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[비파괴검사] 자분탐상 실험(Magnetic Particle Testing) 평가B괜찮아요

자 분 탐 상 실 험(Magnetic Particle Testing)1. 실 험 목 적자분탐상시험은 시험체가 강자성체가 아니면 적용할 수 없지만, 시험체 표면에 존재하는 균열형태 결함의 검출에 가장 우수한 비파괴시험법이다. 또한 균열이 표면에 나타나 있지 않아도 표면으로부터 2～3mm의 표층부에 존재하는 경우에는 결함을 검출하는 것이 가능하다. 본 실험에서는 자분 탐상기의 원리와 구조를 이해하고 검사를 통하여 재료의 결함 여부를 판정함으로써 자분 탐상 검사를 실제 응용 분야에 적용할 수 있도록 한다.2. 이 론 적 배 경1) 자분 탐상 시험의 원리[그림1] 결함에 의한 누설 자속① 자석을 가까이 대었을 때 자석에 흡착되는 재료를 강자성체라 한다. 재료 내부에는 자기의 흐름이라 생각되어지는 자속이 발생하고 이 자속은 강자성체에서 상당히 흐르기 쉽지만 비자성체속에서는 흐르기 어렵다. 만약 흘러가는 도중에 균열과 같은 결함이 존재하게 되면 결함의 부분에는 강자성체가 존재하지 않기 때문에 자속이 흐르기 어렵다.② 강자성체 속의 결함부 근방을 흐르는 자속이 많을수록, 자속을 차단하는 면적이 클수록, 그리고 결함의 위치가 강자성체의 표면에 가까울수록 많아진다. 표면 결함의 경우의 쪽이 결함누설자속이 많아진다.[그림2] 결함부의 자분의 흡착③ 강자성체의 시험체를 자화시킨 경우, 만약 시험체의 표면 또는 표면근처에 자속을 가로막는 결함이 있으면 그 부분에서 자속이 표면공간으로 누설하고, 결함의 양쪽에 N과 S의 자극(자속이 공기중으로 나가는 곳에 N극, 다시 강자성체로 들어오는 곳에 S극)이 나타나고, 거기에 미소자석이 만든 것과 똑같이 공간에 자계를 만든다. 이 부분에 공기 또는 점성이 작은 액체에 일정하게 분산시킨 미세한 철분을 가까이 하면 [그림2]에 나타낸 것과 같이 철분의 입자는 결함부의 공간에 만들어진 자계로써 자화하여, 각각의 철분인자는 양끝에 자극을 갖는 미소자석이 된다.이들 철분 및 결함부에 생기는 성질이 서로 다른 자극사이에는 각각 흡인력이 작용하여, 철분 높일 필요가 있다. 그러기 위해서는 자분을 유체에 분산시켜 시험면에 적용한다. 이렇게 하면 유체중의 자분입자는 유체가 결함부를 통과할 때 결함부의 자극에 흡착하여 자분모양을 형성하고, 결함이 없으면 유체와 같이 시험면으로부터 흘러버려 시험면에 자분을 되도록이면 부착시키지 않는 것이 가능하다.또한 형성된 결함자분모양의 폭은 결함폭의 수배로부터 수십배 이상으로 확대되므로 육안으로는 불 수 없는 폭이 작은 미세결함도 그 자분모양은 쉽게 관찰될 수 있게 된다. 이렇게 하여 결함을 검출하는 시험을 자분탐상시험이라 하고 시험체를 자화시키는 자화조작, 결함부에 자분입자를 공급하는 자분의 적용조작 및 결함 자분 모양을 식별, 평가하는 관찰조작의 3가지의 기본조작으로 구성된다.[그림] 자화곡선의 예④ 강자성체의 자기적 성질은 일반적으로 자계의 세기(기호 H, 단위 A/m)와 자속밀도(단위면적당의 자속량, 기호 B, 단위 T)와의 관계를 나타내는 자화곡선(B-H 곡선)으로 표시되어진다. 자화곡선의 예는 [그림3]에 나타나듯이 가로축에 자기의 세기(강도), 그리고 세로축에 자속밀도를 취하고 있다. 자계의 세기를 0에서 증가시켜 가면 곡선은 opqr로 변화한다. 이것은 재료의 자화정도를 나타낸다. 철강재료의 자기적 성질은 주로 재료의 화학성분, 냉간가공, 열처리에 의해 변화하며 경도가 높은 재료일수록 포화자화에 필요한 자계의 세기나 보자력이 크고, 이와같은 재료를 경한 재료(hard meta)이라 하고, 반대는 연한 재료(soft metal)이라 부른다.2) 자분 탐상 시험의 장점 ? 단점(1) 자분탐상시험의 장점① 강자성체표면의 미세하고 얕은 표면균열의 검출감도가 높다.② 제한은 있지만 표면에 드러나지 않는 불연속도 검출할 수 있다.③ 자분지시는 표면에 직접 나타난다.④ 숙련된 기술자인 경우에는 지시로부터 균열의 깊이를 추정할 수 있다.⑤ 검사할 재질의 모양이나 크기에 거의 제한을 받지 않는다..(2) 자분탐상시험에도 단점① 단지 강자성체에만 적용할 수 있다.② 때로 검사 후 다.전류관통법B시험품의 구멍 등에 통과시킨 도체에 전류를 보낸다.코일법C시험품을 코일속에 넣어 코일에 전류를 보낸다.극간법M시험품 또는 시험하는 부위를 전자석 또는 영구자석의 자극 사이에 놓는다.자속관통법I시험품의 구멍등에 관통시킨 자성체에 교류자속 등을 주어서 시험품에 유도전류를 보낸다.3) 자분 탐상법의 종류 (자화 방법에 따른 분류)4) 탈 자(1) 탈자를 필요로 하는 경우자분탐상시험을 실시한 시험품에는 재질, 자화방법에 따라 정도는 다르나 잔류자기가 남는다. 다음과 같은 경우 탈자를 하여야 한다.① 연속하여 시험하는 자화가 전회의 자화에 의해 영향을 받을때② 시험품의 잔류자기가 이휴의 기계가공에 영향을 미칠때③ 시험품의 잔류자기가 계측기의 작동이나 정밀도에 영향을 미칠때④ 시험품이 마찰부분 또는 그에 근접한 장소에 사용되는 것으로서 마찰부분에 철분 등을 흡인하여 마모를 증가할 염려가 있을때(2) 탈자의 방법[그림4] 반전감쇠자계에 의한 탈자곡선탈자의 방법은 검사품에 적용하는 자장의 방향을 교대로 반전시키면서, 반전시킬 때마다 자장의 세기를 서서히 약하게 하여 0(zero)까지 내리든가, 자장의 세기를 일정하게 유지하고, 시험품을 자장 중에서 서서히 멀게 하여 각각 잔류자기를 없애는 방법이 있다.교대로 방향이 반전되는 자장(반전자장)을 만드는 데에는 교류를 사용하는 방법과 직료 또는 맥류의 극성을 저주기로 바꾸어 주는 방법이 있으며, 전자를 교류탈자, 후자를 직류탈자라 부른다.◎ 실험 장치 및 시편자분 탐상기, 각종 시험편(표준 시험편), 습식자분 등? 기타 장비- 자외선 조사 장치 (Black light)- 건식자분과 습식자분건식자분은 공기의 Carrier로써, 일반적으로 습식자분에 비해 입도가 약간 큰 것(10-60㎛)이 많다. 이에비해 습식자분은 물 또는 백등유에 분산, 현탁시켜 액체를 Carrier로 사용하기 때문에 입도가 작은 것(0.2-10㎛)이 많다.- 형광자분환원 또는 전해철분에 형광체를 접착 시킨 것으로 주로 습식 자분으로 사용한다. 자분 10번 왕복한다.⑤ 시험편 표면의 자분위치와 형상을 관찰하고 기록한다.⑥ 권선의 감은 수를 늘려가며 자분의 위치와 형상을 관찰한다.⑦ 권선을 네바퀴까지 감으면서 측정된 시험편 위에 위치한 자분의 위치와 형상을 비교 분석해 본다.1mm 깊이의 내부결함 5mm 깊이의 내부 결함[ 시험편의 모양 및 결함의 위치 (각 결함은 표면에서 1mm 간격으로 증가함) ]4. 실 험 결 과 및 고 찰⊙ 권선의 감은 횟수에 따른 결함의 위치 및 형상권선수 결함위치1mm2mm3mm4mm5mm1흐리게????2선명하게흐리게???3선명하게흐리게많이흐리게??4선명하게선명하게흐리게많이흐리게?자분탐상검사는 철강재료 및 그 제품의 표면 및 표면근처에 존재하는 균열 및 기타의 불연속을 검출하는데 적용한다. 검출감도는 표면에 존재하는 불연속에서 가장 크고 불연속의 깊이가 표면에서 깊어질수록 급격히 감소한다.본 실험에서 준비된 시험편은 직사각형 강자성체의 시험편에 일정한 간격으로 표면에서 내부로 1mm 간격 깊이로 원형의 결함을 만들어 놓은 것이다. 자분탐상 방법은 준비된 자분탐상기의 권선을 한바퀴 감은 후 500mA의 전류를 프로드 전극을 통하여 권선에 흘려주면서 시험편을 감은 권선 사이를 15초동안 10번 왕복하여 측정한 자분의 위치 및 선명도를 나타내었다.권선의 감은 횟수가 늘어남에 따라 시험편에 뿌려진 자분이 결함의 위치에 따라 나타나게 된다. 권선의 감은 횟수가 적을때는 표면에서 가까운 내부결함의 표면위에 자분이 배열하였다. 권선을 한바퀴 감은 상태에서의 실험에서는 표면에서 내부로 1mm에 위치한 결함을 관찰 할 수 있었는데 조금 희미한 자분의 배열을 나타내었다. 권선수가 두바퀴가 됨에 따라 내부 2mm의 결함이 나타나게 되었는데 처음 내부 1mm 결함은 한바퀴 감은 권선에서의 실험보다 자분이 더 선명하게 배열하는 것을 볼 수 있었고 2mm의 내부 결함은 희미하게 관찰되었다. 이것은 권선수가 늘어남에 따라 시험편에 자화되는 정도가 커짐으로 인해 자분의 배열이 더 선명하게 나타내어지고 더 부 4mm 결함은 시험편 표면에서 자분의 배열이 많이 흐리게 관찰 되는 것을 볼 수 있었다.자분의 배열 및 형상은 그 시험편의 결함의 위치와 형태를 반영한다. 자분모양의 관찰은 원칙적으로 자분의 적용이 끝난 직후에 하여야 한다. 지시모양이 형성된 후 시간이 경과되면 다른 부분에서 흘러들어온 검사액이나 다른 부품과의 접촉 등으로 지시모양이 흐트러지거나 없어지기 쉽기 때문이다.본 실험에서의 시험편은 일정한 깊이에 따라 결함이 있기 때문에 자분의 모양 및 선명도가 결함의 깊이를 나타내는 것처럼 볼 수 있지만 자분지시모양의 상태로부터 결함의 깊이를 추정하는 것은 곤란하다. 결함의 깊이를 측정하고자 할 때는 전기저항법 등의 원리를 응용한 다른 방법을 이용해야 한다.권선수를 늘려가면서 같은 시편으로 여러번 시험할 때는 같은 실험조건의 유지가 중요하다. 본 실험에서는 같은 시편을 여러번 반복 실험하는데 있어서 잔류자기의 존재를 무시하였다. 자분탐상실험에서 자화가 전 회의 자화에 의하여 영향을 받기 때문에 연속하여 시험하는 시험품은 시험이 끝날때마다 탈자를 하여 잔류자기를 제거해 주어야 한다. 본 실험에서 잔류자기의 존재를 무시하였기 때문에 정확한 실험이라고 볼 수 없다. 하지만 권선의 수가 늘어남에 따라 자화되는 정도가 커지는 것이므로 잔류자기의 영향에 따라 실험의 결과값이 크게 달라지지 않을 것으로 생각되어진다.자분의 선명도가 권선에 흐르는 전류가 작으면 자속도 작아져서 충분한 결함자분모양이 얻어지지 않으며, 전류가 많이 흐르면 시험편의 자분부착량도 크게되어 결함자분모양의 명암이 저하된다. 전류값의 적절한 선택또한 중요한 요소중 하나이다.권선에 전류를 흘리면 권선내부에 자계가 발생하고, 그 방향은 권선축에 평행하게 된다. 그러므로 권선속에 시험체를 넣으면 이 자계에 의해 자화되어 시험체에는 똑같은 방향의 자속이 발생한다. 그러므로 자분탐상에 있어서는 이 자속을 차단하는 방향을 결함, 즉 권선축에 대해 직각인 방향을 갖는 결함이 가장 잘 검출되며, 이에 대해 권선 축에 평.

공학/기술| 2004.12.13| 8페이지| 1,000원| 조회(1,489)

비파괴, 자성체, 자분탐상, 재료결함

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[주조공학] 침투 탐상 실험(Liquid Penetrant Testing) 평가A좋아요

침 투 탐 상 실 험(Liquid Penetrant Testing)1. 실 험 목 적침투탐상검사(Liquid Penetrant Testing)는 비파괴 검사법중 가장 오래되고 널리 활용되는 방법이다. 이 검사법은 용접품, 단조품, 주강품, 플라스틱 및 세라믹 등과 같은 금속 및 비금속의 여러 가지 제품들에 적용되며, 여러 가지 다른 재료에 나타나는 표면 불연속부를 경제적으로 검사할 수 있다. 본 실험에서는 침투 탐상기의 원리와 구조를 이해하고 검사를 통하여 재료의 결함 여부를 판정함으로써 자분 탐상 검사를 실제 응용 분야에 적용할 수 있도록 한다.2. 이 론 적 배 경1) 침투탐상의 기본원리침투법이란 표면으로 열려있는 결함에 특수한 액체를 침투시켜, 이것을 현상처리에 의해 확대 지시를 하여, 보기 쉽도록하는 방법이다. 따라서 표면하에 있으면서 열려있지 않은 결함은 검출되지 않는다. 침투탐상은 침투액이 결함 속에 침투하는 모세관 현상과 과잉 침투액의 세척 또는 제거를 하기 위해서 물과의 유화현상, 또는 용제에 의한 용해의 원리를 이용하고 있다. 따라서 기본적인 침투탐상시험은 침투액과 유화제, 세정제 등 모든 액체가 화학반응을 일으켜 결함을 검출하는 원리를 일반적으로 이용하고 있다. 침투탐상시험에서 적용된 재질은, 금속은 물론 자분검사가 되지 않는 도자기라든가 플라스틱과 같은 비금속에도 적용되고 있다. 단 시험체 표면이 침투액에 의해서 재질의 상태가 변하는 것은 적용할 수 없고, 또 결함이 없고 작은 구멍이 무수히 많은 다공질 시험체는 현상제의 도포 후에 결함과 건조부와의 식별성이 나빠지므로 적용할 수 없다. 또한 침투탐상검사는 형상이나 크기 등이 그다지 문제되지 않는다. 시험온도는 16-50℃ 사이가 가장 적당하다.[그림1] 모세관 현상2) 모세관 현상모세관 현상이란 유리등과 같은 고체에 접촉된 액체의 표면이 상승 또는 낮아지는 현상이다. 모세관현상을 결정하는 요인은 응집력, 점착력, 표면장력 및 점성 등에 의해 좌우되며 모세관 현상을 쉽게 관찰하는 방법은 물이 담긴 유리그릇에 가는 유리대롱과 같은 유리관을 담그면, 유리관안으로 물분자가 빨려들어가고, 다른 물분자에 끌리는 응집력에 의해 유리관 위로 끌려 올라가게 된다. 이 과정이 계속되어 유리관 속의 수면이 동일한 표면장력이 될 때까지 끌려 올라가는 것을 볼 수 있으며, 이러한 현상을 모세관 현상이라고 한다. 침투탐상검사에 사용되는 침투제는 낮은 장력과 높은 모세관 현상을 갖고 있다.3) 침투탐상검사의 장점 과 단점장 점단 점① 시험방법이 간단하다.② 고도의 숙련이 요구되지 않는다.③ 제품의 크기, 형상 등에 크게 구애를받지 않는다.④ 국부적 시험이 가능하다.⑤ 판독이 비교적 쉽다.⑥ 철, 비철, 플라스틱 및 세라믹 등거의 모든 제품에 적용된다.① 시험표면이 너무 거칠거나 기공이많으면 허위 지시모양을 만든다.② 시험표면이 침투제 등과 반응하여손상을 입는 제품은 검사할 수 없다.③ 주변환경 특히 온도에 민감하여제약을 받는다.4) 침투제[ 각각의 침투액의 구성 ]용제 제거성 침투액( 물세척 )유성모액 + 적색염료 + 용제유성모액 + 형광물질 + 용제후유화성 침투액(유화처리후 물세척)유성모액 + 적색염료 + 용제유성모액 + 형광물질 + 용제수세성 침투액( 유기용제 세척)유성모액 + 적색염료 + 용제 + 계면 활성제유성모액 + 형광물질 + 용제 + 계면 활성제침투액은 염료 또는 형광성 물질을 용해시킨 유성의 액체를 모체로 하고, 이것에 침투성을 높이기 위해서 용제를 가하고, 더욱이 물로 세정할 수 있도록 했다. 어떤 종류의 침투액에는 계면활성제가 첨가되어 있다.◎ 침투제의 물리적 성질① 점성 (Viscosity)나쁜 침투제로 알려진 물은 점성이 낮은 반면, 훨씬 점성이 큰 석유정제 제품은 좋은 침투제로 알려져 있다.② 표면장력 (Surface tension)표면장력은 그 자체가 조절되지는 않으며 액체의 침투력이 좋은가 나쁜가를 결정하는 두가지 성질중의 하나이다. 일반적으로는 표면장력이 큰 것이 바람직하나, 큰 표면장력을 갖는 순수한 형태의 물은 좋은 침투제가 못된다.③ 적심성 (Wetting ability)적심성은 검사면을 적시는 능력으로서 접촉각으로 측정된다. 액체가 표면을 따라 흘러나갈 때 접촉되는 곳에서의 각도를 측정하여 결정되며 각도가 작을 수록 적심성이 좋은 것이고 좋은 침투제는 아주 작은 접촉각을 가진다.④ 유화성 (Emulsifiability)침투제의 대부분이 용제보다는 물로 세척을 한다. 그러한 침투제들은 적절한 유화제로 이미 유화되었기 때문에 물로 세척할 수 있는 것이다. 이러한 유화제는 대부분의 수세성 침투제의 경우에 침투제 자체에 직접 혼합되어 있어서 자체유화를 시키거나 후유화성 침투제에서와 같이 따로 유화제가 적용되기도 한다. 어떠한 경우에든 깨끗한 세척을 위하여 침투제의 기름 성분 등은 유화제와 반응되어야 한다.5) 현상제의 특성 및 성질현상제란 결함부에서 침투제의 지시모양을 나타내는 기능을 갖는 것이다. 즉, 현상제는 결함부에 적용된 침투제와 작용하여 육안으로 볼 수 있는 명암도를 증가시켜 가시성을 나타내고 검사자가 결함을 관찰할 수 있게 한다.◎ 현상제의 작용 - 침투제를 빨아내는 흡출작용침투제가 퍼지고 분산시키는 작용배경색깔과 혼동을 방지하는 작용시험의 감도를 증가하는 작용◎ 현상제의 종류① 건식 현상제주로 산화규소의 초미립 분말이 사용되며, 이 분말은 대단히 비중이 가볍고 공기 분무기에 의해 현상처리를 하면 시험품의 전부분에 현상분말이 골고루 적용된다.② 속건식 현상제산화마그네슘, 산화칼슘, 산화티탄 등의 백색미분말을 알콜류에 현탁하고 분사제 등을 첨가한 것이다. 휘발성 용제에 현탁하였으므로 현상제를 시험품에 적용하면 즉시 건조하고 현상도막을 형성한다. 따라서 장치에서는 사용이 곤란하고 주로 에어졸 용기에 의해 사용되고 있다.③ 습식 현상제주로 벤토나이트, 활성백토 등에 습윤제, 수용성 계면활성제 등을 혼합한 분말제로 적당량을 물에 현탁해서 사용한다.6) 침투탐상검사의 종류◎ 형광 침투탐상검사형광물질을 포함하고 있는 침투액을 사용하는 방법으로 파장이 330-390nm의 적외선을 조사해서, 결함지시 모양으로부터 황록색 등의 형광이 발광되는 상을 검출하는 방법이며, 지시모양을 관찰하는 장소가 어두운 곳으로, 최소한의 장치로는 자외선 조사등(Black light)이 필요하다.◎ 염색 침투탐상검사적색염료를 포함하고 있은 침투액을 사용하는 방법으로, 자연광 또는 백색광 하에서 적색의 결함지시모양을 관찰하는 방법이다.◎ 실험 장치 및 시편시험품(가로 165㎜, 세로 150㎜), 세척액, 침투액, 현상액, 용제(휴지), 관찰도구(백색광 또는 자외선) 등.3. 실 험 방 법① 전처리 (세척)- 세척액으로 시험품 표면에 묻어있는 오물, 기름등을 깨끗이 닦아낸다.② 침투처리 (침투제 적용)- 침투액을 중첩되지 않게 살짝 전표면에 걸쳐 도포, 분무, 침적등의 방법으로 적용시킨 후 약 3분후 휴지로 깨끗이 닦아낸다. (절대 세척액으로 닦지 않는다.)③ 현상처리 (현상액 적용)- 침투제가 제거된 시험품 표면에 현상액을 중첩되지 않게 살짝 도포하여 지시 모양을 형성시킨다.④ 관찰 및 기록- 현상액 적용후 최소 6분이 지난 후에 관찰 및 기록을 시작한다.⑤ 후처리- 검사가 끝난 후 시험품 표면의 현상제등을 깨끗이 닦아 제거한다.[① 세척 및 침투제 적용 ][② 침투제 제거 ][④ 검사 및 후처리 ][③ 현상제 적용 ]◎ 측정방법① 결함의 길이 측정은 가장 길게 측정할 수 있는 결함길이로 한다.② X 및 Y 좌표는 탐상면에서 임의의 기준점으로부터 결함이 시작되는 지점 까지의 X축과 Y축 거리이다.(Xs : X시작점 , Xe : X끝난점 , Ys : Y시작점 , Ye : Y끝난점)4. 실 험 결 과 및 고 찰결함번호결함길이X 좌표Y 좌표비고XsXeYsYeNo. 10.214.414.68.99.1원No. 2212.312.59.810.0원No. 3314.314.67.77.9타원No. 417.17.210.110.3타원No. 525.86.08.78.9원[ 결함의 위치 및 모양 ]준비된 시험편 표면을 깨끗이 닦은 후 침투액을 중첩되지 않게 분무하여 시험편 표면 전반에 걸쳐 골고루 도포하여 약 3분쯤 후 용제로 깨끗이 닦아내었다. 그리고 현상액을 침투액을 분무할 때와 마찬가지로 중첩되지 않게 시험편 표면 전반에 걸쳐 골고루 도포한 후 약 6분이 지난 후에 시험편 표면에 현상액에 의하여 나타나는 명암과 형상에 의하여 결함을 관찰하고 가장 길게 관찰할 수 있는 결함 길이를 측정하여 기록하였다. 가로 165㎜, 세로 150㎜의 결함이 있는 직사각형 시험편을 침투탐상실험 하였다.이 시험편에서 현상액에 의해 나타나는 결함은 크게 다섯 개의 결함이 관찰되었다. 결함 No 1,2,5 는 원의 형태로 관찰되었고 결함 No 3,4 는 타원의 형태를 나타내었다. 이 결함의 색깔은 붉은색 계통을 띄었다. 지시모양의 지각은 이면과 지시모양의 대조에 의한다. 본 실험에서 시험편은 백색의 형태를 띄었고

공학/기술| 2004.12.13| 8페이지| 1,000원| 조회(1,413)

실험결과, 비파괴, 침투탐상, 침투제

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[주조공학] 풀 몰드법에의한 주형제작(Full Mould Process) 평가B괜찮아요

풀 몰드법에의한 주형제작(Full Mould Process)1. 실 험 목 적본 실험에서는 Full mould process에 대한 기본이론을 알고 Full mould process 주형제작법을 안다.[ 주물제작의 일반공정 ]2. 이 론 적 배 경(1) 주 조 란 ?주조용 금속재료를 노내에 장입하여 가열 용해한 쇳물을 주형 속에 주입 응고시켜 소정의 형태로(또는 간단한 기계가공을 거치는 경우도 있음) 만드는 과정을 주조라 하며, 여기에서 얻어진 제품을 주조품 또는 주물이라 한다. 그런데 주괴는 주물처럼 용해한 금속을 일단 주형 속에 주입하여 괴상으로 응고시키는 과정은 일반 주조공정과 같으나 소정의 형태로 만들기 위해서 단조, 압연 등의 2차적인 소성가공을 거치기 때문에 주물과는 엄격히 구별되고 있다. 따라서 주물은 주형에 주입하여 응고시켰을 때 이미 희망하는 형상과 매우 비슷한 것으로 되어 있는 것이 보통이다. 다시말해서, 2차가공을 하지 않고 사용되는 것을 말한다. 이러한 주물을 만들 때에는 사용되는 원부재료와 조업조건은 주물의 품질에 영향을 크게 미칠 뿐만 아니라 금속의 유동성, 응고할 때의 수축, 개스의 거동 및 주형의 제성질에 크게 영향을 미친다.(2) 풀 몰드법(full mould process) 이란? (FM process)주조법의 종류중 한 방법인 풀 몰드법(full mould process)은 모형으로 소모성인 발포 폴리스티렌으로 모형을 만들고. 이 모형상에 사형을 형성하고 모형을 사형에서 빼내지 않고 사형 중에 매몰한 그대로 용탕을 주입하면 그 열에 의하여 모형은 증발?분해 또는 연소되고 그 자리를 용탕으로 채워 주물을 만드는 방법으로서 다음과 같은 특징을 갖는다.? 모형을 분할하지 않는다.? 모형을 빼내는 작업이 불필요하다.따라서 모형에 경사가 불필요하며 역경사인 경우라도 무방하다.? 코어를 따로 만들 필요가 없다.? 모형의 제조나 가공이 용이하며 변형이나 보수 및 보관의 어려움이 없다.? 작업공수와 불량률이 적으며 원가가 절감된다.? 압탕이한다. 원칙적으로 말하면 급탕이 가능한 부분으로부터 가장 멀리 떨어진 지역으로부터 응고가 진행되어 오는 것이 효과적으로 급탕이 이루어지는 것이라 할 수 있다. 압탕(riser, head)은 수축에 의해 부족한 용탕을 공급해 주어서 위와 같은 목적을 달성시키는 별도의 용탕저장소인 셈이며 따라서 적절한 위치에 설치해야 한다. 이러한 방향성 응고의 예를 그림에 나타냈다. 주조방안은 주물에서 수축되는 곳에까지 용탕을 운반하는 것과, 또한 수축이 일어났을 때 필요한 여분의 금속을 보충할 수 있도록 하는 두 경우를 다 고려해야 한다.(4) 압탕(risers)압탕의 주요기능은 주물이 응고하는 마지막까지 용탕을 공급하는 데에 있다. 어느 경우에는 압탕을 탕구계의 일부로 보기도 한다. 압탕의 크기는 주입할 금속의 종류에 따라 다를 수 있다. 주형에 대한 과도한 압력이나 약한 주형 때문에 주물이 원래의 치수보다 팽창하거나 부풀어 오를 경우 압탕으로부터 모자라는 양만큼 더 용탕을 보충하여야 한다.압탕을 설치하지 않고 긴 봉이나 판재를 주조할 때 양끝으로부터 어떤 길이까지는 건전한 조직이 얻어진다. 이것은 다른 곳보다 끝부분에서의 열방출이 커서 이곳에서부터 방향성 응고가 진행되기 때문이다. 또한 이러한 긴 봉이나 판재의 중앙지점 적절한 곳에 압탕을 설치하여 수평으로 주조하면 압탕으로부터 양쪽의 얼마만큼의 거리까지는 압탕의 급냉에 의해 건전한 조직이 얻어지고 이 이외의 지점은 수축에 의해 건전하지 못한 곳이 생기게 된다. 이러한 두 효과를 각각 단부효과(end effect)와 압탕효과(riser effect)라고 정의한다. 만일 여러 가지 두께를 갖는 주물을 만든다면 두께가 서로 다른 부분의 경계부분의 어느 한쪽에는 건전성에 문제가 생기는 부분이 나타날 것이다. 만일 두께가 얇은 것을 두꺼운 것에 붙여 놓는다면 두꺼운 쪽의 건전한 구역의 넓이는 짧은 쪽의 것보다 적어진다. 역으로 얇은 부분 옆에 두꺼운 부분이 붙어 있으면 두꺼운 부분이 없는 경우보다 있는 경우에 건전한 영역이 얇은쪽옆면이 튀어나온 것이 없을 것.d) 적당한 빼기구배를 줄 것(2) 분할면을 고려할 것주형은 두 개로 분할이 되고, 그 분할면은 평면이 되어야 한다. 그림(a)는 주형을 셋으로 분할하지 않으면 보통의 방법으로는 조형이 되지 않는다.셋으로 분할하면, 주형기에서 조형하기도 곤란하고, 합형 하는 경우 틈새가 뜨거나 주물사가 떨어지기도 쉽다. (b)는 이를 두 개로 분할하도록 한 경우이다. 주형분할면의 수를 변경함으로써 원가도 크게 줄일 수가 있다. 또한 주형분할면은 평면인 쪽이 조형하기 쉽고 만들어진 주물의 지느러미(fin)의 제거작업 등도 쉽다.(3) 형빼기형빼기가 불가능한 혹이 튀어나온 모양이 안되도록 하여야 한다.(4) 형빼기 구배(taper)주형제작에서는 모형이 쉽게 빠지도록 꼭 형빼기구배를 붙여야 한다. 형빼기구배를 만들면 주형의 파손이 없어지고 또 그 결과 주물의 표면도 깨끗해진다. 높이가 높은 주물에서는 2-3° 낮은 주물이나 높이가 높은 주물의 위에 혹이 붙어 있는 경우는 10-15°의 구배를 준다.(5) 조형공수모양은 섬(pocket)이 깊어서 조형이 곤란해지거나 또 형 떨어지기가 쉬워지므로 될수록 낮게 하는 것이 좋다.(6) 코어(core)a) 코어의 공간부는 코어를 써서 만들게 되는데 주조시 코어가 이동해서 모양이나 치수가 변동되어서는 안 된다. 또 코어가 너무 얇아서 타 붙든가, 가스발생을 하든가 해서는 안 된다. 또 될수록 코어는 그 수가 적을수록 좋다.b) 코어의 두께는 적절해야 한다. 너무 얇거나 두꺼우면 코어가 주형시 용탕에 둘러싸이게 되므로 과열이 되고 그 결과 타붙음이나 가스발생의 결함을 일으키기 쉽다.c) 코어의 수는 적은 것이 좋다. 코어는 주형과는 별도로 만들어야 하며, 또 이렇게 만든 후에 주형에 삽입해야 하며 따라서 손이 많이 가고 잘못 넣어 치수가 틀려지기도 쉽다. 코어가 될수록 없던가, 있어도 수가 적은 것이 좋다.(7) 적절한 두께주물의 두께는 전체적으로 밸런스가 잡혀 있어서 각 부분의 냉각의 균일함이 좋다. 또 압탕을 게 하고 안쪽 각진 쪽에 굽돌림을 붙이는데, 두께 차가 클 때에는 얇은 두께 쪽에 구배를 붙여서 차차로 두꺼워지도록 연결하고 각이 긴 쪽에는 굽돌림한다.적절한 지지대(rib)는 주물의 강성을 높이거나 균열의 방지, 용탕의 흐름을 도와주는 등의 목적으로 쓰여진다. 너무 한 곳에 몰리면 주물의 온도가 불균일해지고 또 설치하는 장소에 따라서는 역으로 균열을 조장할 수도 있다.(10) 알맞은 생김새[수축에 여유가 있는 구조를 취한 경우]오른쪽 그림은 차바퀴를 보여 주고 있는데 (a)의 (i),(ii)는 스포크(spoke), 림(rim), 보스(bose) 3부분의 두께의 밸런스가 나빠서 수축시기가 달라져서 균열을 일으킨다. (iii)은 두께가 같아서 냉각도 거의 동시에 생기므로 균열의 발생이 적다. 그런데 스포크가 곧아서 서로 상대하는 위치에 있기 때문에 수축에 의한 인장응력이 직접 작용하여 이를 (b)처럼 (i)스포크의 위치를 달리하고, (ii)전체를 경사 시키면 (iii)에서처럼 응력을 완화시킬 수가 있어서 균열방지에 도움이 된다.(11) 모래털기, 지느러미를 떼기 쉬운 형태모래털기, 탕구, 압탕의 절단, 지느러미떼기 공정은 주물제작공정 중 가장 사람의 손을 필요로 한다.(12) 기계가공하기 쉬운 모양a) 가공기의 바이트와 벽과의 상대관계에 대한 고려b) 가공시 기계에 고정하는데 대한 고려가 필요하다(13) 주조를 고려한 기준면가공기준면이 주조시에도 기준면이 되도록 함이 좋다. 즉, 주조시에 오차가 생기기 어려우면(하형면, 분할면의 구멍 중심등)을 기준면으로 한다. 상형은 주조시에 부상하든가 해서 오차가 생기기 쉬우므로 가공기준면으로 하면 부정확해지기 쉽다.◎ 실험 장치 및 시편혼련기(양동이), 인조규사, Water glass(Na2SiO2), 스티로폴, 주형틀,스탬프, CO2 gas, 도가니로, Pb+Sn ingot 등.3. 실 험 방 법① 혼련기에 인조규사와 Water glass(Na2SiO2) 10～15%를 넣고 섞어 주물사를 제조한다.② 스티로폴을 이용하여 높이 올려 용탕이 주입될 주입구도 같이 형성시킨다. 주물사에 덮인 모형의 주위로 구멍을 뚫는데 이때 모형에 거의 닿지 않을 정도로 뚫는다. 만약 모형에 구멍이 닿게 된다면 용탕이 모형을 녹이면서 구멍으로 흘러 나오게 되므로 주의해야 한다. 이렇게 완전히 형성된 주물사 주위와 뚫여진 구멍사이로 CO2 gas를 불어넣어 주물사를 경화시킨다. 이렇게 경화된 주물사는 용탕이 주입될 때 주물 제품의 형상을 유지해야 하며 허물어지거나 무너져서는 안된다. 사형 중에 매몰한 그대로 주입구를 통하여 용탕을 주입하면 그 열에 의하여 스트로폴 모형은 증발?분해 또는 연소되고 그 자리를 용탕으로 채워 주물을 만든다. 스티로폴의 연소 독가스로 인하여 충분한 환기가 필요하다.소형 모형(단순모형)에 있어서는 탕도가 압탕 역활을 대신할 수 있다. 압탕의 주요기능은 주물이 응고하는 마지막까지 용탕을 공급하는 데에 있다. 어느 경우에는 압탕을 탕구계의 일부로 보기도 하는데, 압탕의 크기는 주입할 금속의 종류에 따라 다를 수 있다. 본 실험에서는 작은 크기의 주물의 제작으로 인하여 탕도가 압탕의 역할을 대신 하므로 압탕을 따로 설치하지 않았다.용탕의 응고후 주물사를 깨트려 주물제품을 꺼낼 때의 방법 또한 중요하다. 본 실험에서는 작은 모형의 주물을 제작하기 때문에 세심한 주의를 기울여 주물사를 제거하여야 한다. 주물사의 제거시 주형에 손상이 가면 안된다. 또한 탕구의 설치 또한 중요하다. 탕구계는 주형 중의 빈 자리에 용탕을 충만시키는 통로를 말하는데 탕구, 탕도, 주입구 등을 포함한다. 탕구를 모형에 접합할 때 용탕이 탕구를 통하여 주형의 빈자리를 잘 메꿔줄 수 있는 위치에 접합시켜야 한다. 이러한 문제점 또한 주물의 결함과 파괴의 원인이 된다. 또한 CO₂gas 취입구를 너무 많이 만들어 용탕이 흘러나오게 되고 이것은 나중에 주물제품의 표면처리에 있어서 인력손실 발생하게 된다.5. 결 론플라스틱이 주조용으로 사용된 것은 쉘 모울드법(shell mould process)의 페놀수지 및 핫 다.

공학/기술| 2004.12.13| 10페이지| 1,000원| 조회(2,468)

주형, 제작, 풀 몰드법, 인규조사, 도가니로

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[주조공학] 초음파 탐상검사

초음파 탐상검사(Ultrasonic Test)1. 실 험 목 적시험체의 내부결함 및 외부결함을 탐상하는 방법으로 널리 사용되고 있는 비파괴 검사법은 방사선 투과 검사와 초음파 탐상검사 등이 있는데, 초음파 탐상검사가 방사선 투과 검사에 비해 우수한 점은 시험체의 두께가 두꺼워도 쉽게 검사가 가능하고, 균열과 같은 면상의 결함 검출능력이 탁월한 반면, 단점으로는 결함의 종류를 식별하기 어렵고 금속 조직의 영향을 받기 쉽다는 점이다. 본 실험에서는 초음파 탐상기의 원리와 구조를 이해하고 검사를 통하여 재료의 결함 여부를 판정함으로써 자분 탐상 검사를 실제 응용 분야에 적용할 수 있도록 한다.2. 이 론 적 배 경1) 초음파의 특성음파는 주파수에 따라 가청음, 초음파 등으로 분류되며, 초음파는 대략 20KHz-1GHz 주파수 범위를 가진다. 초음파의 속도는 주로 재질의 밀도 및 탄성률에 따라 결정되며, 이는 주파수와 파장의 곱으로 나타낸다. (V = f?λ)일반적으로 강(Steel)에서 종파의 속도는 대략 5900m/sec 이며, 강의종류에 따른 음속의 변화는 1%이하이기 때문에 일정한 것으로 생각한다. 그러나 주철에서는 달랒지며, 강에서보다 속도가 아주 늦다.◎ 초음파의 성질① 지향성이 좋다② 주어진 매질에서는 속도가 일정하며, 매질이 달라지면 속도가 달라진다.③ 진행거리가 비교적 길다④ 온도 변화에 대해 속도가 거의 일정하다.⑤ 경계면이나 불연속면에서는 반사를 한다.⑥ 조건에따라 파형 변이가 일어난다.◎ 초음파 탐상의 범위 : 시험체의 물리적 특성 측정, 시험체의 두께 측정,시험체의 결함 검출[ 종파의 진행 ]2) 초음파의 종류(1) 종파 (Longitudinal Wave, Compressive Wave)파(Wave)를 전달하는 입자가 파의 진행 방향에 대해 평행하게 진동하는 파로서 파의 진행에 따라 밀한 부분과 소한 부분으로 구성된 파(압축파)이며 고체, 기체, 액체에 모두 존재한다.(탄성충돌에 의한 전달)강(Steel) : 5900m/sec, 물 :1480m터 일정한 거리내에서는 초음파의 강도 및 방향이 불규칙하게 된는데, 이 일정한 거리를 근거리 음장이라고 한다. 근거리 음장내에서는 하나의 불연속이 여러개의 지시를 나타낼 수 있으며, 불연속으로 부터의 반사지시의 강도가 크게 변할 수 있기 때문에 결함의 해석에서는 상당한 주의가 필요하다.(2) 원거리 음장 (Fraunhofer Zone, Far Field)근거리 음장 밖의 영역이 원거리 음장이 되며, 이 음장내에서는 반사파의 강도는 거리가 증가 함에 따라 지수 함수적으로 감소한다. 원거리 음자에서 지시의 강도가 지수함수적으로 감소하는 이유는 감쇄(Attenuation) 및 분산(Beam Spread)이다. 감쇄의 원인은 산란(Scattering) 과 흡수(Assorption)이다. 초음파 탐상은 일반적으로 원거리 음장에서 이루어진다.4) 파의 진행특성(1) 굴절과 파형변이a) 굴절과 파형변이 (Snell's law)[ Snell 의 법칙 ]속도가 다른 두 재질 사이의 경계면에 음파를 경사지게 입사시키면, 음파의 일부분은 반사하고 나머지는 투과한다. 이때, 반사파의 입사각은 입사각과 항상 동일하며, 투과파는 입사방향에 대해 그 방향을 바꾸어 진행하게 되는데, 이를 굴절(Refarction)이라 한다.빛에서와 달리, 음파가 경계면에 경사지게 입사하는 경우에는 한종류의 파가 동일한 종류의 파로만 굴절되는 것이 아니고, 입사각에 따라서는 부분적으로 또는 전체적으로 다른 파로 변형되어 나타날 수 있다. 즉, 종파가 입사하면 매질 2에는 종파뿐만 아니라 횡파 또는 표면파가 존재 할 수 있다.b) 임계각 (Critical Angle)입사파의 각도를 적절히 조절하여 굴절 종파가 90˚ 로 굴절한다면, 검사체 내에는 횡파만이 존재하게 되고, 이때의 입사각을 제 1 임계각이라 한다. 또한, 횡파의 굴절각이 90˚ 가 되도록 입사각을 증가 시키면, 굴절파는 시험체의 표면으로 진행하게 되며 표면파가 생성된다. 이때의 입사각을 제 2 임계각이라 한다.[평면경계면에서 수직입사될 경우반사6) 사각 탐상시 필요 공식결함의 깊이 ( 0.5 skip이내)d = W cos θ결함의 깊이 ( 0.5 - 1 skip이내)d = 2 t - W cos θ탐측자 - 결함거리 y = W sin θW: 빔행정거리, θ : 굴절각, t : 판재의 두께0.5 skip 빔행정거리 W 0.5s = t / cos θ1 skip 빔행정거리 W 1s = 2t / cos θ0.5 skip 거리Y 0.5s = t?tan θ1 skip 거리Y 1s = 2t?tan θ[ 사각탐상에 사용되는 용어 ]※ 압전기 ( 압전체란 ? )몇가지 세라믹 재료에서 나타나고 있는 특별한 성질은 압전기(piezoelectricity)이다. 압전기란 압력 전기란 말로서, 외부에서 물리적 힘이 가해지면 시편에 분극이 유도되며 전기장이 형성되는 것을 말한다. 외부 힘의 방향을 바꾸면(즉, 인장으로부터 압축으로 방향을 바꿈) 전자의 방향도 바뀐다.압전체(piezoectric) 재료는 변화기(transducer), 즉 전기 에너지를 기계적 변형(mechanical strain)으로 또는 반대로 변화시키는 소자에 사용된다. 압전체를 이용하는 잘 알려진 적용으로는 축음기 픽업(pickup), 마이크로폰, 초음파 발전기, 스트레인 게이지(strain gauge), 음파 검출기(sonar detector)들이 있다.압전체 재료로는 바륨, 납, 납 지르코네이트로 구성된 티타네이트(PbZrO3), 암모니늄 중수소 인산(NH2H2PO4), 수정(quartz)이 있다. 압전기 재료는 낮은 대칭성을 가지며 복잡한 결정 구조로 되어 있는 특성을 가지고 있다. 다결정 시편의 압전 거동은 시편을 큐리 온도 이상으로 가열한 후 강한 전기장을 걸어주면서 상온으로 냉각시키면 향상된다.◎ 실험 장치 및 시편시험편 (STB-A1, STB-A2), 접촉매질(상온용 Couplant D), 초음파 탐상기(PANAMETRIC), 탐촉자(수직탐촉자) 등3. 실 험 방 법[ 수직거리 보정 ( 시간축 직선성 보정 ) ]① 초기 Parameter Set0%이상으로 올려 잡음이 걸리지 않도록 한다.⑥ 맨처음 Peak이 25보다 크면 Zero 키를 눌러 앞으로 이동하고 25보다 작으면 뒤로 이동해서 초기 Peak가 25mm가 되게 한다.⑦ Gate start 키를 이용해서 맨 마지막 Peak으로 가서 edge의 mm를 읽는다.⑧ edge가 125mm가 나오지 않으면 Range 키를 이용하여 125에 가깝게 조정한다.공차는 ±0.5% 이다.⑨ Range 키를 이용할 때 위의 125가 바뀌고 조절되지 않는다면 Vel 과 화살표 키를 이용하여 조절한다.⑩ 125mm가 맞는다면 Gate start를 이용하여 초기 Peak으로 이동하여 125mm가 맞는지 검사하고 나머지 peak도 검사한다. 보정된 값을 Save 키를 사용하여 저장할 수 있다.[ B-Scan 사용법 ( 수직탐상시에만 측정 ) ]① 준비된 시험편의 양면을 종이로 가려서 수직탐상검사 준비를 한다.② 수직 탐상 거리 보정후 Gate를 전 범위로 걸어준다.③ Full Wave 키로 A scan 과 B scan을 교환할 수 있는데 B scan으로 교환한다.④ 시험편의 두께를 입력한다. 입력이 Y축범위로 나타난다.⑤ ← 키를 누르면 파가 진행하고 이때 탐촉자를 이동하여 찾는다.⑥ Gate Level을 누르면 상의 위,아래가 바뀐다.⑦ Reject는 색을 넣어주는 키며, stop 과 start는 ↓의 반복으로 한다.⑧ 종이를 제거하고 실제 결함의 위치를 측정하여 실험값과 비교해 본다.4. 실 험 결 과 및 고 찰재료의 표면 또는 내부에 존재하는 불연속부를 검출하기 위해, 초음파를 재료에 전달시켜 검사하는 비파괴검사의 일종인 초음파 탐상검사(Ultrasonic Test)를 실시하였다. 본 실험에서는 초음파 탐상검사 중 수직 탐상법을 실시하였는데 실제로는 사각 탐상법이 더 실무에 많이 사용된다. 먼저 초음파 탐상기를 설치한 후 탐촉자를 사용하여 표준시편으로 시간축 직선성을 보정한 후 시험 시편(STB-A1)에서 초음파 탐상검사(수직탐상검사)를 실시하였다. 시험 시편의 포된 접촉매질과 탐촉자 간의 간격상의 문제점도 오차의 원인이 될 수 도 있다. 수직탐상실험으로 결함의 위치를 측정한 후 시험편 옆의 종이를 제거하고 실제 결함의 위치를 직접 관찰 하였다.[ 단위 : mm ]X 축Y 축관통길이a453045b6022.7540c1501710d20075e2401140[ 실제 결함위치 ]실제 결함의 위치를 직접 측정하여 보면 실험상의 결함의 위치와 어느 정도의 오차가 나타나는 것을 볼 수 있다. 본 실험에서는 실험상으로 길이방향(X축)은 약 15mm 정도의 오차를 나타내고 두께방향(Y축)으로는 약 2-5mm 정도의 오차를 보였다. 이러한 오차의 원인으로는 앞서 언급했듯이 탐촉자를 누르면서 움직임에 있어서 일정압력의 유지의 어려움과 탐촉자와 탐상면간의 간격의 발생으로 인해 발생할 수 있다. 또한 지향각의 적절한 조정과 검사시 탐촉자의 선택은 정확한 결함의 검출에 큰 영향을 미친다. 실험상 결함 두께의 측정은 하지 못하였다. 실험상의 두께 측정은 좀더 수식탐상실험의 능숙성이 요구되어진다.[ 측정된 결함과 실제결함 위치 분포 ]폭이 좁은 펄스는 주파수가 높은 쪽이 만들기가 쉬우므로, 표면에 가까운 결함의 탐상에는 높은 주파수를 선택한다. 전파거리가 길 때에는, 그 길이만큼 초음파의 산란이 생긴다. 특히 주파수가 높을수록(파장이 짧을수록) 결함에 의하여 산란반사가 되기 쉽다. 탐상거리가 크게되면 될 수록 동일한 크기의 결함이라도 에코 높이는 작게 된다. 거리진폭 특성곡선은 거리가 에코 높이에 미치는 영향을 명백히 하여 결함의 크기를 추정 평가하는데 효과적이다. 감쇄의 원인으로는 산란과 흡수가 있는데 산란은 결정모양에 따라 발생하며 흡수는 입자에 의해 에너지가 흡수된다.강판의 수직탐상에서는 측정 범위를 저면 에코가 5-10회 정도 얻어지도록 조정하는 것이 보통이다. 이것은 저면 에코의 다중반사도형을 관찰하는 것에 의하여 결함을 놓치는 것을 방지하고, 감쇠의 상태를 보기위한 것이다. 결함이 있으면 결함 에코가 얻어지는 것과 동시에 저면 에코는 다요하다.

공학/기술| 2004.12.13| 10페이지| 1,000원| 조회(1,293)

초음파, 결함, 매질, 탐상검사, 검사기

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[반도체공정] 산화막 성장기구( Oxidation growth mechanism ) 평가B괜찮아요

산화막 성장기구( Oxidation growth mechanism )1. 실 험 목 적반도체 소자 및 박막을 응용한 기능성 소자의 제작의 기본이 되는 다양한 산화물 박막의 제작 공정의 진행순서 및 기본원리를 이해하고, 그 특성을 실험을 통하여 숙지한다. 본 실험은 습식 산화법을 기본으로 하여 이론적 모델에 의한 결과와 실험결과를 비교, 고찰해 본다. 또 이전 실험의 건식 산화법과도 비교해 본다.2. 이 론 적 배 경(1) Dry Oxidation (건식 산화) : Si (solid) + O2 (gas) → SiO2 (solid)물을 증발시켜 수증기를 이용해 산화막을 성장시키는 방법으로 성장속도가 빨라 두꺼운 산화막 성장 등에 사용된다.(2) 산화막(Silicon Oxide) 용도① Isolation (field Oxide, Inter-Metallic Dielectrics, 층간 절연층)② diffusion Mask (Ion Implant or Diffusion)③ Surface Passivation④ Functional Insulator, 즉 Dielectrics로(Gate Oxide, Capacitor Dielectrics, Tunneling Oxide)○ Dry oxidation : 2nd Pad Oxidation , 2nd Gate Oxidation 등 두께가 얇고 균질한 산화막의 성장시 사용.(4) 열산화막의 성질[ 열산화막의 성질 ](3) 산화공정에 영향을 주는 인자들1) Temperature (온도)furnace 온도가 상승하면 확산계수의 증가로 인해 oxide 성장속도가 증가.2) Pressure (압력)furnace의 압력이 높으면 oxide 성장속도가 증가한다.[ 압력에 따른 습식산화 속도 ][ 결정 방향에 따른 산화막의 두께 변화 (건식 산화, 1000℃, 1시간) ][ 다결정 실리콘의 산화(건식식각, 900℃) ]3) Wafer Type (결정방향의 영향)조밀 충진면일수록 성장 속도가 빠르다.4) Dopant Effects (도핑 효과)[ PS / (kT)∴ F1 = hG (CG - CS) = hG (PG - PS) / (kT)= hG (C* - C0)h = hG / (KH kT)F1 = h (C* - C0)2) 산화물 안에서의 산화제의 flux, F2 구동력F2 = D (C0 - Ci) / X0Ci : oxide/Si interface의 산화제 농도3) 계면에서 화학반응에 의한 flux, F3 구동력F3 = ks Ciks : chemical reaction rate const.3단계가 직렬로 연결되어 있으며, 가장 느린 단계가 전체의 반응속도를 결정한다. 정상상태 (steady state)에서, F = F1 = F2 = F3이 식들을 Ci 와 C0 에 대해서 풀고 정리하면,Ci = C* / [1+(ks/h)+(ksXo/D)]C0 = [(1+(ksXo/D)C*) / [(1+(ks/h)+(ksXo/D)]그런데, thermal oxidation의 경우 F1 은 결코 rate-limiting step이 아니다.∴ h ≫ ks (gas는 충분히 공급된다.)∴ Ci = C* / [ 1 + (ksXo/D) ]∴ C0 ≒ C*diffusion controlled⇒ Step 3가 roate-limiting 인 경우D ≫ ksXo∴ Ci → C0 interfacial reaction controlled4) Rate of oxide growth∴ Ci ≒ C0 [ 1 + (ksXo/D) ]F = Ks C* / [ 1 + (ksXo/D) ] = (D C0 ks) / (D + ksXo)⇒ Step 2가 rate-limiting 인 경우D ≫ ksXo∴ Ci → 0(dXo/dt) = (F/N) = (1/N)(D C0 ks) / (D + ksXo)N : unit volume 에 들어가는 oxidant molecul의 숫자건식산화 N = 2.3 × 1022 ㎝-3습식산화 N = 4.6 × 1022 ㎝-3미분방정식을 폴면 된다.Boundary Condition : X (t=0) = Xi(ksX02) + (Dxo) = [(D 성장된 산화막의 두께를 산화막 두게 측정 장비를 이용하여 측정한다.⑦ 측정된 산화막 두께와 이론적인 산화막 두께를 비교해 보고 습식 산화에 대하여 생각해본다.4. 실 험 결 과 및 고 찰본 실험에서는 Si wafer 위에 SiO2 의 Silicon oxide를 Dry Oxidation을 사용하여 성장시켰다. 또한 실험에서 furnace의 온도를 900℃, 950℃ 그리고 1000℃에서 각각 30min, 60min, 90min, 120min 간 Dry oxidation 시켜주어 건식산화 공정에서 온도와 시간이 미치는 영향을 살펴 보았다.그리고 본 실험에서는 Deal-Grove Model의 이론적 내용을 이해하고, 온도 변화와 시간의 변화가 산화막 성장률에 미치는 영향과 건식산화(Dry Oxidation)의 산화막 성장률을 측정하여 첫 번째 실험인 습식산화(Wet Oxidation)의 산화막 성장률의 차이점을 알아 볼 것이다. 또한, 온도와 시간 이외에 산화 공정에 영향을 주는 압력, 결정방향 등의 다른 요소에 따른 성장률의 차이점을 알아 볼 것이다.Dry oxidation30min60min90min120min900℃100Å220Å300Å310Å950℃250Å500Å490Å520Å1000℃300Å900Å850Å930Å① Deal-Grove Model 의 이해와 산화막 성장에 미치는 시간의 영향산화에 대한 Deal-Grove Model에서 Oxide Growth의 속도를 요약하면 다음과 같다. 단, 다음 식들은 Stagnant layer에서의 oxygen의 이동속도 F1(J1)=hG(CG-Cs)를 생략한 값들이다.에서,,이다.단, x는 시간 t에 따른 oxide 두께, D는 확산계수, k는 chemical rate constant, N은 oxide 단위 부피당의 산화제의 수, X0는 t=0 일때 oxide 두께이다. 본 실험에서는 furnace의 가열시간을 시간을 30min, 60min, 90min, 120min 으로 하여 시간이 산화공정에 미치는 영향을 알아보았 성장에 미치는 영향일정 시간(30min, 60min, 90min, 120min)에서 SiO2를 성장시킬 때, furnace의 온도를 900℃, 950℃ 그리고 1000℃로 달리하여 실험하였다. 그 결과 Dry Oxidation이나 Wet Oxidation 모두 온도가 증가함에 따라서 oxide 성장 속도가 증가한 것을 실험 결과에서 볼 수 있다. Dry Oxidation의 경우 온도 증가에 따라서 두께가 100Å→250Å→300Å 으로 증가하였고, Wet Oxidation의 경우는 온도 증가에 따라서 두께가 1800Å→2300Å→2500Å 으로 증가하였다. 이 현상은 온도가 증가하면 반응이 빨라지는 일반적인 경우와 일치한다. 여기서는 Deal-Grove의 관계식을 이용하여 온도가 oxide 성장속도에 미치는 영향을 수식으로 알아본다.앞에서 사용한 식을 다시 사용하면 다음과 같다.short t의 경우이며, 이 경우 oxide 성장속도가값에 영향을 받는다.반면, long t의 경우이며, 이 경우 oxide 성장속도가값에 영향을 받는다.oxide 성장속도에 영향을 주는와 B를 나열하면 다음과 같다.단,이다.단,이다.위와 같이와 B가 온도의 함수가 된다. 그리고 온도가 증가할수록 oxide 성장 속도에 영향을 미치는와 B가 exponential 하게 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 앞의 습식 및 건식 산화에서의 산화막 성장 그래프에서도 온도가 oxide 성장 속도에 미치는 영향을 알 수 있다. 위와 같이 온도가 산화공정에 미치는 영향을 Deal-Grove Model의 관계식을 이용하여 수식으로 알아보았다.Wet oxidation30min60min90min120min900℃1800Å3100Å3000Å4000Å950℃2300Å4000Å4300Å5300Å1000℃2500Å4800Å5800Å6000Å③ 건식산화(Dry Oxidation)과 습식산화(Wet Oxidation)의 성장속도와 특성비교실험결과를 보면, 같은 시간(30min, 60min, 90min, 120mire (thin oxide)][Parabolic Rate Constant vs. Temperature (thick oxide)]thin oxide의 경우, ln(B/A)와 T(온도)에 대한 관계식에서 기울기는 -(Ea/R)이다 그리고 절편은 ln(C0k0/N) or lnC2 이다. Ea(Si의 결합을 끊는데 필요한 에너지)는 Wet 이나 Dry에서 비슷한 값을 나타낸다.(Wet : Ea=2.05eV, Dry : Ea=2.0eV) 따라서 위의 왼쪽 그래프에서처럼 Wet Oxidation이나 Dry Oxidation의 기울기가 같게 된다. 그리고 Wet의 절편 값이 Dry 절편 값보다 크다는 것을 알 수 있다. 이는 표에서도 알 수 있다.(Wet : C2=1.63×108㎛/h , Dry : C2=6.23×106㎛/h) 따라서 위의 그래프에서도 보는 바와 같이 각각의 온도에서 Wet Oxidation에 의한 oxide 성장속도가 Dry Oxidation에 비해 크다는 것을 알 수 있다.반면, thick oxide 경우, lnB 와 T(온도)에 대한 관계식에서 기울기는 -E0/R 이다. 그리고 절편은 ln(2D0C0/N) or lnC1 이다. E0는 Wet의 E0 값이 Dry의 E0 값보다 작다.(Wet : E0=0.78eV , Dry : E0=1.23eV) 따라서 위의 오른쪽 그래프처럼 Dry Oxidation의 기울기가 Wet Oxidation 기울기보다 더 가파르다는 것을 알 수 있다. 그리고 Wet의 절편 값이 Dry의 절편 값보다 작은 것을 알 수 있다. 이것은 Wet 의 C1=3.86×102㎛2/h 값이 Dry의 C1=7.72×102㎛2/h 값보다 작다. T가 ∞로 커질 때 Wet과 Dry의 그래프가 교차하여 Dry Oxidation의 절편이 Wet Oxidation보다 크게될 것을 그래프에서도 추측할 수 있다. 그러나 위의 thick oxide 그래프처럼 일반적인 환경온도인 (550℃～1200℃)에서는 각각의 온도에 대해서 Wet Oxidation에 의한

공학/기술| 2004.12.13| 13페이지| 1,000원| 조회(2,212)

산화막, furnace, wet, 성장기구, dry

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