/10) 단위로 간단한 방법으로정확하게 측정 가능하다출처: http://100.naver.com/100.nhn?docid=58934http://blog.naver.com/js6727?Redirect=Log&logNo=70008284231http://blog.naver.com/lofu09?Redirect=Log&logNo=110015260347

공학/기술| 2011.10.14| 3페이지| 1,000원| 조회(874)

정밀측정, 마이크로미터, 버니어캘리퍼스

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기계적 성질

기계적 성질① 탄성외력이 작용하여 생긴 변형이 그 외력을 제거하면 본래의 상태로 되는 물체의 성질.-변형도가 가한 응력에 비례할 때, 그 재료는 훅의 탄성 혹은 이상탄성을 나타낸다고 한다. -그 기구는 고무탄성(엔트로피 탄성) 혹은 강철 같은 탄성(에너지 탄성) 등으로 이루어진다.이상적인 탄성체(완전 탄성체)에서는 외력을 제거한 직후에 원래 상태로 되돌아가고 변형이 작은 경우 응력과 변형은 비례한다(후크의 법칙). 응력을 제거하더라도 순간적으로는 변형이 영이 되지 않는(탄성여효), 혹은 응력을 걸었을 때 변형이 순간적으로는 생기지 않는 것(지연 탄성)은 점성에 의한다. 이러한 성질을 점탄성이라고 한다. 변형의 양식에 따라 부피 변화가 따르는 부피 탄성과 부피 변화가 없이 변형이 생기는 형상 탄성으로 구별한다. 변형이 커지면 응력과 변형 사이에 비례관계가 성립하지 않게 된다. 이때 응력을 비례한계라고 한다.* 탄성에너지힘을 받아 일시적으로 변형하는 물체는 밖으로부터의 힘을 잠재적 에너지로 저장하는 상태에 있다. 예를 들면 스프링은 압축됨으로써 에너지를 내부에 저장하며, 활은 시위를 당김으로써 에너지가 축적되므로, 갑자기 힘을 제거하면 이들 에너지가 한번에 밖을 향한다. 즉 변형하고 있는 탄성체는 위치에너지를 가지게 되는데 이것을 탄성에너지라고 한다.* 탄성계수 (단위: Pa, N/m^2)(훅의법칙: 힘이 어느 값 이하일 때물체의 변형량은 힘의 크기에 비례한다.)초기의 작은 힘에 대해 응력과 변형률사이의 비례상수는 물질의 탄성계수라불리며 영의계수 라고도 한다.기본공식 : = E x[응력-변형률 선도]② 전성압축력에 대하여 물체가 부서지거나 구부러짐이 일어나지 않고, 물체가 얇게 영구변형이 일어나는 성질이다. 부드러운 금속일수록 이 성질이 강하고, 불순물이 적을 때 강하다. 또한 온도와 습도의 영향도 받아서, 낮은 온도에서는 전성이 떨어진다.쉽게말해, 재료에 외력을 가해 넓은 판 모양으로 얇게 펼 수 있는 성질(전성이 좋은 금속: Au > Ag > Cu > Al...)③ 취성강인성(强靭性)과 반대되는 성질로서, 여리고 약하여 쉽게 충격 하중(衝擊荷重)으로 파괴되는 성질을 말한다. 물체에 탄성한계 이상의 힘을 가했을 때, 영구변형을 하지 않고 파괴되거나 또는 극히 일부만 영구변형을 일으키는 성질을 말한다. 쉽게말해, 취성은 잘 깨지는 성질인데 대표적으로 유리와 콘크리트를 들 수 있다. 취성은 충격을 실험을 통해 알 수 있다. 각 물체들은 취성을 가지고 있는데 취성이 크다는 것은 잘 깨진다는 의미.④ 소성인장실험에서 알 수 있는 성질로 재료에 외력을 가한 후 외력을 제거했을 때 다시 원래의 상태로 돌아가지 않는 성질. 탄성외력이 작용한 뒤 원래의 상태로 돌아오는 탄성거동의 한계가 지나면 재료는 소성거동을 하게 되고 즉, 소성영역에서 일어난 변형은 힘을 제거해도 돌아오지 않는 영구변형이 된다.⑤ 연성탄성한계를 넘는 힘을 가함으로써 물체가 파괴되지 않고 늘어나는 성질. 전성(展性)과 함께 물체를 가공하는 데 있어 아주 중요한 성질이며, 그 정도는 연신율(延伸率)이나 수축률로 표시하는데, 같은 물체일지라도 온도나 습도 등에 크게 영향을 받는다. 백금·금·은·구리 등의 금속이 이 성질이 풍부하며, 그 중 백금은 지름 0.1㎛라고 하는 아주 가느다란 선으로 늘릴 수가 있다. 즉, 잡아당겼을 때 길게 늘어나는 성질.⑥ 강성재료에 외부에서 변형을 가할 때 그 재료가 주어진 변형에 저항하는 정도를 수치화한 것이다. 이를 표현할 때에는 단위 변화량에 대한 외력의 값으로 나타낸다. 탄성체에 외부의 힘이 가해졌을 때의 변형은 힘이나 모멘트의 크기 외에 탄성체의 형상, 지지방법, 재료의 탄성계수 등에 따라서 달라진다. 일반적으로 재료의 강성은 단위변화량에 대한 외력의 값으로 나타낸다. 인장에서 신장은 외력에 비례하는데, 단위신장을 주는 외력을 신장강성이라고 한다.⑦ 강도 (N/mm^2)재료에 하중이 걸린 경우, 재료가 파괴되기까지의 변형저항을 그 재료의 강도라고 한다. 인장강도·압축강도·굽힘강도·비틀림강도 등이 있다. 즉, 물체의 강한 정도, 단단한 정도.인장강도는 시험편을 서서히 잡아당기는 인장시험으로 측정하며, 압축강도는 짧은 기둥모양의 시료에 축방향으로 압축하중을 가하여 측정한다. 비틀림강도는 둥근 기둥모양의 시료가 비틀림에 의해 파괴되었을 때 가해진 비틀림 모멘트로부터 계산에 의해 구한다.

공학/기술| 2011.10.14| 3페이지| 1,000원| 조회(257)

강도, 연성, 소성, 탄성, 강성, 취성, 기계적성질, 전성

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플랜지 커플링 설계

목 차1. 플랜지 커플링[1] 플랜지커플링의 정의[2] 플랜지커플링의 구조[3] 플랜지커플링의 주요 특징 및 장점2. 플랜지 커플링 설계[1] 축 설계[2] 플랜지커플링 설계[3] 키 설계[4] 볼트 설계[5] 너트 설계3. 이번 설계의 특징4. 플랜지 커플링 설계를 통해 느낀 점1. 플랜지커플링[1] 플랜지커플링의 정의커플링으로 가장 대표적이며 널리 사용되고 있다. 플랜지를 갖는 커플링으로서 강력형이며, 양 축단에 억지 끼워 맞춤한 플랜지를 볼트 또는 리머 볼트로 죄어서 양 축을 연결한다. 보통급은 볼트의 체결력에 의하여 발생하는 플랜지 면의 마찰력으로 회전을 전달한다.[2] 플랜지커플링의 구조①③④②⑥⑤①. Flange Hub②. Reamer Bolt③. Nut④. Spring Washer⑤. Bush⑥. Plain Washer[3] 플랜지커플링의 주요 특징 및 장점- 가장 일반적으로 사용되고 있으며, 지름이 큰 회전축, 고속 회전축에 널리 이용- 동력을 원활하게 전달할 수 있으며 진동과 충격의 흡수능력이 좋다.- 장착, 분해, 정비 등이 간단하고, 장착 시 배열상태를 쉽게 측정할 수 있다.- 두 축 사이에 약간의 축심의 어긋남과 축의 팽창 및 수축은 커플링에서 흡수 가능- 육안 점검이 가능하여 보수시기를 예측 할 수 있다.2. 플랜지커플링 설계[1] 축 설계① 축재료 선정KS기호인장강도항복강도양진동비틀림(피로한도 N=)용도SM45C(1045)604021연결봉, 이음쇠, 축류단위 ()- 강도는 재료가 소성변형을 일으키기 전의 즉, 항복강도를 사용하여 설계 한다.- 전단강도는 재료의 피로도를 고려하여 양진동비틀림응력을 사용한다.- 축의 강도는 큰 토크가 발생해서 파괴될 때 가장 마지막에 파괴되기 위해 큰 강도로 한다.* 재료 물성치자료 출처:http://kin.naver.com/qna/detail.nhn?d1id=11&dirId=1114&docId=59435899&qb=QUlTSSAxMDQ17YOE7IaM6rCV&enc=utf8&section=kin&rank=1&sort=0&spq=0&pid=f%2BzYxz331ywsstBbKUdssv--078675&sid=S@zsjefn7EsAABi3ERk② 축에 발생하는 토크(T)- 굽힘하중과 비틀림하중이 동시에 작용할 경우(동적효과고려)(,은 동적효과계수)* 차축은 고정되어 회전체를 지지하며 축은 회전하지 않는 정지축이다따라서,- 키홈을 고려할 때 토크()* KS규격에서 축지름(80mm)에 맞는 키의 호칭선정 (b x h = 22 x 14)을 이용하여, 키홈을 고려한(b(키의 폭)=22mm, t(키홈의 높이)=h/2=7mm,)따라서최종적으로 축에서의 토크* 안전율을 고려하지 않은 것으로 재료가 파괴되는 최소의 값이다. 따라서은 지름 80mm축이 버티는 최대토크이다.[2] 플랜지커플링 설계① 커플링재료 선정KS기호인장강도항복강도양진동비틀림(피로한도 N=)용도SM45C(1045)604021연결봉, 이음쇠, 축류단위 ()- 축과 같은 재료인 SM45C를 사용한다. (커플링전단응력()은 양진동비틀림강도 사용)- 축과 마찬가지로 만약 재료가 파괴 될 시에 축이나 커플링은 가장 마지막에 파괴 되도록 설계하기 위하여 강도 높은 재료를 선택하고, 축이나 커플링 보다 키나 볼트가 먼저 파괴 될 수 있도록 설계하면 커플링과 축의 강도가 같아도 문제가 없다.② 커플링 설계- 플랜지커플링 뿌리간 거리()극단면계수를 이용하여 (,(축지름)=80 )이므로=100mm하지만, 100mm은 축지름이 80mm일 때 너무작은 값이므로 플랜지규격에 의거하여 140mm으로 선정- 플랜지커플링 목두께(t)(플랜지에 작용하는 토크(T)는 축의 토크()와 같다)목두께(: 커플링뿌리간 거리,: 커플링의 전단응력)하지만, 계산상의 목두께(3.7mm)는 너무 작으므로 플랜지규격에서=140mm일 때 t=30mm- 나머지 플랜지 치수는=140mm일 때 플랜지규격에서 선정? 플랜지커플링 끼움부: 4mm? 플랜지커플링 전체길이(A): 280mm? 플랜지커플링 중심에서 볼트중심까지 길이, 볼트의 피치원 지름(): 200mm? 플랜지가로부 총길이(L)은 키 설계에서 키의 길이로 정한다[3] 키의 설계① 키 재료 선정KS기호인장강도항복강도양진동비틀림(피로한도 N=)용도SM30C(1030)483015볼트, 너트, 기계부품단위 ()- 키의 강도는 축이나 커플링보다 강도를 약하게 하여 먼저 파괴될 수 있도록 설계하기 위해서축과 커플링의 강도보다 낮은 SM30C를 선택한다 (키전단응력()은 양진동비틀림강도 사용)② 키 설계- 키의 길이(L) (축설계에서 정했듯 키규격에서 축지름=80mm일 때, 키의 b x h = 22 x 14)(키에 작용하는 토크(T)는 축의 토크 ()과 같다)키의길이(b: 키의폭, d:축지름,:플랜지전단응력)[4] 볼트설계① 볼트재료 선정KS기호인장강도항복강도양진동비틀림(피로한도 N=)용도SM20C(1020)402513볼트, 너트, 모터축단위 ()- 볼트의 강도는 가장 먼저 파괴될 수 있게 축, 커플링, 키보다 약하게 하여 설계하기 위해서가장 강도가 낮게 SM20C를 선택한다(수직강도는 항복강도(), 전단강도()는 양진동비틀림강도 사용)② 볼트 설계- 볼트의 개수볼트의 개수(d: 축지름)따라서, 볼트의 개수는 8개- 볼트의 안지름()볼트에 생기는 전달토크(T=, 여기서 전달토크(T)는 축의토크()와 같다)?(z: 볼트개수, Q: 볼트 1개에 작용하는 인장력,: 플랜지면의 마찰계수(0.3),: 피치원지름)?(z: 볼트개수,: 볼트의 전단응력,: 피치원지름)볼트의 전달토크볼트의 안지름따라서 볼트는 M16(안지름: 13.835mm)을 써야하지만, 다른 요소인 축, 커플링, 키 보다 먼저파괴되기 위해서 한 치수 작은 M14(안지름: 11.835mm)을 사용한다[5] 너트 설계너트는 M14 미터 보통 나사의 규격에 맞는 너트를 사용하고, 커플링에 토크가 작용하므로 너트와 커플링의 체결력보다 큰 전단력이 작용하면 너트가 풀릴 수 있으므로 너트의 풀림을 방지하기 위하여 너트와 접촉면 사이에 탄성이 큰 스프링 와셔를 넣어서 너트와 와셔가 서로 밀어내려고 함으로써 너트가 꽉 끼여서 풀리지 않게 한다. M14너트(KS B 1002), 스프링와셔(KS B 1324)*너트, 스프링와셔 자료 출처:http://blog.naver.com/munbs1213?Redirect=Log&logNo=30101614758&topReferer=http://cafeblog.search.naver.com&imgsrc=20110127_237/munbs1213_*************vKG4M_JPEG/%BD%BA%C7%C1%B8%B5_%BF%CD%BC%C5.jpg3. 이번 설계의 특징- 이번 설계에서는 안전율을 고려하지 않았다. 따라서 실제로 사용되는 축에 비교하기에는 무리가 있었다. 예를 들어 자동차 축을 설계한다면 자동차 축에 사용되는 축은 안전율이 고려하여, 원하는 축지름과 축에 전달되는 비틀림모멘트를 사용하여 그에 맞은 강도를 가진 재료를 선정할 것이다. 하지만 안전율을 고려하지 않은 이번 설계에서는 정해진 축 치수를 이용하여 일반적으로 많이 사용하는 재료를 선정하여, 최대강도로 최대 토크를 사용해서 설계했기 때문에 실제 사용되는 축과의 비교는 무리가 있다.- 축, 커플링, 키, 볼트의 재료는 강도 크기순위(축>커플링>키>볼트)를 고려하여 선정하였다.

공학/기술| 2011.10.14| 8페이지| 2,000원| 조회(1,658)

커플링, 요소, 축, 요소설계, 플랜지커플링, 축설계, 커플링설계

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변형률(스트레인) 측정방법

1. 변형률(Strain) 측정방법① 접촉식 :- LVDT(접촉식 변위측정 센서) :* LVDT(The linear variable differential transformer)는 선형 거리 차이를 측정하는 전기적 변환기 형태를 말하는데 3개의 솔레노이드 코일이 튜브 주변에 위치하고 있다. 가운데 코일이 주된 것이고 나머지가 두 개가 바깥에 위치하고 있다. 실린더 형태의 자석 코어가 튜브 중심을 따라 이동하여 측정 대상의 위치값을 알려준다.* 작동방법 : 절연된 튜브를 따라 3개의 코일이 대칭적으로 배치되어 있는 경우, 가운데 코일은 1차코일 나머지 양쪽 코일은 2차 코일로서 서로반대방향으로 감겨있고, 직렬 연결되어 있다. 코어가 튜브를 통해 이동하게 되면 그 변위를 측정하게 된다. LVDT의 출력은 서로 다른 두 변위에 대해 동일한 크기의 출력전압이 나온다. 따라서 두 변위를 구별하기 위해 위상차가 180도가 나는 것을 판별해야한다. 일반적인 LVDT는 유효변위가 ±2mm에서 ±400mm 정도이고, 비선형 오차는 대략 ±0.25% 정도이다. LVDT는 변위를 계측하고자 하는 표면에 연결되거나 장치에 나사 체결되어있다. 또한 직접적인 변위 이외에도 힘, 중량, 압력 등의 계측에도 많이 사용되는데 이때는 이러한 물리량이 변위의 형태로 나타나도록 해야한다.* 장정 : 1) 비접촉 검지가 가능하다.2) 긴 수명, 높은 신뢰성.3) 에너지 보존이 가능하다.(영구 마그네트의 이용)4) 습도 등의 영향을 받기 어렵다.5) 비교적 값이 싸다.- 스트레인 게이지 :스트레인 게이지(Strain gage)는 “스트레인” 즉, 물체에 외력이 작용하여 물체의 변형이 일어나는 효과를 이용하여 재료의 응력, 스트레인을 측정하는 센서이다.스트레인 게이지에는 금속 스트레인 게이지와 반도체 스트레인 게이지가 있다.* 금속스트레인게이지 : 금속저항선은 외력에 의해신축 즉 단면적과 길이가 변화함으로써 전기저항이변하게 되는 효과를 이용한 것[금속저항선 스트레인게이지]* 반도체 스트레인게이지 : 분이 있어 음파가 되 돌아아온 시간차를 분석하여 물체의 변위를 감지한다.- 와전류 변위센서 :와전류 변위센서는 검출코일로부터 나오는 고주파 자계속에 금속물체가 접근하면 근접하는 금속물체에서 전자유도현상에 의한 유도전류가 흐른다. 이 전류에 의해 자계가 발생하고 이 자계는 검출코일에 의한 자계를 감소시키는 방향으로 움직인다. 이 결과 검출코일의 임피던스를 변화시켜 발진회로의 발진상태로 유지할수 없게된다.*검출대상물이 센서Head에 접급 -> 검출대상물의 표면에 와전류가 발생 -> 와전류손실로인한발진에너지 감쇠 -> 발진진폭이 검출거리에 비례 -> Linearize 보정 -> 아날로그변위출력레이저식초음파식와전류식검출대상물체투명체, 경명체를 제외한 모든것거의 모든 물체금속측정거리보통김짧음정도높음낮음높음응답속도빠름느림빠름먼지, 기름, 물 등보통보통강함측정면작음중간~큼큼- 각 변위센서 비교2. 스트레인 게이지의 종류 및 원리① 스트레인게이지의 종류- 단축 스트레인 게이지 :응력의 방향이 알려져 있는 경우에 사용 되는 직경 0.02 ~ 0.015mm 애드밴스(Ni:43 %,Cu:57%) 선의 것이 많다. 절연 재료인 베이스의 재료는 종이, 베크라이트와 포리에스터 등이 있다. 종이 게이지는 단시간 측정에 베크라이트와 포리에스터 게이지는 내습 내구성이 크므로 높은 습기 안에서의 측정과 장시간 의 측정에 사용된다.- 양축 스트레인 게이지 :피측정체의 주응력의 방향이 확 실치 않을 경우 주응력의 방향과 크기를 구하기 위해서 사용되는 것으로 2축과 3축이 있으며 때때고 이형방향의 것이 쓰이기도 한다.- 로젯 스트레인 게이지 :섬유들은 특정 방향을 향하고 있기 때문에 스트레스와 스트레인의 관계는 가해진 방향뿐 아니라 소재 내부의 방향 간의 상호 작용에 의해서도 영향을 받는다. 이러한 효과를 창문 브라인드를 열고 닫을 때의 상황에서 유추할 수 있을 것이다. 이 과정에서 블라인드에 가해지는 압력은 거의 없으므로 블라인드는 망가지지 않는다. 하지만 무릎 위에서 블라인드를 휘는 것은 방향 스트레인이 작은 범위 에서는 다음 식이 성립한다.여기서 v는 푸아송비이고, ?l/l 은 저항의 스트레인 을 의미한다. 식(2)를 으로 나누면가 되는데, 여기서 G는 게이지율(gauge factor)로 정의 된다. 식(3)에서 저항선의 저항 변화율과 게이지율을 알면 스트레인을 구할 수 있음을 알 수 있다.대부분의 금속합금에서 게이지율은 -12에서 +6까지 변하며, 스트레인 게이지에 가장 많이 사용되는 Advance(Ni : 45% , Cu : 55%)의 게이지율은 2.0부근이다.게이지율은 각각의 스트레인 게이지마다 다르며 제조회사에서 온도 보정곡선과 함께 소수점 이하 두 자리까지 제공하는 것이 보통이다.3. 스트레인게이지 부착 및 사용방법피측정물의 스트레인 게이지를 접착하는 장소(스트레인 게이지의 면적보다 넓은 범위)를 사포(#100~300)로 원모양으로 연마한다.(실제 구조물등의 경우는 도장, 녹, 페인트를 글라인더로 제거후 사포로 연마한다.)게이지를 붙일 장소에 중심선을 표시한다. 피 측정체의 표면이 얇고 부드러운 경우에는 5H, 6H의 제도용 연필을 사용한다.스트레인 게이지의 접착장소의 탈지, 세정을 행한다. 탈지면이나 거즈에 아세톤과 같이 휘발성이 높고 유지를 용해하는 작용을 사용하는 용제를 묻혀 한 방향으로 강하게 문지른다. 이때 왕복하여 닦으면 세정이 되지 않으므로 주의 요망.접착제 준비한다. 뚜껑을 열고 튜브에 부속품인 핀으로 구멍을 낸다. 그림과 같이 케이스의 끝을 잡고 작업을 한다.만일 튜브의 본체를 잡으면 접착제가 갑자기 뿜어져 나오므로 주의 해야 한다.또한 접착제가 눈에 절대 들어가지 않도록 주의한다.게이지의 앞, 뒤를 확인하여 게이지의 뒷면에 접착제를 떨어뜨린다.접착제는 급속하게 굳어버리므로 절대로 게이지에 접착제를 바르지 말아야 한다.접착제를 떨어뜨린 게이지를 피측정체에 표시한 중심에 맞추어 붙이고 부속품인 폴리에티렌 시트를 덮는다.그림에서와 같이 엄지손가락으로 게이지를 1~2분간 누른다.접착제가 급속하게 굳어버리기 때문에 접착제를 붙이위치하고 대각선 cd를 잇는 저항이나 전압계를 브리지로 하는 회로를 휘트스톤 브리지라고 한다. ab 사이에는 기전력이 주어진다. 일반적으로 P, Q는 정해진 값을 가지는 저항을 사용하고 R에는 가변저항을 사용한다. X에 미지의 저항을 연결하고 브리지로 전압계나 검류계를 사용하면 X의 저항값을 측정할 수 있다. ab 사이에 주어지는 기전력 E를 저항 P와 R이 나누는 것과 저항 Q와 X가 나누는 것이 같다면 cd 사이의 전위차가 0이 되는 원리를 이용하여 X의 저항값을 측정한다. cd 사이의 전위차가 0이 되기 위해서는 저항비가 P/R=Q/X이 되어야 한다. P와 R은 정해진 저항값을 가지므로 가변저항 R을 조절하면 두 저항비가 일치하게 만들 수 있다. 따라서 cd 사이의 전압계의 전압이 0이 되도록 가변저항 R을 조절하면 X=(QR)/P의 값으로 결정된다. 검류계를 사용하는 경우에는 cd 사이의 전류가 0이 되도록 가변저항 R을 조절한다. 저항 X의 자리에는 일반적인 회로에 사용되는 저항소자가 아니더라도 저항을 띄는 물체를 연결할 수도 있다. 스트레인게이지를 X로 사용하여 물체의 변형을 측정할 수 있다.② 휘스톤브릿지의 종류스트레인게이지를 휘스톤 브리지에 연결하는 기본적인 3가지의 휘스톤 브리지 결선법을 나타낸 것. 적용 용도에 따라 결선법을 선택해야 하며, 이에 따라 휘스톤 브리지의 출력값이 바뀐다.1) Quarter-Bridge1개의 스트레인게이지를 사용하여 관심있는 한 점의 변위를 측정할 때 주로 사용되는 방법.《Quarter Bridge》2) Half-Bridge2개의 스트레인게이지를 사용하며, 자체 온도보상을 위해 1개의 스트레인게이지를 견본으로이용. 이외에도 1개의 스트레인게이지는 인장을 받고 다른 스트레인게이지는 압축을 받는 두 지점을 측정하여, 축방향 변위등을 측정할 때 사용.《Half Bridge》3) Full-BridgeHalf-Bridge의 연장으로 4개의 스트레인게이지를 사용하여 출력값의 민감도를 향상시킬 때 사용.《Full Bridge》yk값 이 있을때 함수 f가 다음과 같이 정의된다.( xk ,yk )값을 데이타 점(data point)라 하고 f를 이 데이타 점을 잇는 보간함수(interpolant)라고 부른다. yk 가 함수 f에 의해 주어질 때 yk 를 fk.로 쓰여지기도 한다.② 예제를 통해 알아보는 보간법의 종류? 예 제예를 들어 알려지지 않은 함수 f의 값이 아래의 테이블 값처럼 주어졌다고 가정하자.x f(x)0 01 0 . 84152 0 . 90933 0 . 14114 ?0 . 75685 ?0 . 95896 ?0 . 2794x=2.5일때 값은 무엇일까?? 선형보간법(linear Interpolation)선형보간법은 보간법중 가장 간단한 방법중에 하나이다.단순히 알려진 데이타 점들을 오른쪽 그래프와 같이선형으로 이어주기만 하면 된다. 이를 근거로 위에언급한 f(2.5)의 값을 결정해보도록 하자. 알려진값2와 3에 대하여 f(2)=0.9093, f(3)=0.1411 이므로f(2.5)는 0.5252가 된다.일반적으로 선형보간법은 두 데이타 점들인 (xa,ya)와 (xb,yb)가 주어졌을때 그 사이의 (x,y)점에 대한보간함수는 다음과 같이 주어진다.선형보간법은 쉽고 빠르다. 하지만 그리 정확한 방법은 아니다. 게다가 각 데이타 점부분(xk)에서 미분이 가능하지 않다.? 다항식 보간법(Polynomial interpolation)다항식 보간법은 선형보간법을 일반화 시킨것과 같다. 선형보간법은 1차 다항식인 반면다항식 보간법은 2차 이상의 다항식을 가진다.선형 보간법에서 언급한 예제를 생각해보자.7개의 점을 전부 통과하는 다항식은 아래와같은 6차 다항식이어야 한다.f(x) = ? 0.0001521x6 ? 0.003130x5+ 0.07321x4 ? 0.3577x3 + 0.2255x2+ 0.9038x.x=2.5를 대입하면 f(2.5)=0.5965 이다.일반적으로 n개의 데이타가 있는 경우 다항식의 차수는 n-1차가 된다. 왜냐하면 이 n개의 데이타를 전부 통과해야 하는 곡선을 선택해야하기 .

공학/기술| 2011.10.14| 10페이지| 1,500원| 조회(1,501)

보간법, 스트레인게이지, 스트레인, 휘스톤브릿지, 변형률, 변형율

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