Evaluation of crystallinity and mechanical properties of thermoplastic composite material cooled by die during hot press forming

고분자 기반의 섬유 강화 복합재료는 금속재료 대비 우수한 내식성, 비강도 및 비강성을 가지고 있어, 항공기, 선박, 자동차 등 수송 산업 분야에 금속재료의 대체품으로 적용 가능성이 확대되고 있다. 특히, 열경화성 고분자 복합재료와 비교하여 가공성이 용이하고 재활용이 가능한 열가소성 고분자 복합재료의 연구가 많이 진행되고 있다. 열가소성 고분자 복합재료는 열성형(Thermoforming)이 가능하며 가열, 가압 성형 및 냉각 과정을 통해 성형을 이루어진다. 대부분의 열가소성 고분자 복합재료는 반결정질 (Semi-Crystalline) 분자 구조를 이루며, 냉각 온도에 따른 결정화도에 따라 성형 후의 기계적 특성이 달라진다. 기존의 열경화성 복합재료는 오토클레이브를 이용해 높은 기계적 물성을 획득할 수 있는 장점이 있지만 높은 제작 단가와 성형시간이 오래 걸린다는 단점을 가지고 있다. 반면에, 열가소성 복합재료의 경우, 열성형을 비롯하여 오토클레이브 공정 없이 프레스 장비 등을 이용한 탈오토클레이브(Out-Of-Autoclave) 공정이 가능하기 때문에, 공정 비용 및 제작 시간의 효율성을 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 항공기의 2차 구조물이나 단순 부품에 적용 가능한 Polyphenylene Sulfide(PPS)를 이용하여 프레스 성형 공정 변수를 도출하고 냉각속도에 따른 시편 제작을 통해 물성 평가를 수행하였다. 일반적으로 Hot-Press를 이용한 공정은 가열, 가압 성형, 냉각 과정을 통하여 열가소성 복합재료의 성형을 수행한다. 본 논문에서는 적외선(InfraRed)을 이용하여 열가소성 복합재료의 성형가능온도(Processing Temperature)까지 가열한 이후, 압력을 가하여 성형 공정을 수행하였으며, 냉각 속도에 따른 물성 평가를 위하여 금형 온도를 변화시키며 시편을 제작하였다. 또한, 오븐을 이용한 진공성형공정으로 동일한 시편을 제작하여 Hot-Press 성형공정으로 제작한 시편과 비교 및 분석을 진행하였다. 냉각 속도에 따른 결정화도는 Differential Scanning calorimetry(DSC)를 이용하였고 냉각 속도가 느릴수록 높게 측정되는 경향을 보였다. 또한, 인장 및 압축 등 기계적 특성 역시 결정화도가 높을수록 높게 측정됨을 알 수 있었고, 결정화도에 따른 재료의 표면상태 및 파단 거동을 분석하기 위하여 Scanning Electron Microscope(SEM) 으로 표면 및 파단면을 관찰하였다. 본 연구를 통해 열가소성 복합재료를 이용한 Hot-Press 성형 시 냉각 속도에 따른 결정화도와 기계적 특성 변화의 양상을 살펴 보았다. 본 연구 결과를 토대로 PPS 및 PEKK(Poly Ether Ketone Ketone) 등의 열가소성 복합재료를 이용한 실제 부품 성형 시 활용될 수 있을 것이라 예상된다.|Polymer-based fiber-reinforced composites have superior corrosion resistance, specific strength and specific rigidity compared to metal materials, and are being applied as a substitute for metal materials in transportation industry such as aircraft, ship, and automobile. Particularly, research on thermoplastic polymer composites which can be easily processed and recycled compared to a thermosetting polymer composite material is being studied. Thermoplastic polymer composites can be thermoformed and molded through heating, pressing, and cooling processes. Most thermoplastic polymer composites have a semi-crystalline molecular structure, and the mechanical properties after molding depend on the degree of crystallization depending on the cooling temperature. Conventional thermosetting composites have the advantage of obtaining high mechanical properties by using an autoclave, but they are disadvantaged in that they require high production cost and long molding time. On the other hand, in the case of the thermoplastic composite material, since the out-of-autoclave process using the press equipment can be performed without the autoclave process, including the thermoforming process, the process cost and the production time efficiency can be increased It has advantages. In this study, the parameters of the press forming process were derived by using Polyphenylene Sulfide (PPS) applicable to the secondary structure or simple parts of the aircraft and physical properties were evaluated by preparing specimen according to the cooling rate. Generally, the process using Hot-Press performs molding of a thermoplastic composite material through heating, press-molding, and cooling processes. In this paper, Infrared is used to heat up to the processing temperature of thermoplastic composites, and then the molding process is performed by applying pressure. The mold temperature is changed to evaluate the properties according to the cooling rate, Respectively. In addition, the same specimen was fabricated by the vacuum forming process using the oven and compared with the specimen produced by the hot-press molding process. The crystallization degree according to the cooling rate was measured by differential scanning calorimetry (DSC) and the higher the cooling rate, the higher the tendency to be measured. In addition, the mechanical properties such as tensile and compression were also measured to be higher as the crystallinity was higher. Surface and fracture surfaces were observed with a Scanning Electron Microscope (SEM) to analyze the surface state and fracture behavior of the material according to the degree of crystallization. Through this study, we investigated the crystallization and mechanical properties of hot - press molding using thermoplastic composite according to the cooling rate. Based on the results of this study, it is expected that it can be utilized in the actual part molding using thermoplastic composite materials such as PPS and PEKK (Poly Ether Ketone Ketone).1. 서론 1 2. 재료 및 실험방법 5 2.1. 재료와 이론적 배경 5 2.1.1. 탄소섬유 5 2.1.2. PolyPhenylene Sulfide 6 2.1.3. 결정화도 8 2.2. 실험 과정 9 2.2.1. Hot-Press Forming 9 2.2.2. Vacuum Bag-Only forming 18 2.2.3. Differential Scanning Calorimetry 21 2.2.4. 기계적 물성 시험 23 2.2.5. Scanning Electron Microscope 26 3. 실험 결과 27 3.1. 핫프레스 성형 온도 사이클 27 3.2. 결정화도 29 3.3. 기계적 물성시험 결과 32 3.3.1. 0°인장시험 및 압축시험 결과 34 3.3.2. 90°인장시험 결과 34 3.3.3. short beam 시험 결과 35 3.3.4. 파단면 분석 36 4. 결론 41 감사의 글 43 참고문헌 46Maste

전기화학의 다면적 잠재력에 대한 탐구: 푸리에 변환 전기화학 임피던스 분광법과 이온트로닉스

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 자연과학대학 화학부, 2021. 2. 정택동.전기화학은 기본적으로 용액 내의 화학종과 전극 간의 전하 전달과 그로 인해 발생하는 일련의 화학적 변화를 다루는 학문이다. 뿐만 아니라 물리적, 전기적, 혹은 구조적인 변화이더라도 관심 대상의 시스템에 어떠한 방식으로든 전기화학적인 영향을 주는 현상들이라면 전기화학의 탐구 대상이 될 수 있다. 이러한 이유로 전기화학은 센서, 배터리, 연료 전지, 부식, 도금 등의 분야 뿐 아니라 외견상으로 그다지 화학적이지 않은 현상들까지도 폭넓게 연관 지어질 수 있다. 본 논문에서는 상당히 이질적인 두 가지의 연구에 대해 보고함으로써 상기 언급된 범용성과 다양성을 지닌 전기화학이라는 학문의 잠재력을 조금이나마 논해보고자 한다. 먼저, Part 1에서는 푸리에 변환 전기화학 임피던스 분광법을 실시간 및 in situ 분석법으로 활용한 사례에 대해 보고한다. Part 2는 전하를 띤 하이드로젤 기반으로 작동하는 이온트로닉스 시스템 및 소자의 비약적인 발전과 그를 통한 차세대 생체 모방 정보 처리 소자로서의 가능성에 대해 서술한다. Part 1: 푸리에 변환 임피던스법의 전기화학적 분석법으로의 활용 전기화학 시스템의 실시간, in situ 분석을 위한 새로운 접근법으로서, 우리는 스텝-전위를 사용하는 푸리에 변환 전기화학 임피던스 분광법 (이하 FT-EIS)을 활용하였다. 본 연구에서는 염화제이철-염산 기반의 식각액에 의한 인듐-주석 산화물 박막의 화학적 식각 과정을 분석 대상으로 채택하였으며, 이 과정은 실제로 수많은 리소그래피 공정에서 널리 사용되기도 한다. 전하 전달 저항과 축전 성분과 같은 등가 회로 파라미터들을 FT-EIS 분석을 통해 성공적으로 추적함으로써, 식각 과정 중의 일시적인 활성화 현상 및 식각 과정의 종료 등을 모니터링 하였다. FT-EIS 측정 데이터들은 추가적으로 헥사시아노철(II 및 III)산칼륨을 이용한 전기화학 분석, FESEM 이미징, 에너지 분산형 X선 분광법, X선 회절 분석법 등을 통해 뒷받침되었다. 추가적으로 위 기법을 통해 보다 섬세한 구조의 교차형 마이크로패턴을 보다 고품질, 그리고 재현적으로 얻어내는데 활용하였다. FT-EIS는 매순간 전극의 전기화학적인 순간 이미지들을 포착할 수 있다는 기법이라는 점에 그 의의가 있다. 따라서 본 연구는 비단 전극의 식각 과정 뿐 아니라 지속적이고 급격하거나 예측되지 않는 변화를 보이는 수많은 현상들에 모두 유용하게 쓰일 수 있는 FT-EIS의 가능성을 제고시키는 중요한 사례로 볼 수 있을 것이다. Part 2: 생체모방형 이온 기반 정보 처리를 위한 새로운 이온트로닉스 플랫폼의 개발 Ion (이온)과 Electronics (전자 공학)으로부터 새로이 만들어진 Iontronics (이하 이온트로닉스)는 수용액 기반 이온 회로를 통해 생체 시스템과 같이 이온 기반으로 이루어지는 정보 처리 방식을 궁극적으로 지향한다. 하지만, 이온 다이오드, 축전기, 트랜지스터 및 논리 회로를 포함하는 현재까지의 이오닉(이온트로닉) 소자들은 실제 생체 시스템과 여러 차이가 존재했으며, 소자 제작에 쓰이는 재료 측면에서도 그 한계점이 존재하였다. 본 논문에서, 우리는 위 한계점을 효과적으로 극복한 두 가지의 기술적 진보에 대해 다룬다. 첫째로는, 역전기투석 소자를 전원으로 사용하여 최초로 어떠한 금속 전극, 외부 배터리 등을 사용하지 않고 이온 회로를 구동하였다. 이는 실제 생체 시스템은 물과 이온만으로도 스스로 에너지를 생산하며, 그를 이용해 전기 신호를 처리한다는 사실에 착안한 것이다. 우리는 역전기투석 소자를 활용하여 성공적으로 이온 다이오드를 구동하였고, 회로와 전원을 연결하는 전해질 튜브를 조작하여 스위치 혹은 가변 저항으로 활용할 수 있음을 보였다. 더 나아가, OR 논리 회로를 완전히 이온과 전해질로만 구동함으로써 보다 정교한 이온트로닉 소자로서의 가능성을 확인했다. 더 나아가, 저항이나 다이오드와 같은 수동형 이오닉 소자 뿐 아니라 그 자체로 에너지를 지닌 능동형 이오닉 소자의 구현 및 차후 생체 모방형 정보 처리 소자로서의 발전 가능성을 확인하였다. 두 번째로, 본 논문에서는 하이드로젤 기반의 이오닉 소자를 Polydimethylsiloxane (이하 PDMS)로 이루어진 마이크로칩 기판에 구성하는 방법을 최초로 보고한다. 장시간의 자외선/오존 산화법, 화학적 실란화를 통한 PDMS 기판 표면 처리법, 그리고 싸이올-에폭시 반응을 통한 새로운 PDMS 기판 간의 본딩법을 사용하여 성공적으로 하이드로젤과 PDMS 기판 간의 안정적인 결합을 얻어낼 수 있었다. 이렇게 제작된 하이드로젤은 마이크로칩 내에 수용액과 함께 존재할 때에도 부풀거나 탈착되지 않고 장시간 안정적으로 유지되어 이오닉 소자로 작동할 수 있음을 확인하였다. PDMS 마이크로칩 기판에 형성한 이온 다이오드는 훌륭한 정류 성능을 보였으며, 소자 신축성과 함께 장기간의 보관 가능성까지도 확인하였다. 다음으로, 우리는 PDMS 마이크로칩 상에 스위치를 구현하고, 이를 기반으로 이온 레귤레이터 회로를 구성하였다. 이 소자를 통하여 우리는 최초로 실제 생체 내의 흥분성 및 억제성 시냅스에서 나타나는 신호 전달 양상을 이온트로닉 플랫폼에 모방할 수 있었다. 본 연구를 통해 우리는 투명성, 신축성, 생체적합성 등을 위시한 여러 PDMS의 유용한 재료적 성질과 마이크로칩 상에 구현된 이온트로닉 소자를 성공적으로 융합하였으며, 생물학적 시스템과 연계되는 여러 관련 분야들에 있어 수많은 가능성과 영감을 만들어낼 수 있는 새로운 기회를 제시하였다.As one of the branch of chemistry, electrochemistry not only deals with the chemical change caused by the charge transfer between electrode and electroactive reactants in the solution, but also any other form of changes (e.g. physical, electrical, structural) that affect the system of interest in electrochemical manner. This is why electrochemistry encompasses a huge variety of phenomena such as electroanalytical sensors, batteries, fuel cells, corrosion, electroplating, and even many others that may not look like very chemical. Discovering the extensiveness of applications and potentials related to electrochemistry, this dissertation reports two very different researches, both of which belong to electrochemistry although the second one might be seemingly distant from the very field. In Part 1, we present the utilization of Fourier transform electrochemical impedance spectroscopy (FT-EIS) for in situ, real-time analysis of the system during the chemical process. In Part 2, we report on a noticeable development of iontronic devices based on charged hydrogels toward the futuristic, biomimetic ion-based information processing platform. Part 1: Implementation of Fourier Transform Electrochemical Impedance Spectroscopy (FT-EIS) for Real-time Analysis As a novel approach to the in situ real-time investigation of electrochemical systems, we implemented the step-excitation Fourier transform electrochemical impedance spectroscopy (FT-EIS). For demonstration, we chose the ITO film electrode being chemically etched under FeCl3-HCl-based etchant, which is one of the most frequently used etchants in lithographic processes. The equivalent circuit parameters (e.g. Rct, Cdl) continuously obtained by the FT-EIS measurements during the entire etching process showed an electrode activation at the initial period as well as the completion of etching. The FT-EIS results were further validated by cyclic voltammograms and impedance measurements of partially etched ITO films using ferri- and ferrocyanide solution in combination with FESEM imaging, EDS, XRD analyses, and COMSOL simulation. We also demonstrated that this technique can be further utilized to obtain intact interdigitated array (IDA) electrodes in a reproducible manner, which is generally considered to be quite tricky due to delicacy of the pattern. Given that the FT-EIS allows for instantaneous snapshots of the electrode at every moment, this work may hold promise for in situ real-time examination of structural, electrokinetic, or mass transfer-related information of electrochemical systems undergoing constantly changing, transient processes not to mention etching, which would be impossible with conventional electroanalytical techniques. Part 2: Development of New Iontronic Platform for Biomimetic Ion-based Information Processing Iontronics, which was coined from ion and electronics, ultimately aims at actualizing ion-based information processing system just like the biological system by employing aqueous ionic circuits with components that control the flow of ions. Nevertheless, conventional iontronic devices including ionic diodes, capacitors, transistors and logic circuits have had discrepancies from biological units or have lacked versatilities in terms of substrate material. Herein, we report two major steps forward in iontronic devices conforming to its essential goals. First, we fabricated ionic circuits powered by reverse electrodialysis (RED) for the first time without employing any electronic components just as neurons, which participate in signal transmission with its own power generated by itself. The RED-driven polyelectrolyte diode successfully shows rectification behavior which is verified by monitoring dynamic ion distribution through fluorescence in real-time. We can also turn on and off the voltage applied to the circuit, and apply an arbitrary voltage by precisely manipulating the pressure imposed to an elastic connection tube filled with electrolyte. Furthermore, this new concept containing ionic power source advances to a more sophisticated ionic OR logic gate. The proposed system paves the way to develop not only passive iontronic devices (e.g. resistor, diode), but active ones requiring a source of energy, particularly such as a neuron-like information processor powered by fully ionic systems, and thereby aqueous computers. Secondly, we report a new method for fabricating the hydrogel-based ionic circuit on polydimethylsiloxane (PDMS) microchip. We employed a long duration of UV/ozone oxidation, proper surface functionalizations of PDMS substrate together with a novel PDMS-PDMS bonding technique using thiol-epoxy click reaction in order to photopolymerize the hydrogel that can be robustly attached to the PDMS microchannel surface for the eventual operation in electrolyte as an ionic circuit. The ionic diode constructed on PDMS microchip showed a fine rectification ratio even under tensile stress as well as a stability for long-term storage. We also materialized an ionic regulator on PDMS microchip based on mechanical switch, which allowed us to embody an iontronic signal transmission mimicking excitatory and inhibitory synapses. As a biocompatible iontronic platform, the hydrogel-based iontronics on PDMS microchip not only diversifies many related fields requiring aqueous, ionic, elastic and stretchable system, but also renders new opportunities for bioinspired applications.Abstract i Table of contents v List of Schemes viii List of Figures x List of Tables xxiv Part 1. Implementation of Fourier Transform Electrochemical Impedance Spectroscopy (FT-EIS) for Real-time Analysis 1 1.1 Introduction 1 1.2. Experimental Section 5 1.2.1. Materials 5 1.2.2. Fabrication of PR-coated ITO micropatterns 5 1.2.3. FT-EIS measurements and fitting of the impedance data 6 1.2.4. Electrochemical measurements 7 1.2.5. COMSOL simulation 7 1.2.6. Investigation of near-surface characteristics of etched ITO samples 8 1.3. Results and Discussion 9 1.3.1. FT-EIS measurement of the ITO sample being etched 9 1.3.2. The initial period of etching 16 1.3.3. Monitoring termination of etching process via FT-EIS analysis 22 1.3.4. Validation of FT-EIS results using conventional electroanalytical techniques 30 1.3.5. Electrochemical monitoring of ITO etching process using conventional electroanalytical techniques 34 1.4. Conclusion 42 1.5. References 45 Part 2. Development of New Iontronic Platform for Biomimetic Ion-based Information Processing 49 2.1 Introduction 49 2.2. Experimental Section 53 2.2.1. Materials 53 2.2.2. Preparation of RED stack 53 2.2.3. Microchip fabrication 54 2.2.4. Fabrication of polyelectrolyte ionic diode on microchip 55 2.2.5. Connection of RED to the ionic circuit 56 2.2.6. Voltage and current measurements in RED-powered ionic circuit 56 2.2.7. Optical measurement 58 2.2.8. PDMS microchip fabrication 58 2.2.9. Photopolymerization of hydrogels on PDMS microchip 60 2.2.10. Hydrogel stability test on two-dimensional surface under electrolyte solution 60 2.2.11. Tensile test of PDMS microfluidic ionic diode (PMID) 61 2.2.12. Electrical characterization of PDMS microfluidic ionic circuits 61 2.3. Results and Discussion 63 2.3.1. Electrical characterization of RED 63 2.3.2. Ionic diode powered by RED 63 2.3.3. Voltage switching and regulation upon ionic circuit 68 2.3.4. Ionic OR gate driven by RED 72 2.3.5. Preparation of PDMS microchip for subsequent hydrogel formation 74 2.3.6. Validation of robustness of hydrogel-PDMS interface in aqueous environment 81 2.3.7. Flexible and stretchable ionic diode on PDMS microchip 90 2.3.8. PDMS microfluidic ionic regulator (PMIR) based on mechanical switch 96 2.4. Conclusion 103 2.5. References 106 국문초록 110Docto

신경병증 백서 모델에서 반복된 냉자극이 기계적 이질통의 역치에 미치는 영향

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :의학과 마취과학전공,2002.Maste

동시에 다중 밴드 주파수와 진폭을 조절하기 위한 스핀전자의 무선 통신 시스템

A spintronic wireless communication system for simultaneously modulating multiband frequencies and amplitudes includes a plurality of spin-torque transfer devices which have different frequency characteristics from each other, and OOK modulate or multi-level ASK modulate input data to thereby output a multiband OOK modulation signal or a multiband, multi-level ASK modulation signal; a plurality of matching networks which match individual impedances of the plurality of spin-torque transfer devices; and a broadband antenna which receives the multiband OOK modulation signal or the multiband, multi-level ASK modulation signal from ends of the plurality of matching networks and simultaneously transmits the signals to the outside

Spintronics wireless communication system for modulating multi-band frequency and amplitude

본 발명은 서로 다른 주파수 특성을 갖고, 입력 데이터를 OOK 변조 또는 멀티레벨 ASK 변조하여 다중대역의 OOK 변조신호 또는 다중대역의 멀티레벨 ASK 변조신호를 출력하는 복수의 스핀토크전달소자, 상기 복수의 스핀토크전달소자의 개별 임피던스를 정합하는 복수의 정합 네트워크 및 상기 복수의 정합 네트워크의 일단부로부터 상기 다중대역의 OOK 변조신호 또는 상기 다중대역의 멀티레벨 ASK 변조신호를 전송받아 동시에 외부로 송신하는 광대역 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 주파수와 진폭을 동시에 변조하는 스핀트로닉스 무선통신 시스템에 관한 것이다