고에너지 양성자 유도 핵반응을 이용한 동위원소 다중 표적 생산시스템의 열 해석

김초롱 연세대학교 대학원 2023 국내석사

본 연구는 100 MeV 선형 양성자가속기를 활용하여 진단용 동위원소 68Ge과 치료용 동위원소 67Cu를 동시에 생산하는 동위원소 표적 시스템의 열 해석을 수행한 연구이다. 양성자 빔과 직접 충돌하여 열부하를 받는 다중 표적과 빔 윈도우의 열 해석 수행 결과를 바탕으로, 표적의 녹는점을 판단기준으로 하여 안전계수를 1.5로 고려하였을 때 117.4 μA의 빔 전류로 균일 빔을 조사하는 경우 표적의 온도 상승이 188.7 ℃로 안정적인 방사성동위원소 생산이 가능할 것으로 판단하였다. 표적 형태는 열 해석 결과에 따라 Zn 표적은 금속 표적으로, Ga 표적은 산화물 표적으로 결정하였다. 또한, 동위원소 생산시스템에 안정적인 빔 공급을 위해서 빔 윈도우 냉각시스템이 필요하다는 것을 열 해석 결과를 통해 확인하였고, 방사형 노즐 형태의 유입구를 적용한 냉각시스템이 유동의 궤적과 유속, 접촉면 등을 고려했을 때 가장 적합한 냉각시스템이라고 유동 해석 결과를 통해 판단하였다. 이 설계안을 적용하면, 일반적으로 의료용 동위원소를 생산하는 빔 전류 조건인 100 μA에서 빔 윈도우의 열 변형률은 0.112%로 일반 대기 상태에서 자연대류로만 냉각했을 때와 비교해 변형이 1/10 정도로 감소하며 탄성변형 범위임을 확인할 수 있었다. 빔 윈도우의 탄성 변형률을 판단기준으로 안전계수를 1.5로 고려하면, 안정적인 동위원소 생산이 가능한 빔 전류는 95.2 μA이고 빔 윈도우의 변형률은 0.107%이다. 헬륨 냉각 시스템으로 선택한 설계안은 시제품 제작 및 실험을 통해 건전성과 유동 계산 결과, 냉각 성능을 확인하였다.

미세 밀링을 이용한 cyclic olefin copolymer의 가공 및 젖음성 조절

강명구 연세대학교 대학원 2013 국내석사

바이오 분석에 사용되는 미세유체칩은 그 용도에 따라 유로의 형태, 크기 및 적절한 표면 특성을 요구한다. 이러한 미세유체 칩 제작의 초기 개발 단계에서는 금형의 제작 없이 직접 가공하여 프로토타이핑 하는 것이 경제적일 수 있다. 미세 밀링은 높은 형상정밀도를 유지하면서 3차원 구조물의 제작이 가능하므로 폴리머 미세유체칩의 프로토타이핑 방법으로 적합하다. 이 때 미세 밀링으로 가공된 표면의 거칠기는 가공조건에 의해 결정되며, 표면거칠기는 미세유체 칩의 성능을 결정하는 주요 요소인 젖음성에 영향을 주는 요소이다. 따라서, 미세 밀링 가공 시에 공정 조건 만으로 젖음성을 변화시킬 수 있으며, 이를 이용하면 사출성형을 통해 제작한 최종제품과 동일한 젖음 특성을 지니도록 프로토타이핑이 가능할 것이다. 본 연구에서는 프로토타이핑 과정에서 젖음성 조절의 가능성을 확인하기 위해 미세 밀링을 사용하여 폴리머 재료인 Cyclic Olefin Copolymer를 가공하고, 가공 조건, 표면 거칠기 및 젖음 특성의 관계를 실험적으로 분석하였다. COC 재료의 가공 조건에 따른 표면 거칠기를 측정하였으며, 접촉각을 측정하여 젖음성을 평가하하였다. XPS와 FT-IR을 이용하여 COC의 밀링과정에서 젖음성에 영향을 끼치는 표면의 화학적 변화가 생기는 지를 관찰하였다. 제안한 방법으로 미세유로를 제작하여 유로내의 표면 거칠기 및 젖음성을 측정하였다. 유로내의 젖음성 분석을 위해 매니스커스를 측정하여 거칠기 변경을 통한 미세유로 내 젖음성 조절이 가능함을 보였다.

레벨 셋 기반의 표면 변화 모델을 이용한 이온빔 가공면의 형상 예측

맹상진 연세대학교 대학원 2012 국내석사

이온빔 연마는 이온빔을 재료에 조사할 때 표면의 매끄러워지는 현상을 이용하여 현미경의 시편 제작이나 초정밀 표면 가공이 필요한 부분에 사용된다. 이온빔 연마는 비접촉식 연마 공정이기 때문에 표면에 하중이 없으며 연마 시 모서리 부분이 먼저 연마되지 않는 장점을 가지고 있다. 또한 가공할 위치를 제어할 수 있으며 공간 주파수가 큰 영역의 표면을 선택적으로 가공할 수 있다. 그러나 이온빔 연마 공정에서는 이온빔은 가우시안 분포를 띄고, 이온빔이 조사되는 각도에 따라 스퍼터링 수율이 달라지며, 이온빔에 의해 스퍼터링된 재료의 일부가 재료의 표면에 달라 붙는 현상 때문에 형상의 진화과정을 예측하기가 어렵다. 이러한 이유 때문에 이온빔 시뮬레이션을 이용하여 가공 공정을 예측한 연구들이 많다. 이러한 연구들은 빔의 분포, 각도에 따른 스퍼터링 수율 변화, 스퍼터링된 재료의 재증착 현상을 고려하여 시뮬레이터를 제안하였다. 그리고 다양한 각도에서 이온빔이 조사되었을 경우를 해석하기 위해서 Z-map 기반이 아닌 레벨 셋 기법을 이용한 연구도 진행되었다. 본 논문에서 제안하는 이온빔 연마 시뮬레이션은 미리 계산된 재증착 함수를 이용함으로써 레벨 셋의 속도 함수를 계산하는 속도가 향상되었고 대면적의 연마 영역을 시뮬레이션 가능하도록 하였다. 또한 다양한 각도와 다양한 이온 빔 조건에서 이온 연마 실험을 하기 위해 이온빔 연마 장치를 개발하였다.

용액공정 기반 CuInGa(S,Se)2 박막 태양전지의 K-doping 적용과 활용

김민규 고려대학교 그린스쿨대학원 2019 국내석사

저가 전구체 용액(precursor solution)으로 K(potassium) 원소를 doping(도핑)하여 K-doped CIGS 태양전지 박막을 제조했다. 알칼리 금속(Alkali metal, AM)은 CIGS 진공증착(co-evaporation) 방법에서 활발히 연구되고 있으며 현재 22.6 %의 최고효율을 달성했다. 이는 진공증착법에 의한 후처리(post-deposition) 방식으로 최상단부(surface)에 적용되어 흡수층과 버퍼층 계면에서의 mechanism이 확인되었다. 하지만, 본 논문에서는 dynamic secondary ion mass spectroscopy, UV-Vis-NIR spectroscopy 를 통해 K 원소의 하단부(bulk effect)에서의 분포도 및 밴드갭 감소에 따른 광흡수율의 증가를 확인했다. 따라서 알칼리 금속이 도핑되지 않은 CIGS(un-doped)태양전지에 비해 개선된 특성을 확인했다. 반사방지막(Anti-reflection film)을 증착 후 단락전류 31.4 mA/cm2, 개방 전압 0.62 V, 충진률 72.3 %의 결과로 최고 광전변화효율 15 %를 달성했다.

자기유변유체를 이용한 전기화학기계적 연마공정의 종료시점 검출

이재호 연세대학교 대학원 2014 국내석사

최근 들어 LED 광원, 초소형 카메라 등에 렌즈 부품이 다양하게 사용되고 있다. 이러한 마이크로미터 크기의 렌즈 제작은 금형을 이용하여 제작한다. 이 때 필요한 금형은 나노미터급 표면 품위를 요구하게 되어 정밀한 금형 가공 기술이 필요하다. 여러가지 가공 기술 중 후처리 공정으로 자기유변유체 (magnetorheological fluid, MR fluid)를 이용한 연마 공정이 있다.자기유변유체는 인가되는 자기장의 세기나 형태에 따라 유체의 특성이 변화하는 기능성 유체로써 다양한 산업분야에서 활용되고 있다. 연마에서는 자기장에 의해 변화하는 유체의 점성 및 항복응력을 이용하여 표면 형상의 손상을 최소화하면서 품위를 개선하는 공정으로 응용되고 있다. 또한, 전기화학적 산화를 이용하여 고경도, 전도성 재료의 표면을 미세하게 유화시킨 후 자기유변유체를 이용하여 표면을 연마하는 전기화학 기계적 연마 (Electrochemomechanical magnetorheological fluid polishing, ECMMRP)기술도 연구되었다.이러한 연마 공정의 한계는 금형 캐비티별 연마 후 표면조도의 산포가 다르게 연마될 수 있다는 점이다. 실제 산업에서는 캐비티별 연마 후 표면 품위를 균일하게 하기 위해 수작업을 이용하여 많은 작업 시간과 비용이 소요된다. 연마 후 캐비티별 표면조도의 산포를 줄이기 위해서 연마공정 종료시점(end point) 검출에 대한 필요성이 대두되었다. 입체 형상에 대한 연마가 아닌, 평면 형상에 대한 연마기법 중 CMP (Chemical Mechanical Polishing)에서는 종료시점 검출 (End-point detection)에 대한 연구가 상당히 활발하게 진행되고 있는 반면, 3차원 입체 형상의 연마에는 종료시점검출에 대한 연구가 아주 미흡한 실정이다.본 연구는 전기화학 기계적 연마기법에 전류신호를 이용하여 모니터링함으로써 다수의 시료들에 대한 연마 후 동일한 표면조도를 얻어냄으로써 연마공정의 종료시점을 파악하고자 한다. 실험을 통해 동일 전류값에서 동일한 표면조도 값을 확인함으로써 여러 캐비티 제작시 시간과 비용을 절감할 수 있도록 하기 위한 EPD 시스템을 연구해본다.이를 위해 연마공정에 표면조도와 표면적, 전류변화의 상관관계 및 메커니즘을 분석한 후 전류신호를 이용하여 표면조도가 변화하는 동안의 전류변화 모니터링을 통해, 표면조도를 예측하고자 한다. 또한 전류값에 영향을 주는 파라미터 분석을 통해 고정인자 추출 후 제안하는 EPD 시스템으로 표면조도의 실제 결과값을 확인해본다.

전해방전가공을 이용한 유리미세채널의 제작

김성수 연세대학교 대학원 2009 국내석사

전해방전가공이 미세 유리 가공에 있어 하나의 대안으로 대두 되고 있다. 하지만 기존의 전해방전가공은 패턴 폭의 한계와 형상정밀도가 낮다는 단점 때문에 미세유리가공에 적용이 어렵다. 전해방전가공에서 패턴 폭의 한계를 극복하기 위해서는 전극의 사이즈뿐 아니라 절연막의 두께의 감소가 필요하다. 본 연구에서는 절연 전극을 사용하여 전기분해 현상을 국소화시킴으로써 안정적인 절연막 형성을 유도하여 규칙적인 스파크가 발생하도록 하였고 중심합성 실험 계획법을 통해 전해방전가공에 패턴의 폭에 영향을 주는 인자들을 분석하여 패턴의 폭을 감소 시켰다. 패턴의 폭에 영향을 주는 인자들을 전해질 농도, 입력 전압, 입력 주파수로 결정하여 인자들의 변화에 따른 패턴 폭의 변화에 대해서 연구하였다. 전해질 농도가 감소 할수록 패턴의 폭이 감소 하였고 5wt%의 농도에서 최소의 패턴폭을 얻었다. 입력전압의 경우 전압이 낮아 질수록 패턴의 폭이 감소하였다. 하지만 입력전압의 최소값은 절연막을 생성할 수 있는 임계값 이상이 되어야 한다. 저농도에서 입력주팍수가 증가함에 따라 패턴의 폭이 감소 하였다. 하지만 고농도에서는 입력주파수의 증가에 따라 패턴의 폭이 감소하다. 실험결과로부터 최소의 패턴을 폭을 얻을 수 있는 실험값을 설정하였다. 3wt% 전해질 농도와 25V의 입력전압, 10kHz의 입력 주파수를 이용한 실험 조건에서 약 3.5 μm의 패턴 폭을 갖는 미세패널을 가공하였다.방전가공, 집속이온빔, 에칭을 이용하여 삼각형, 구형, 직사각형 형태의 전극을 제작하여 미세채널의 형상을 제어하였다. 전해방전가공의 경우 스파크의 대부분이 전극의 모서리 부근에서 발생한다. 모서리 부근에서 전기장 집중현상이 발생하기 때문에 다양한 형태의 전극의 이용하여 미세채녈을 가공한 결과 원하는 형태의 단면을 가진 미세채널의 가공이 가능하다는 연구결과를 얻었다.

실시간 절삭력 분석을 이용한 미세 밀링 공정의 플로잉 발생 감지

윤희택 연세대학교 대학원 2009 국내석사

플로잉 현상은 무딘 공구 끝단에 의해 재료가 가공되지 않고 탄성 또는 소성 변형되는 것을 의미한다. 이로 인해 가공면의 표면 거칠기가 증가하고, 공구의 휨과 진동을 일으키며 공구의 마모를 증가시킨다. 미세 밀링 공정에서는 공구의 크기가 감소하면서, 작아진 강성으로 인해 공구 파괴를 막기 위해 절삭력을 감소시켜야 하므로 느린 피드로 가공해야 한다. 이 때 피드의 값이 공구 끝단의 반경과 비슷해지면서 플로잉 현상이 발생하게 되므로, 가공 품위 및 공구 수명을 향상시키기 위해서는 기존 밀링 공정에서 고려하지 않았던 플로잉 현상을 미세 밀링 공정에서는 반드시 고려해야 한다. 플로잉 현상을 피하기 위해서는 칩이 생성되기 시작되는 최소 칩 두께 이상의 피드로 가공해야 한다. 하지만, 최소 칩 두께는 재료, 공구, 절삭 조건 등 많은 인자를 통해 결정이 되며 공구 마모에 의해 공구 끝단의 반경이 증가하므로 가공 전 최소 칩 두께 예측을 통해 플로잉 현상을 검출하기 어렵다. 때문에, 가공 중 모니터링을 통해 플로잉 현상을 피해야 할 필요가 있다. 본 논문에서는, 미세 밀링 공정에서 절삭력 신호를 이용해 플로잉 현상을 모니터링하기 위한 방법을 제안하였다. 플로잉 현상이 발생하면 가공 되지 못하고 남아있는 재료가 공구의 날이 회전할 때의 가공 두께가 변화하면서 절삭력의 크기가 변하게 된다. 이와 같은 절삭력 크기의 변동을 UWT(Undecimated Wavelet Transform) 피크 검출 알고리즘으로 측정하여 플로잉 현상의 발생 여부를 모니터링하였다. 이를 통해 가공 중 실시간으로 플로잉 현상을 검출할 수 있으며, 가공 조건 수정을 통해 플로잉 현상을 회피할 수 있다. Ploughing is elastic or plastic deformation of workpiece material. In conventional milling processes, ploughing was unimportant because uncut chip thickness is much higher than minimum chip thickness, which is minimum value of uncut chip thickness when chip begins to form. However, ploughing becomes important issue in micromilling processes because of size effect. As diameter of tool becomes smaller, stiffness of tool also decreases. Therefore, feed per tooth should be small enough to reduce cuttong force and to avoid tool breakage. At that condition, the feed per tooth in micromilling becomes comparable with minimum chip thickness. Therefore, ploughing condition is easy to be occurred in micromilling processes. Ploughing in micromilling processes increases surface roughness, reduces dynamic stability and accelerates tool wear. Therefore, ploughing should be avoided in micromilling processes. In this paper, detection of ploughing condition using cutting force signal in micromilling processes is proposed. When ploughing is occurred, peak of cutting force signal varies due to accumulation of material which is elastically or plastically deformed. To measure peak variation of cutting force, UWT (Undecimated Wavelet Transform) multi-resolution analysis is used and appropriate level selection of UWT is modeled considering various cutting conditions. Furthermore, variation of cutting force is modeled as normalized variance of peaks. Ploughing condition is detected when normalized peak variance of cutting force is above threshold value. Results of experiment shows than ploughing condition is detected under 0.8m feed per tooth and is detected when the threshold value of normalized variance is 0.001. The algorithm is applicable to real-time detection of ploughing condition in micromilling processes.

방전가공에서의 공작물과 전극의 제거 형상 예측

김형대 연세대학교 대학원 2006 국내석사

The electrode wear significantly deteriorates the machining accuracy in micro-EDM milling. In this regard, a large amount of researches were devoted to solve the electrode wear problem. As the exemplary approach, uniform wear method and tool wear compensation by estimating gap distance were introduced. However, the approach to prediction of the tool wear and machined surface has never been reported.$$a$$aTherefore, the electrode wear needs to be investigated to improve the machining accuracy. In this study, a 2-dimensional geometric model of micro EDM milling process was developed considering electrode wear. The developed model is composed of a number of grids which has 1 X 1 ㎛ size considering material removal mechanism. As the principal assumption of material removal mechanism is that a spark removes same amount of workpiece, the amount of removed volume per spark was evaluated by single discharge experiments. The purpose of the simulation is to predict geometries of electrode and workpiece after EDM milling. From the simulation using the developed 2 dimensional geometric model, the shapes of electrode and workpiece can be predicted. Consequently, it is demonstrated that the predicted electrode and workpiece geometries match actual ones well.$$a$$a 본 연구에서는 원형단면을 가지는 미세 막대전극을 이용하는 미세방전 가공에서, 전극의 마모가 방전가공 시 가공형상에 미치는 영향을 이해하기 위해 방전 밀링 공정을 모델링하였다. 모델링에서 정의된 가공조건들은 가공메커니즘을 고려하여 수학적으로 정의되었다. 또한 관련된 가공변수(machining parameters)들은 실험을 통해 얻어졌다. 방전가공에서 재료제거 메커니즘은 2차원 단면상에서 기하학적으로 고려되었다. 특히, 기존 연구에서 제시된 바 없는 전극의 마모를 재료제거의 일부로 고려하여 모델링함으로써 가공 중 전극 마모(electrode wear)의 영향이 가공 형상에 반영될 수 있도록 하였다.$$a$$a모델링 과정에서 실제 3차원 형상을 지닌 전극과 가공물을, 일정한 크기를 갖는 2차원 기하행렬로 모델링하였다. 모델링의 대상은 방전가공 시 전극과 가공물의 형상 변화이며, 전체가 아닌 실제 가공이 예상되는 영역만을 관심영역으로 설정하였다. 방전가공 입력변수와 시뮬레이션 조건은 실제 방전 밀링 가공을 통해 결정하였으며, 재료제거 메커니즘을 정의하여 기하학적 모델(geometric model)에 충실히 반영하였다. 재료제거 메커니즘을 구성하는 가장 기본적인 가정은, 방전가공 시 발생하는 스파크 한 개가 제거하는 재료의 부피는 일정하다는 것이다. 따라서, 단발방전 실험을 통해 크레이터 (crater)의 직경과 부피를 측정하여 펄스당 제거되는 가공물의 부피를 결정해주었다. 또한, 방전 드릴링 가공을 통해 마모부피비를 구하고, 이를 다시 마모 면적비로 환산한 값을 기준으로 시뮬레이션에서 전극과 가공물의 미소면적들을 일정한 비율로 제거하도록 하였다. 시뮬레이션은 MATLAB 프로그래밍을 이용하여 작성하였고, 실험을 통해 결정된 시뮬레이션 조건들과 재료제거 메커니즘을 바탕으로 하였다. 시뮬레이션 결과는 전극과 가공물의 최외곽선을 도시함으로써 전극의 마모와 가공물의 재료가 제거되는 형상을 예측할 수 있도록 하였다. 또한 시뮬레이션을 검증하기 위해 방전밀링 가공을 두 가지 조건으로 분류하여 실험하고 시뮬레이션 결과와 비교하였다.$$a$$a

조립오차 분석을 이용한 다중이온빔 광학계의 공차설계

김승태 연세대학교 대학원 2010 국내석사

CdS 형성 메커니즘 조절을 통한 Cu(In,Ga)(S,Se)2 박막 태양전지의 P-N 접합 개선

김다슬 고려대학교 그린스쿨대학원 2020 국내석사

Cu(In,Ga)(S,Se)2(CIGS) 박막 태양 전지는 높은 효율 및 잠재력으로 인해 광전 소자 분야에서 상당한 관심을 끌었다. 지금까지 대부분의 연구에서는 광 흡수체의 광전기적 특성을 개선하는데 중점을 두었다. 하지만, 광 흡수체에서 photo-generated charge carrier 들은 p-n 접합의 공간 전하 영역의 전기장에 의해 분리되기 때문에 태양 전지 장치의 p-n 접합 제어는 태양전지의 성능을 개선시킴에 있어 매우 중요하게 여겨야 할 쟁점 중 하나이다. CIGS/CdS 이종 접합에서, CdS의 두께는 개방 회로 전압(VOC)과 단락 전류 밀도(JSC) 간의 상충 관계를 유발함으로써 박막 태양 전지의 성능을 제한하였다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 화학 용액 증착법 방식을 사용하여 CdS의 형성 메커니즘을 제어하였다. 흥미롭게도, CIGS/CdS 접합의 광전기적 특성이 CdS의 형성 메커니즘에 의존함을 보였으며, 이종 형성 메커니즘을 통해 얻은 CdS 박막의 형성은 p-n 접합에서 병렬 회로 전류 손실 및 인터페이스 재조합을 효과적으로 감소시키는 것을 확인하였다. 또한, CdS의 형성 메커니즘을 조절하기 위해 사용된 용액 내의 alkalinity가 CIGS의 표면 조성에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 결과적으로 CIGS의 표면 조성의 변화는 p-n 인터페이스의 재결합 감소에 영향을 미치며, p-n 접합에서 광 전기적 손실을 효과적으로 조절 할 수 있음이 확인되었다. 이의 결과는 CdS의 두께와 상관없이 거의 일정한 개방 회로 전압 (VOC)은 개방 회로 전압 (VOC)과 단락 전류 밀도 (JSC) 간 상충관계의 문제점을 해결할 수 있는 해결책이 될 수 있음을 시사한다. 본 연구에서 개방 회로 전압과 단락 전류 밀도 모두 우수한 값을 가진 15.58%의 동력 변환 효율의 용액 공정 기반 CIGS 태양전지를 개발하였다.