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냉각 곡선을 이용한 상태도 실험 평가B괜찮아요

1. 실험 제목냉각곡선을 이용한 상태도 실험2. 실험 목적본 실험에는 물질의 상변태 온도를 열분석 방법을 이용하여 측정함으로써 상태도를 작성하여, 이로서 물질의 상변 태를 열역학적으로 이해하는데 목적이 있다. 또한 상태도에 대한 전반적인 이해를 증진시켜, 이를 이용하여 상변태 및 결정구조를 예측하고 합금설계 및 열처리 등의 실 공정에 응용하는 능력을 기른다. 또한 Hot plate와 열전대의 사용법도 익힌다.3. 이론실험의 목적을 이해하고 데이터 분석을 위해서는 뉴우튼식 고상액상의 반응(공정, 공석, 포정, 포석), 상태도, Seebeck Effect, Gibbs phase rule 및 상변태등의 이론습득이 필수적이다. 상변 태에 따른 냉각곡선의 기울기 변화를 이론적으로 고찰하기 위해서는 뉴우튼식의 이해가 필요하며, 냉각곡선을 이용하여 상태도를 완성하고 완성된 상태도를 이해하기 위해서는 Gibbs phase rule 및 고상과 액상의 반응 등을 알아야 한다. 또한 실험에 사용되는 열전대의 작동원리를 이해하기 위해서는 Seebeck Effect를 알아야한다.① 뉴우튼 식평형조건에서 모든 시편의 구조 및 조직에 변화가 일어나는 특정온도는 물질의 고유한 성질이다. 그러므로 시편을 일정속도로 가열하거나 또는 냉각하여 그때의 온도곡선의 기울기 변화로부터 변태온도를 얻게 된다. 상변태도를 그릴 때의 변태점들은 대게 냉각곡선으로부터 얻어진다. 그 이유는 냉각곡선이 액체상태의 금속을 교반하고 균질하게 하는데 유리하기 때문이다. 그러나 고체상의 핵생성은 과냉각을 필요로 하기 때문에 결정화가 일어나기 전에 나타나는 응고점보다 더 낮은 응고온도를 가지는 단점이 있다. 열분석은 상이나 구조의 변화와 함께 열의 방출이나 흡수가 다르게 된다는 사실로부터 이와 같은 열적 변화를 측정함으로서 계의 상변화와 구조변화를 분석하려는 금속학적 측정 방법을 말한다.◎ (Newton's law of cooling)뉴우튼 식이란, 뉴튼의 경험주의적 냉각법칙에 따르면 물체의 냉각비율은 물체의 온도와 주, 잠열도 방출하지 않는 현상을 말한다. 과냉각 상태에서 일단 결정핵이 생성되면 온도가 용융점으로 올라가면서 결정은 급격하게 성장하기 시작한다. 방열과정에서 이러한 과냉각 현상으로, 용액의 온도는 열에너지의 사용온도보다도 내려갈 수 있으며, 축열기를 효율적으로 사용하는데 방해요인이 된다.물질에는 각각 그 때의 온도에 따른 안정상태가 있어서, 온도를 서서히 변화시켜 가면 이에 따라 그 물질의 구성원자가 각 온도에서 안정상태를 유지하면서 온도의 변화를 따라갈 수가 있다. 그러나 온도가 갑자기 변하면 구성원자가 각 온도에 따른 안정상태로 변화할 만한 여유가 없기 때문에, 출발점 온도에서의 안정상태를 그대로 지니거나, 또는 일부분이 종점 온도에서의 상태로 변화하다가 마는 현상이 일어난다. 즉, 어떤 온도 T를 경계로 하여 그 이상에서는 다른 결정형의 고체가 되거나 또는 녹아서 액체가 되는 변화가 있는 경우, 그 물질을 T 이상의 온도에서 어느 정도 이하로 급랭시키면 그 변화가 일어나지 못하고, 응고점 이하인데도 여전히 액체인 채로 있거나, T 이하인데도 그 이상의 온도에서 가진 안정한 결정형인 채로 있는 현상이 일어난다. 이것을 지나치게 빨리 냉각했다는 뜻에서 과냉각이라 한다.과냉현상과 유리체 형성 및 결정 성장의 관계는 재료공학에서 널리 사용되고 있는TTT(Temperature-Time-Transformation)곡선을 그려보면 쉽게 이해할 수 있다.② 공정, 공석, 포정, 포석반응어떤 순금속에 다른 금속이 소량첨가하면 응고점이 순금속보다 내려간다. 이것은 순금속이 응고하려 할 때 첨가된 금속의 확산운동 때문에 액상선과 순금속 B에 A의 함량 때문에 내려간 액상선이 만나는 점을 eutectic point라 하고 eutectic temperature라고 한다.◎ 공정반응?공정반응(eutectic reaction) 이란 A-B 2원계 합금의 평형상태도에서 X조성(성분)에 해당한 합금을 융액에서 천천히 냉각시키면, 융액으로부터 동시에 A금속과 B금속이 정출되는 반응이다.직으로 불리는 실용상 매우 중요한 것이다.◎ 포정반응?포정반응( Peritectic reation)이란 액상과 초정이 공존하는 상태로부터 별개의 고상이 정출하는 반응으로서 초정을 새로운 고상이 감싸도록 반응이 진행되는 데로부터 포정반응이리고 부르게 되었다. 이의 비근한 예로서 강을 들 수 있다. C농도 0.5%이하의 조성을 가진 용탕이 응고하면, 먼저, 초정으로서 δ상이 정출한다. 온도가 내려가서 1495℃ 의 포정온도에 이르면, γ상이 액상 중에 있는 δ상 주위에서 정출한다. 즉 L + δ→ γ 반응이 일어난다.◎ 포석반응?포석반응( Peritectoid reaction)은 포정반응과 비슷하며, 고상과 고상에서 새로운 고상의 석출된다.α + γ → β③ Gibbs phase rule만일 C 개의 화합물과 P개 의 상이 있는 경우 계를 기술하는데 필요한 식의 수는 화합물 당(P-1)의 식이 필요하다. 즉 C[P-1]의 식이 필요하다. 변수의 수는 상 1개당 C-1의 조성변수가 필요하다 예로써 3개의 화합물 A, B, C가 있는 경우 A의 몰분율이 0.1이고 B가 0.4이면 C는 0.5이다. 즉 3개의 화합물에 대해서는 (3-1)의 조성변수가 필요하다. 온도와 압력도 역시 변수 이므로 변수의 총 수는 조성변수 P[C-1]과 온도 및 압력 변수를 합한 P[C-1] + 2 가 된다. 자유도는 변수의 수에서 식의 수를 빼면 되므로 F=C-P+2가 된다.◎ 일성분계, 다성분계에서의 Gibbs의 상법칙?열역학적 측면에서 평형상태에서 공존하는 상의 수를 계산하기위해서는 다음과 같다.P + F = C + N여기에서 P = 한 계에서 공존하는 상의 수C = 계 내의 성분의 수F = 자유도N = 조성외의 변수※ 일성분계에서는 N값은 2이다 (온도, 압력)○ 삼중점에서 3가지 상은 평형상태로 공존하며, 계에 한 성분(물)이 있기에 자유도의 수는 P + F = C + 23+ F = 1 + 2∴ F = 0 (자유도)어떤 변수(온도 또는 압력)도 변화될 수 없고, 3상이 공존해 는 삼음과 같은 응축계의 상률을 가지게 된다. (N=1)P + F = C + 1④ Seebeck effect금속에 온도구배가 생길 때는 고온부분에 있는 전자가 저온부분에 있는 전자보다 더 높은 Kinetic energy를 가지게 된다. 결과적으로 전자는 평균적 Kinetic energy를 낮추기 위하여 고온부애서 저온부로 흐르게 된다. 따라서 전자가 저온부로 확산될 때 Seebeck effect 전압이 걸리게 된다. 이 전압이 전자를 고온부로 다시 끌게 된다. Seebeck 전압이 thermal driving force와 같이 되었을 때 평형이 유지된다.①Seebeck effect란?2개의 서로 다른 금속을 그림과 같이 조합하여 열전쌍(열전대)으로 접속하고, 접속점을 서로 다른 온도로 하면 이 회로에는 일정한 방향으로 전류가 흐르는 현상을 제베크효과(Seebeck effect)라 한다.그림 1-50 제베크 효과 때의 에너지대그림 1-50의 위쪽에 나타낸 것처럼, 일부분에 n형 반도체를 사용한 금속 환상 회로의 에너지대 구조를 조사해 보면 다음과 같다. 이것은 고온부에서 많은 전자가 여기 되어 충만대에서 전도대로 이동되고 저온부 쪽으로 확산된다. 이에 따라 상대적으로 고온부에서 저온부 쪽으로 향하는 전기장이 생기므로 반도체 내부의 에너지 준위가 경사를 이룬다. 따라서 양측 금속의 페르미 준위 사이를 온도차가 생겨 고온부가 양전위의 열기전력이 생기고, 또 p형 반도체일 때에는 이 작용이 반대로 되어 저온부가 양전위의 열기전력이 생긴다.⑤ 열전대의 원리열전대는 원자로, 항공기, 동력계통, 제철소 등의 여러 공정에서 온도를 감지하는 방법을 제공하며, 구조가 간단하고 가격이 싸며, 내구성이 있고 많은 응용 면에서 비교적 정확히 온도를 측정할 수 있는 온도계이다.열전대는 또한 183℃ 이하에서부터 2500℃ 근처까지의 넓은 온도 범위를 0.1 ~ 1 ％ 정도의 정확도로 측정할 수 있으며, 출력을 측정하는데 측정 계기가 간단하고 회로상의 잡음이 덜 받는 낮은 임피던스를 갖는 장동하게 되는 것이다.이러한 현상을 이용, 한쪽을 일정한 기준점으로 만들고 측정하고자 하는 고온 측을 미지 온도차로 하면 측정하고자 하는 접속점의 온도가 변하면 미지의 온도에 대응되는 열기전력만을 정확히 측정함으로써 공업적으로 양측 변화측정이 아닌 온도측정 개념이 되는 것이다.이때 일정한 온도 유지 점을 기준 접점이라 칭하며, 측정하고자 하는 지점인 점을 측온 접점이라 부른다. 즉, 열전효과는 서로 다른 금속을 접속하여 양단의 온도차가 발생하면 열전류가 흐르고, 한 끝을 개방하였을 때는 양단에 기전력이 존재하는 것인데 이 효과를 이용하여 열전대를 온도 측정에 이용하게 하는 것이다.◎ K 열전대구성 성분 : +극 [Ni, Cr]-극 [Ni, Al]측정 온도 : -200~1200℃특성 : 일명 CA열전대. 크로멜/알루멜. 1960년대 크로멜/알루멜의 상표로 개발된 비금속 열전대.내열성, 내식성, 안전성 양호.온도 직선성이 양호해 1000℃ 까지의 산화, 불활성 가스에서 다용.정도?안전성, 열기전력이 크며 적정한 가격으로 널리 이용.문 제 점 : 1000℃이상에서 장시간 사용 시 드리프트 발생 ( 산화, 특히 두 소선의 내부 산화에 따른 불균질 조성 변화에 기인 )250~500℃범위에서 가열. 냉각에 수반하는 열기전력의 단시간 사이클 변동이 있다 ( 구조적 불균질에 의한 +극의 short-range ordering 현상 )50~250℃범위에서 가역적인 열기전력의 시프트 ( -극의 자기 천이에 따른열자기 효과의 영향 )원자력 관계에서 방사선 노출에 기인하는 드리프트 ( 중성자 조사에 의한 -극의 용질 성분의 변질에 수반하는 조성 변화 )열 화 : ( 표면 상황이 변화하는 원인에 따라 구별 )정상 열화 : + 극의 표면에 Cr2O3의 산화 피막을 입힌 상태에서 사용 Cr2O3 산화 피막이견고하면 합금과의 밀착성 양호하며 내측 금속에 대해 보호 피막이 된다. +극 (크로멜)은 고온 사용 시 진행되는 크로멜 표면 부근의 Cr 산화이고 최초에 치밀한 산화막이 형성되면 산화 진 기울

공학/기술| 2004.06.01| 9페이지| 1,000원| 조회(773)

열전대, 뉴튼, 상태도, 상변태, gibbs

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리소그래피

1. 리소그래피란?리소그래피(lithography)는 미술계통에서 석판화라는 이름으로 시작되었으며, litho(돌) + grphy(그림)의 합성어이다.제조 공정은, 웨이퍼위에 포토리지스트라는 물질을 바른 후 마스크(우리 실험에서는 글래스)라는 투명판에 그려질 부분만 검게 칠해진 판을 웨이퍼 위에 놓고 자외선이나 다른 고주파빛을 쏘인다. 그러면 빛에 가려진 부분은 반응을 하지 않고 자외선이 닿은 부분만 검게 변하거나 또는 화학적으로 불안정하게 된다.이를 다시 어느(?) 용액에 넣으면 불안정한 부분만 씻겨나가고 나머지 부분은 남아있게 되는데 이때 판위에 발라진 포토리지스트는 일종의 보호막 역할을 한다. 이 물질은 확산공정, 산화공정, 이온주입 등에서 방패역할을 하여, 씻겨간 부분에만 반응이 일어나 반도체물질을 주입한다. 이렇게 리소그래피 1공정이 끝나게 된다. DRAM 한개 제조에 대략 70번 정도의 리소그래피 공정이 필요하다이 리소그래피는 반도체 제조에 있어 빠트릴 수 없는 중요한 공정이다. 또한 반도체 제조에서 가장 개선하여야 할 공정 중에 하나가 바로 리소그래피이다. 리소그래피가 잘 되어야 최소 선폭을 더 줄이고, 고집적을 하는 등의 문제를 논할 수 있다. 그러므로 파장이 짧은 X-ray나 고에너지 전자 가속장치 등을 써야 한다. 하지만 이때 방사능이 문제가 된다. 방사능 문제가 해결되고, x-ray를 막을 수 있는 포토리지스트가 발명되면 아마 지금보다 더 좁은 선폭을 구현할 수 있을것이다.또한, 스케일링 이론이 필요하다. 크기가 계속 작아질수록 기존의 이론과는 차이가 생기기 때문이다. 스케일링 이론이 있어도 새로운 oxide가 필요한데, 이는 커페시터가 작아지기 때문이다. 하지만 용량은 키워야하기 때문에 새로운 산화물이 필요한데, 근래엔 HfO2가 많이 이용된다.칩이 작아지고 트랜지스터가 많이 들어갈수록 단위 면적당 발열량이 매우 커진다. 열로 인한 온도 상승은 반도체 동작을 방해하고 이상동작, 심지어 회로 파괴로 이어지므로 패키지에 쓸 물질이 방열을 잘할수 있도록 해야한다.2. 응용분야미세 가공 기술 개발의 선두에 있는 DRAM 기술에 있어서 리소그래피 기술은 항상 전체 기술의 개발을 좌우하는 중요한 요인이 되어 왔다. 현재 리소그래피 기술에 있어서 주된 관심사는 광학 장비의 사용 한계에 대한 것이다. 우선 248nm의 파장을 가지는 KrF 장비의 한계는 어디까지인가 하는 것이다.최소 선폭 0.15㎛의 형성은 이미 가능하다는 것이 보고되어 있고, 0.13㎛까지는 적용 가능할 것으로 판단되고 있다. 193nm의 파장을 가지는 ArF 장비는 0.13㎛부터 등장해서 0.10㎛ 기술에서부터 주된 리소그래피 장비가 될 전망이다. 비광학 장비의 등장은 아직 풀어야 할 과제가 많은 관계로 실용화는 아직 전망이 이르다. 광학 장비의 축적된 경험 등에 의해 파장이 더욱 줄어든 광학 장비의 개발이 비광학 장비에 비해 선호될 가능성이 있는데, 157nm의 F2[3] 및 126nm의 Ar[4] 장비가 주목받고 있다.Giga Bit 시대의 리소그래피 기술은 장비나 마스크 자체만의 기술이 아닌 집적 공정 전반의 기술적 검토를 필요로 하고 있다. 광학적 해상도와 반비례의 관계를 가지는 초점심도(DOF, Depth of Focus) 문제의 경우, 반도체 기판 자체의 평탄화를 도모하기 위해 화학적 기계적 연마(CMP, Ch-emical Mechanical Polishing) 공정을 광범위하게 사용하거나, 다층의 감광막을 사용하여 광학계가 느끼는 기판 단차를 줄여주는 방법이 이용되고 있다.다른 한편으로는, 무반사막(ARC, Anti-Reflecting Coating/Layer)의 사용이 필수 요소로 등장하고 있다. 레이아웃에 있어서도, 인접 패턴간의 상호 작용에 의한 패터닝 왜곡을 미리 보상하여 주는 OPC(Optical Proximity Correction) 기술의 도입이 필수적인 것으로 판단되며, 초기 단계의 상업화된 소프트웨어의 이용도 이루어지고 있다.

공학/기술| 2004.06.01| 2페이지| 1,000원| 조회(685)

반도체, DRAM, 리소그래피, 석판화, 리소

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결정의 전기 전도도

1. 실험 제목결정의 전기전도도2. 실험목적금속 박막과 반도체의 온도변화에 따른 전기전도도의 변화를 비교하고 전기 전도도의 차이가 나는 이유를 실험을 통하여 검증한다.3. 이론전기전도도는 용액이 전류를 운반할 수 있는 정도를 말하며, 용액중의 이온세기를 신속하게 평가할 수 있는 항목으로서 전기저항의 역수 ohm-1 또는 mho로 나타내나 현재는 국제적으로 S(Siemens) 단위가 통용되고 있다. 측정원리는, 용액에 담겨있는 2개의 전극에 일정한 전압을 가해주면 가한 전압이 전류를 흐르게 하며, 이때 흐르는 전류의 크기는 용액의 전도도에 의존한다는 사실을 이용한 것으로 어떤 전도체에 저항 R은R(Ω) = (ρ ? ℓ) / A과 같은 식으로 표시할 수 있는데 여기에서 ρ는 저항도(Ω?㎝)이고 ℓ은 두 전극간의 거리(㎝), A는 단면적(㎠)이므로 전기전도도 L은L = 1/R = (A / ℓ)?K가 된다. 여기에서 K(= 1/ρ)는 비전도도(mho.㎝)이며 동일 측정계를 사용할 경우 셀의 규격은 일정하므로 두 전극간의 거리와 단면적은 무시할 수 있다. 따라서 측정결과는 측정된 시료의 전기전도도 값(mho)에 셀 정수(㎝-1)를 곱하여 시료의 전기 전도도값(μmhos/㎝)으로표시한다.그러나현재는국제단위계인 mS/m(millisimens/meter) 또한 μS/㎝(microsimens/centimeter)단위로 측정결과를 표기하고 있으며 여기에서 mS/m = 10 μS/㎝(또는 10μmhos/㎝)이다. 또한 전기전도도는 온도차에 의한 영향(약 2%/℃)이 크므로 측정 결과값의 통일을 기하기 위하여 25 ℃에서의 값으로 환산하여 기록한다.1. 금속의 전기전도도1-1. 전기전도도의 열적인 성분금속의 자유전자는 격자를 누비며 운동을 하고 다니는데, 금속의 전기전도도의 근원은 이러한 자유전자의 행동에 있다. 온도가 높아지면 격자 산란이 발생한고 그에 따라 전자의 자유 이동경로가 짧아지게 된다. 자유이동경로가 감소한다는 것은 그만큼 전자 이동에 방해가 되는 요소가 많아진다는 것을 의미하고, 전자의 이동이 어렵게 됨으로 전기 전도도가 낮아진다.1-2. 전기전도도의 불순물 성분금속의 전기 전도도는 불순물을 첨가하면 감소한다. 이 감소는 불순물 원자들에 의한 산란의 증가로 인해 일어난다. 불순물 원자는 격자변형을 유도하여 전자 흐름에 대한 산란 중심체 역할을 한다. 그런데 이 불순물 원자들의 산란이 되어 전자의 이동을 방해하여 전기전도도를 감소시킨다.1-3. 전기전도도의 결함 성분2. 반도체의 전기전도도반도체란 전기 전도도가 도체 (주로 금속)와 부도체 (주로 금속 산화물, 돌이나 유리 등)의 중간정도가 되는 물질을 뜻한다. 반도체의 전기 전도도는 불순물을 첨가함에 따라서 매우 광범위하게 변화될 수 있기 때문에 산업적으로 매우 중요한 비중을 차지하고 있다. 반도체에 불순물을 많이 첨가하면 도체와 거의 비슷할 정도의 전기전도도를 갖게 되는 반면 산소와 결합시키면 부도체처럼 전기를 전혀 통하지 않게 하는 성질을 갖고 있다. 그러니까 이런 성질을 잘 이용하면 전기회로를 작은 면적에 그려 넣을 수 있게 되는데 바로 이것이 집적회로 (IC, integrated circuit)이다.반도체에 인(P)이나 안티몬(Sb), 인듐(In), 알루미늄(Al) 등의 불순물을 조금 넣으면 순수한 반도체보다 전기를 잘 통하게 된다. 이것을 불순물 반도체라고 한다.2-1. 진성 반도체의 전기전도도진성반도체는 0K에서 전자로 꽉 채워진 가전자대와 비어 있는 전자대가 보통 2eV보다 적은 에너지 밴드 갭으로 분리된 구조에 의하여 특정지어진다. 반도체는 valence band의 전자가 conduction band로 이동했을 때 전기가 통하게 된다. 열에 의해서 에너지 갭을 지나 전도대로 여기된다. 간단히 알수 있듯이 전도대로 여기된 전자의 수는 band-gap 에너지와 절대온도에 크게 의존하는 함수이다.2-2. 불순물 반도체의 전기전도도① n형 반도체 : 규소나 게르마늄은 4 가의 원소이며 이 속에 불순물로 5가인 인, 안티몬드을 혼합하면 원자간의 결합 후 여분의 전자가 생긴다. 이 때 남는 전자는 자유 전자처럼 자유롭게 이동할 수 있게 된다. 그러므로 전기 전도도가 진성 반도체일 때보다 더 높아지게 된다. 전압을 걸면 이 여분의 전자들이 움직이면서 전류가 흐르게 된다. 이러한 반도체를 n형 반도체라고 한다.② p형 반도체 : 규소나 게르마늄에 불순물로서 3 가의 인듐, 알루미늄 등을 혼합하면 전자가 부족해져 전자가 들어갈 자리에 빈 구멍이 생기며 이 구멍은 겉보기에 (+) 전하를 갖는 구멍과 같다. 따라서 이 구멍을 정공 또는 홀(hole)이라 하고 이 결정체에 전압을 가하면 전자가 인접한 정공을 채우게 되고 전자의 자리가 정공이 된다. 이와 같이 계속 전자가 채우게 되면 정공은 전기장 방향으로 이동해 가는 것이 되며 전류가 흐르게 된다. 그래서 전기 전도도가 진성 반도체일 때보다 더 높아지게 된다. 이와 같이 정공이 이동해 감으로써 전류를 흐르게 하는 반도체를 p형 반도체라고 한다.4. 실험 장비Si Wafer와 Al alloy, thermocouple, hot plate5. 실험 방법1) Si Wafer와 Al alloy thin film을 증착한 시편을 준비한다.2) 먼저 Al alloy thin film이 장착된 시편을 hot plate의 온도를 올려서 각각의 온도에서의 전기전도도를 측정하여 이론치와 비교한다.

공학/기술| 2004.06.01| 3페이지| 1,000원| 조회(489)

반도체, 전도도, 전기, 결정, 전기 전도도

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가공경화실험

1. 실험목적재료의 강화기구인 가공경화의 원리와 강화특성을 이해한다.2. 이론(1) 결정입계에 의한 강화일반적으로 다결정 재료에 있어서 결정입계 그자체는 고유의 강도를 갖고 있지 않으며, 결정입계에 의한 강화는 결정립 내의 슬립을 상호 간섭함에 의해 일어난다고 알려져 있다. 따라서 결정입계가 많아질수록 즉 결정의 입도가 작아질수록 재료의 강도는 증가한다.Hall과 Petch는 인장항복응력과 결정립크기와의 사이에 다음과 같은 식이 성립함을 발견하였다.여기서= 인장항복응력= 입내에서 전위의 이동을 방해하는 마찰응력k' = 결정입계의 상대적인 강화기여도를 나타내는 상수D = 결정립의 직경이 식을 Hall-Petch식이라 하는데, 대부분의 결정질 재료의 항복강도는 결정립의 크기가 감소할수록 증가한다는 것을 나타내고 있다. 연성파괴가 일어날 때까지의 임의의 소성변형에서의 유동응력과 결정립의 크기 사이에도 Hall-Petch식이 성립하고, 취성파괴응력과 결정리의 크기 또 피로강도와 결정립의 크기에도 이러한 관계가 성립한다.이와 같이 소성변형 저항성의 결정립크기 의존성에 대한 이론에는 2가지의 모델이 있다.첫 번째 모델은 결정립계가 전위의 이동에 대한 장애물로 작용한다는 개념이다. 전위는 결정립계에 의하여 슬립면상에서 집적(pile-up)한다. 결정립계에 집적된 전위 중 선두에 있는 전위는 외부에서 가한 전당응력 뿐만 아니라 집적된 다른 전위와는 상호작용에 의한 힘도 받는다. 따라서 집적된 선두의 전위에 큰 응력의 집중이 생기고, 집적되는 전위의 수가 많아지면 선두에 있는 전위에 작용하는 응력은 결정의 이론전단응력에 접근할 수 있다. 이러한 높은 응력 때문에 장애물의 반대쪽에서 항복이 시작되거나 장애물에서 균열이 생길 수 있다.유동응력의 결정립크기 의존성에 대한 두 번째 모델은 입계에서의 전위의 집적이 필요 없다. 이 모델은 입계에서의 응력을 알 필요가 없고, 대산 전위밀도가 결정립과 유동응력에 미치는 영향에 초점을 두고 있다. 전위밀도의 항으로 나타낸 유동응력은 다음과 사진들이 아마도 금속내의 전위의 이동에 대해 잘못된 인상을 줄지도 모른다. McLean은 전위와 제2상 입자, 전위와 전위 사이의 탄성적인 상호작용의 상황을 도식적으로 나타냈다. 수 퍼센트 정도 소성변형된 금속은 1cm3 당 50,000km 이상의 전위선을 포함하고 있다. 만일 1cm3의 크기를 큰 강당의 크기로 확대한다면, 이들 전위는 그물간격이 0.1～1.0mm 정도의 매우 불규칙한 3차원의 거미줄처럼 배열된 것을 볼 수 있을 것이다. 이러한 형태의 구조에서 움직이는 전위가 다른 전위의 응력장을 통과한다든가, 다른 전위와 교차하는 것을 피할 수 없다. 투과전자현미경의 시편은 재료의 아주 작은 부분이기 때문에 전위마디 대부분을 나타내지 못하기 때문에 전위망이 실제보다 덜 치밀하게 연결되어 있다는 느낌을 준다.(2) 열처리방법열처리방법을 크게 구분하면 주조나 단조후의 편석 및 잔류응력 등을 제거하여 균질화시키거나 또는 軟化를 목적으로 행하는 풀림(annealing), 결정립을 미세화하여 기계적성질이나 피삭성을 향상시키기 위한 노멀라이징(normalizing), 경화를 위하여 행하는 퀜칭(quenching), 그리고 강인화를 위한 템퍼링(tempering) 처리 등으로 나눌 수 있다.① 풀림기본적으로 軟化를 목적으로 행하는 열처리로서, 일반적으로 적당한 온도까지 가열한 다음 그 온도에서 유지한 후 서냉하는 조작을 말한다. 그밖의 처리목적으로는 내부응력의 제거, 절삭성 향상, 냉간가공성 향상 등을 통하여 기계적성질을 개선하기 위한 것이다. 풀림에는 완전풀림, 항온풀림, 구상화풀림, 응력제거풀림, 연화풀림, 확산풀림, 저온풀림 및 중간풀림 등의 여러 종류가 있다. 일반적으로 풀림이라고 하면 완전풀림을 의미한다.② 노멀라이징(normalizing)ⓐ 목적- 결정립을 미세화 시켜서 어느 정도의 강도증가를 꾀하고, 퀜칭이나 완전풀림을 위한 재가열시에 균일한 오스테나이트 상태로 만들어주기 위한 것이다.- 주조품이나 단조품에 존재하는 편석을 제거시켜서 균일한 조직을 만들기이징 처리한 강에 비해 강도와 인성의 면에서 현저하게 우수하다.④ 심랭처리ⓐ 목적Fe-C계에서 탄소량이 증가함에 따라 MS와 Mf점이 저하되는데, Mf점이 상온이하인 경우에는 퀜칭시 잔류오스테나이트(γR)가 존재하게 되며, 그 양은 고탄소강일수록 즉 MS점이 저하될수록 증가된다. 같은 이유로 과공석강에서는 오스테나이트화 온도가 높을수록 탄화물의 고용량이 증가되므로 잔류오스테나이트량이 증가된다.한편 퀜칭 시의 냉각속도도 잔류오스테나이트량에 영향을 미치는데, 동일한 강일지라도 유냉하는 편이 수냉하는 것보다 γR량이 많아진다.이와 같이 잔류오스테나이트가 존재하면 퀜칭 경도의 저하, 치수불안정 및 연마균열 등의 문제점이 따르므로 퀜칭한 강을 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 γR을 마르텐사이트화 하는 처리를 심랭처리(深冷處理, subzero treatment)라고 한다. 이 처리에 의해서 잔류오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하므로 퀜칭경도가 증가되고, 경도를 균일화시켜서 내마모성을 향상시키며, 또한 치수안정성을 제고시키는 등 매우 중요한 효과를 얻을 수 있다. 공구강(STC, STS, STD)이나 고속도강 및 침탄처리품 등에는 필요한 처리이다.ⓑ 방법일반적으로 퀜칭 후 곧바로 심랭 처리하는 것이 보통이다. 제품두께가 크다거나 예리한 모서리가 존재할 경우에는 심랭 처리 시 균열을 발생시키기 쉬우므로, 심랭처리하기 전에 100℃의 물속에서 1시간 정도 템퍼링하여 균열발생을 방지하는 것이 좋다.심랭 처리 시 처리온도에서의 유지시간이 꼭 필요하지는 않지만 일반적으로 25mm당 30min 유지하고 있다. 심랭처리온도로부터 상온으로 가열하는 데에는 공기 중에서 방치하는 自然解凍方法도 있지만 작업성이나 잔류응력해소라는 면에서는 水中에 투입하여 急速解凍(up-hill quenching)시키는 것이 좋다. 심랭처리에 사용되는 냉매로는 다음의 2가지가 있다.- 드라이아이스단열재가 내장된 스테인리스강제 통속에 드라이아이스와 알콜을 넣어서 -78℃로 유지하여 제품을 침적시킨다. 이 냉매로는 -형성된 불안정한 조직을 안정한 조직으로 변태시킴과 동시에 잔류응력을 감소시키고, 특히 인성을 개선시키기 위하여 A1점 이하의 적당한 온도로 가열유지 및 냉각하는 조작이라고 말할 수 있다.ⓑ 방법- 저온템퍼링공구강 등과 같이 높은 경도와 내마모성을 필요로 하는 경우에는 주로 150～200℃의 저온템퍼링을 해서 마르텐사이트 특유의 경도를 떨어뜨리지 않고 치수안정성과 다소의 인성을 개선시키고 있다. 템퍼링시간은 25mm 두께당 30분 유지하는 것이 일반화되어 있고, 템퍼링온도로부터의 냉각은 공랭을 한다.- 고온템퍼링기계구조용강 등과 같이 높은 인성을 필요로 하는 경우에는 400～650℃의 온도범위에서 고온템퍼링을 실시하고 있다. 이와 같이 퀜칭이나 템퍼링에 의해서 인성을 향상시키는 열처리를 조질(調質)이라고도 부르고 있다.템퍼링온도로부터의 냉각은 급랭(수냉이나 유냉)을 해야만 한다. 서냉을 하는 경우에는 후술하는 템퍼링취성(temper embrittlement)이 나타나기 때문이다.※ 특수 열처리(1) 가공열처리가공열처리(加工熱處理, thermo-mechanical treatment)란 소성가공(plastic working)과 열처리를 결합시킨 처리방법으로서, 이 방법은 보통의 열처리나 또는 소성가공을 독립적으로 사용했을 때 얻어질 수 없는 조직과 기계적 성질을 얻고자 할 때 사용된다.통상의 열간가공은 비교적 고온의 오스테나이트 영역에서 행하여지지만 최근 강의 강도와 인성을 향상시키기 위해 저온의 오스테나이트 영역에서, 또는 변태중이나 변태 완료 후에 가공을 행함으로써 바람직한 미세조직을 얻는 여러 가지 처리법이 개발되어 주목을 끌고 있다.이와 같은 가공열처리 방법은 고장력구조용강의 강도와 인성을 향상시키는 매우 중요한 방법으로서, 그중에서도 고장력저합금강(高張力低合金鋼, high strength low alloy steel : HSLA)의 제어압연(制御壓延, controlled rolling)은 널리 실용화되고 있다.① 안정한 오스테나이트 영역에서의 가공열처리이 ite)조직이 얻어져서 연성이 커지므로 냉간가공성이 향상된다. 피아노선을 스프링으로서 사용하기 위해서는 냉간 가공 후 블루잉(bluing)이라고 부르는 350℃정도의 저온가열을 행한다. 이 처리로서 국부적인 변형의 제거, 시효경화현상에 의한 탄성한계의 상승, 또한 피로특성이 현저하게 개선된다.⑦ 제어압연-제어냉각에 의한 강화.Nb, V 및 Ti 등을 미량 첨가한 저탄소의 비 조질 고장력강에서 열간압연과 냉각과정을 정밀하게 제어하면 압연상태에서 높은 강도와 인성을 얻을 수 있게 된다. 이 방법을 사용하면 공정단축에 의한 원가절감효과가 있으므로 크게 주목을 받고 있다. 제어압연-제어냉각에 의한 강 인화기구는 다음과 같다.ⓐ 압연전 slab의 가열온도를 가능한한 낮추어 압연전의 오스테나이트 결정립을 미세화시킨다.ⓑ 오스테나이트 영역중 저온영역에서 충분한 가공을 행하여 재결정 오스테나이트 결정립의 미세화를 꾀한다. Nb, Ti 등의 합금원소를 미량 첨가하면 오스테나이트 결정립의 재결정성장을 억제해서 결정립미세화를 용이하게 한다.ⓒ 특히 Ａr3 변태점 직상의 未재결정영역에서 가공을 행하면 오스테나이트 결정립은 길게 연신되고 동시에 결정립내에 변형대(變形帶)를 형성한다. 연신된 결정립계 및 결정립내의 변형대 경계는 페라이트 핵생성장소로 제공되므로 극히 미세한 페라이트 결정립이 얻어진다.ⓓ Ａr3 변태점 이하의 2상영역까지 가공을 계속하면 미변태 오스테나이트 결정립은 보다 더 연신되고, 도입된 변형대의 밀도도 높아진다. 한편 변태가 완료된 페라이트 결정립내에는 가공에 의해 전위밀도가 높은 아결정립(亞結晶粒, sub-grain)이 형성되어 미립화가 더욱 진행된다.ⓔ 제어압연 종료후 적당한 속도로 가속냉각(수냉)하거나 급랭하는 도중에 공랭하는 등의 제어냉각을 행하므로써 강도의 대폭적인 향상이 이루어진다. 이것은 페라이트 결정립 자체의 강화, 미세화 및 펄라이트(베이나이트)분율의 증가에 기인하는 것이다.인장강도 50kg/mm2급의 고장력강의 경우, 기본성분은 0.07～0.15%.

공학/기술| 2004.06.01| 10페이지| 1,000원| 조회(1,160)

열처리, 강화, 결정, 가공, 경화

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열전대의 원리 실험

실험예비레포트제목 : 열전대 실험과목명 : 재료공학실험3담 당 : 윤 의 박 교수님제출일 : 2003년 3월 19일소 속 : 공과대학신소재공학부 3학년1999006640 7조신 정 훈1. 열전대의 원리와 종류, 사용법1) 열전대의 원리- 열전대는 두 종류의 서로 다른 금속을 사용하여 양단을 연결한 후 양접촉부에 온도차를 주면 두 접점 사이에 전위 차가 발생한다. 이를 열전(thermo-electric)현상이라 부르며, 1821년 T. J. Seebeck에 의해 발견되었다. 열전대의 기본 모형은 그림 1과 같다.그림 1. 열전대의 기본 모형두 접점 사이에 어떤 온도차를 유지하면 기전력 E가 발생하게 되는데, 이 값은 온도차에 비례한다. 열전대의 감도는 일정한 기준점의 온도 T2에 대해 측정점의 온도 T1의 단위 변화에 대한 기전력의 변화로 정의 된다. 감도의 단위는 mV/K이다. 대부분의 열전대의 감도는 온도와 약한 함수 관계를 갖는다. 열전대의 감도와 사용할 수 있는 돈도의 범위는 사용한 금속의 종류에 따라 다르다. 몇 가지 전형적인 열전대의 특성을 표 1에 요약하였다. 열전대의 지름에 따라 측정할 수 있는 온도의 한계는 표 2에 주어졌다.2) 열전대의 종류? 표 1. 전형적인 몇가지 열전대의 특성재 료사용범위(℃)감도(mV/K)Copper(blue) / Constantan(red)(Ni-Cr 합금)-180 ～ 4000.049Iron(white) / Constantan(red)-180 ～ 9000.054Chromel(yellow) / Alumel(red)0 ～ 10000.068Chromel(yellow) / Alumel(red)(Ni-Cr 합금) (Ni-Al 합금)-180 ～ 12500.041? 표 2. 지름에 따른 열전대의 측정 온도의 한계사 용 금 속0.0254㎜0.1270㎜0.3810㎜0.8000㎜Copper-Constantan(type-T)150℃200℃290℃370℃Iron-Constantan(type-J)260℃315℃425℃760℃Chromel-Constantan(type-E)600℃700℃830℃870℃Chromel-Alumel(type-K)480℃600℃700℃1260℃그림 1. 의 열전대의 기본 회로는 그림 2에 주어졌다. 여기서, Ra, Rb1, Rb2는 전선의 저항을 나타낸다. 접합점의 온도로 인하여 양 접합점에서 기전력 E1, E2가 발생된다. 함수 f는 양 접합점에서 동일하며 두 금속의 성질에 의하여 결정된다. 또한 접합점의 미소저항 Rj1, Rj2가 있다. E=E1-E2를 측정하기 위하여 보통 열전대의 끝에 Voltmeter를 설치하였는데 만약, Voltmeter를 통하여 흐르는 전류가 없다면, 즉 i=0이면 V=E=E1-E2이다. 그러나, Voltmeter의 저항은 무한대로 크지 않기 때문에 미소 전류가 발생하여 R만큼의 전압 강하가 생긴다. 그러나 R≫Ra+Rb1+Rb2+Rj1+Rj2이면 측정된 기전력은 E보다 아주 조금 작을 것이다.그림 2. 열전대와 Voltmeter의 구성도그림 3. 상용되는 열전대의 배열그림 4. 기준점의 온도가 0℃일 때 열전대의기전에 대한 그래프Voltmeter의 내부가 완전히 절연되기가 어렵고, wire b와 Voltmeter의 연결 부위에서 서로 상이한 기전력이 발생될 가능성이 있기 때문에 열전대는 종종 그림 3과 같이 만들어진다. 이런 식으로 열전대를 배열하면, 구리보다 값이 비싸고 전기저항이 더 큰 특수 금속의 열전대 선을 짧게 할 수 있는 장점이 있다. “Law of intermediate metals"에 의해 접점 2a, 2b가 같은 온도로 유지되는 한 제 3의 금속선(구리선)의 존재는 기전력 E에 어떠한 영향도 미치지 않는다.그림 3에서 기전력 E를 측정점의 온도, T1을 결정하기 위해서는 기준점의 온도, T2를 알아야 한다. 대부분의 열전대의 기전력과 온도에 대한 표나 그래프는 기준점의 온도를 얼음의 융해 온도인 0℃로 택하고 있다. 이런 조건에서 온도 T1에 상당하는 기전력 E의 측정값은 그림 4에서와 같이 EA이다.종종 기준점의 온도로 0℃가 아닌 온도, 가령 대기 온도, Ta를 사용하는 것이 편리할 때가 있다. 이 때 온도, T1에 대해 측정된 기전력은 EB이다. 0℃의 기준점에 대한 표나 그래프를 사용하기 위해서는 EC를 알아야 하며 이것을 EB에 더하여 값을 보상해 주어야 한다. 참고로 이 실험에 사용할 K-type(chromel-alumel)의 열전대에 대한 측정점의 온도와 기전력에 대한 값은 표3에 주어져 있다. 그러나, 이 실험에서는 어떠한 표를 이용하지 않고, 열전대로부터 측정된 기전력을 바로 온도로 환산시켜 나타내 주는 Digital Thermometer를 사용한다.? 표 3. Type-K의 열전대에 대한 온도와 기전력의 값(0℃ 기준점)3) 사용법전기저항 Rh인 가변저항기와 전위차계 저항기 Rp를 그림과 같이 직류 전원 E0에 직렬로 연결한 다음, 전위차계의 이동단자 T와 접지접 C사이에 표준전지 ES와 미지전지 Ex가 스위치S로 교체되어 연결되도록 장치하고, 검류계 G, 키이스위치 K를 그림의 회로와 같이 연결한다.스위치 S를 A로 연결했을 때, Tc사이의 전압이 표준전지의 기전력 Es 와 같게 되도록 전위차계 저항기를 조절한다. 이 때 검류계를 통하여 흐르는 전류 IG는 영이되고, 전위차계 저항기를 통하여 흐르는 전류 I 는가 된다.또 이때 TC사이의 전기저항을 R1 이라 하면 이 두 극 사이의 전위차 Es 는가 된다.또 스위치 S를 B로 하고, 이동 단자 T를 조절하여 Tc 사이의 미지기전력 Ex 와 같게 한다. 즉, 검류계에 흐르는 전류가 0이 되게 한다. 이때 TC 사이의 저항을 R2 라고 하면, 미지의 기전력 Ex 는 이다.식 와 로부터 미지기전력 Ex는가 된다. 이방법은 기전력이 아무 전류도 공급하 지 않는 상태에서 전위차를 측정하므로 전지의 내부저항이 측정하려는 기전력의 값에는 아무런 영향을 주지 않는 장점이 있다.그림 5. 열전대 기본 도형2. 조성적 과냉(constitutional supercooling)과 그에 대한 조건식 유도1) 조성적 과냉고용체를 정출하는 합금의 응고계면에서는 액상쪽으로 정출고상이 배출하는 용질이 누적되어 산경계층이 형성된다. 따라서 그림 6과 같은 각 위치에서의 용질농도에 대응하는 액상선 온도분포가 나타난다. 한편 이 계면 부근에서의 실제의 온도분포는 그림 6에 표시한 것 같이 그때의 냉각조건에 따라 서로 다른 기울기를 갖는 A, B, C가 존재한다. 계면상태에서 실제의 온도는 액상선의 평형온도보다 계면성장에 필요한 과냉만큼 낮지만 그 차이는 수십분의 1도 정도이므로 그 차이를 무시한다. 그런데 B 또는 C와 같은 온도구배의 분포에서는 실제온도가 액상선온도보다 낮은 영역이 있다.그림 6. 응고하고 있는 계면의 액상측에서 용질농도와 액상선온도그 부분은 과냉상태에 있으며 이러한 과냉현상을 조성적 과냉이라 한다. 그런데 조성적 과냉의 발생 여부는 계면에서의 액상선온도곡선의 접선의 기울기와 실제온도분포의 기울기의 크기에 의해 결정된다. 따라서 조성적 과냉이 일어나지 않을 조건은 다음과 같다.3. 냉각 속도와 응고조직과의 관계1) 급냉응고금속, 합금은 아무리 급냉응고해도 결정으로 되는 것이 상식이었지만, 1960년 Duwez 등은 장치[건(gun)법]에 의해 Au-Si 합금을 급냉응고시키면 비정질금속이 얻어진다는 것을 발표하였다. 이어 피스턴-앤빌법도 고안되고 더욱 토숀 카타펄트법이라는 토숀(torsion)에 의해 튕겨날려 충돌급냉시키는 방법도 소개되었다.이들 방법은 스플랫 쿨링(splat cooling)이라고 총칭되지만 어느 것이나 얻어지는 비정질시료는 부정형의 작은 얇은 편상의 것이었다. 그러나 그 후에 증본에 의해 원심급냉법이 개발되고 또 Chen 등에 의해 고속로울러에 의한 급냉압연법등이 고안되어 테이프상의 시료가 얻어지게 되어 공학적 성질의 측정도 가능하게 되었다. 그러나 여기에서는 비정질금속의 구조, 물성을 설명하는 것이 목적이 아니므로 응고에 관계되는 것만을 설명한다. 표 4에 스플랫 쿨링 각 방법의 냉각속도, 얻어지는 시료의 모양등을 나타냈다.? 표 4. 각종 액체급냉법의 냉각속도와 얻어지는 모양? 표 5. 액체급냉법에 따라 얻어지는 비정질금속또 스플랫 쿨링에 의해 얻어지는 비정질금속을 정리하면 표5와 같다. 이 표로부터 알 수 있는 것은 비정질화하는 합금의 대부분은 금속-반금속을 조합한 것으로 또 조성은 용질원소의 원자율이 약 20%이다. 그러나 합금이 비정질화하기 쉬운가를 알아보기 위한 방법을 정성적으로 고려한 것은 유리 같은 비정질물질과의 비교다. 유리의 융액은 온도의 감소에 따라 점성이 증가하여 원자의 확산속도가 감소하며 융액상태대로 응고한다. 이 응고온도를 유리온도 Tg라 한다. 그런데 금속에서는 점성의 온도의존성이 작아 온도가 감소해도 확산속도가 빨라 결정이 되기 쉽기 때문에 응고해서 결정이 된다. 그러나 만약 융액을 매우 빨리 냉각하면 확산의 진행이 대부분 이루어지지 않은 채로 급속히 과냉되어 결정핵을 생성하지 않고 유리온도까지 내려가서 비정질화한다. 이때 고려되는 것은 비정질화하는데는 용융점부터 유리온도까지 융액이 빨리 과냉되는 것이 필요하다. 따라서 공정계합금에서 공정조성 부근의 것이 비정질화하기 쉽다.

공학/기술| 2004.03.19| 8페이지| 1,000원| 조회(804)

냉각속도, 열전대, dendrite arm spacing, 과냉

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