연구 논문

음향 부양을 이용한 In Situ 특성 분석을 통한 무용기 경화의 효과: 미세중력 환경 내 나노복합재 제조 고도화를 위하여

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DOI:

10.3791/72399

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2026년 9월 22일

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1Aerospace Engineering, Embry-Riddle Aeronautical University, 2X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory

이 논문에서

요약

본 연구에서는 in situ 광루미네선스 분광법과 방사광 X선 회절을 음향 부양 기술과 결합하여, 알루미나 충전 광경화성 폴리머 나노복합재에서 구조적 및 화학적 변화를 반영하는 경화 유도 피크 이동을 모니터링합니다. 여기서 제시하는 접촉 상태와 무용기 상태 간의 자외선 경화 중 피크 이동 진화 과정은 미세 중력 관련 재료 공정에 유용한 방법을 보여줍니다.

초록

음향 부양은 용기 없는 환경에서 나노입자가 충전된 광경화성 폴리머의 경화 거동을 조사하기 위한 미세중력 관련 플랫폼을 제공합니다. 이는 특히 우주 탐사를 지원하기 위한 우주 내 제조 방법의 설계와 밀접한 관련이 있습니다. 본 연구의 목적은 나노입자 충전 광경화성 폴리머의 자외선(UV) 경화 과정 동안, 미세중력과 관련이 있는 경화 경계 조건, 구체적으로 용기 구속의 유무에 따른 잔류 응력 발생의 차이를 감지하고 경화로 인한 구조적 변화를 포착할 수 있는 결합된 in situ 모니터링 접근 방식을 입증하는 것입니다. 본 연구에서는 나노복합체 비드의 형태와 안정성을 모니터링하는 동시에 나노입자 광경화성 폴리머의 UV 경화 중 구조적 및 화학적 변화를 포착하기 위해, 음향 부양 시스템을 한 설정에서는 광섬유 기반 in situ 분광 시스템과, 다른 설정에서는 방사광 X선 회절 시스템과 통합하였습니다. 이러한 기술을 통해 용기 없는 환경과 표면 접촉 환경에서의 경화 과정 중 잔류 응력 발생을 반영하는 경화 유도 피크 이동에 대한 정량적 측정치를 높은 시간 분해능으로 얻었습니다. 결과에 따르면, 액체 나노입자-폴리머 혼합물부터 최종 경화 생성물에 이르기까지 경화 과정 전반에 걸쳐 접촉 조건이 용기 없는 조건보다 더 높은 잔류 응력을 유발하는 것으로 나타났습니다. 이러한 차이는 지상 공정 중 응력 발생과 관련하여 벽면 구속이 경화에 미치는 영향을 강조합니다. 접촉 경화와 용기 없는 경화를 비교함으로써, 이 지상 기반 특성 분석 접근 방식은 미세중력 관련 경화 거동을 연구하기 위한 접근 가능한 방법을 제공하며, 폴리머 나노복합체의 신뢰성 있는 우주 내 제조를 위한 공정 전략 개발을 지원합니다. 이러한 재료 시스템 외에도, 이 통합된 접근 방식은 미세중력 관련 제조를 위한 다른 재료에도 적용될 수 있습니다.

서론

장기 우주 임무와 달 기지는 우주 탐사의 차세대 개척지입니다1,2,3. 이러한 임무에서는 우주비행사를 위해 안전하고 거주 가능한 생활 환경을 갖춘 지속 가능하고 신뢰할 수 있는 기지를 구축하는 것을 우선시해야 합니다. 행성 과학, 생명 과학, 물리 과학 등의 분야에서 기초 지식을 발전시킬 미래 탐사를 촉진하기 위해 인프라 구축이 필요합니다4. 하지만 우주 공간에 기능적이고 내구성이 있는 재료 시스템을 구축하려면 제조에 필요한 재료와 공정을 제공할 자원이 필요합니다. 행성 탐사 현장에서 제조할 수 있는 능력을 갖춘다면 탑재 중량을 크게 줄일 수 있으며, 이를 위해서는 우주 환경이 제조된 재료의 특성에 미치는 영향에 대해 더 깊은 이해가 필요합니다.

우주 공간 내 제조 및 지상 환경에서는 달성할 수 없는 특성을 가진 재료와 제품을 만들기 위해 우주의 독특한 환경을 활용한다는 개념은 50여 년 전에 도입되었습니다5. 우주 내 제조는 탐사 목표를 유지하기 위한 비용 및 중량 효율적인 접근 방식을 지원하는 동시에, 기능성 강화 재료의 공정 연구를 위한 환경에 대한 접근성을 제공합니다. 특히 폴리머 나노복합재는 극한의 우주 환경에서도 내구성이 뛰어나 관심 대상이 되고 있습니다. 지상 조건에서 제조되었을 때 강력한 기계적, 열적, 전기적 및 광학적 특성을 나타내는 이 재료들은 우주 응용 분야의 기능성 재료로서 매우 훌륭한 후보입니다6. 붕소 또는 리튬 나노입자가 포함된 나노복합재 폴리머는 방사선 및 환경 차폐 능력을 갖추고 있습니다7. 나노복합재 폴리머 커패시터는 우주 전력을 위한 고밀도 에너지 저장 장치나 우주선의 열 보호를 위한 상변화 특성을 제공합니다8,9. 나노복합재 혼합물 내의 이러한 나노입자 첨가제는 경화 과정 동안 내부 응력 반응과 미세구조 진화를 변화시킬 수 있습니다10. 그러나 이러한 응력 진화를 in situ로 포착하려면 광학적 또는 스펙트럼 특성이 잘 확립된 입자 시스템이 필요합니다. 따라서 알루미나는 광학 및 회절 기반 기술을 이용한 응력 감지 능력이 잘 검증되어 있어 모델 입자 시스템으로 선택되었습니다. 특히, 알루미나는 광루미네선스 분광법(PL)과 방사광 X선 회절법(XRD)을 통해 분석할 수 있으며, 본 연구에서는 광중합 나노복합재에서 경화로 인해 유도된 응력을 반영하는 스펙트럼 변화를 평가하기 위해 두 가지 방법을 모두 사용하였습니다.

피조분광법(Piezospectroscopy)은 크롬이 도핑된 α-알루미나와 같은 물질의 응력 의존적 광루미네선스 반응을 기반으로 합니다. 알루미나가 레이저에 의해 들뜨게 되면, 알루미나 결정 구조 내의 크롬 이온 Cr3+이 특성 루미네선스 피크를 방출합니다. R-라인으로 알려진 이 피크들은 일반적으로 R1 및 R2라고 불리는, 서로 가깝게 위치한 두 개의 날카로운 피크로 나타납니다 (그림 1D).

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그림 1. 접촉 및 무용기 경화에 대한 PL 설정 및 측정 원리. (A) UV 경화 및 PL 수집 중 몰드에 레진을 배치한 접촉 조건. (B) UV 경화 및 PL 수집 중 음향 부양장 내에 레진 비드를 부유시킨 무용기 조건. (C) 광중합이 알루미나 입자 주변의 레진을 응고시키고 국부적인 압축 응력을 생성함. (D) 전달된 압축 응력이 초기 응력 제거 상태의 위치와 비교하여 알루미나 광루미네선스 피크를 이동시킴. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

Cr3+ 이온은 α-알루미나의 삼각 결정 구조 내에서 알루미늄 이온을 대체하며, 이로 인해 발광 응답이 국부적 응력 상태의 변화에 민감하게 반응하게 됩니다11. 인가된 응력 또는 잔류 응력 하에서, R-선 피크 위치는 응력이 없는 상태의 위치에 비해 이동합니다. 이러한 응력 의존적 이동은 피에조분광 효과(piezospectroscopic effect)로 알려져 있으며, 이는 측정된 피크 이동을 알루미나 입자 주변의 국부적 응력과 연관시킬 수 있는 직접적인 방법을 제공합니다.

싱크로트론 X선 회절은 알루미나 함유 재료의 잔류 변형률과 응력을 평가하기 위한 보완적인 방법을 제공합니다. XRD는 알루미나 세라믹의 잔류 응력을 연구하는 데 널리 사용되어 왔으며12,13,14 결정성 재료의 격자 간격 변화를 비파괴적으로 측정할 수 있게 해줍니다15. 본 연구에서는 경화 과정 중 격자 간격의 변화를 추적하기 위해 알루미나 입자의 회절 응답을 이용하였습니다. 이러한 격자 간격의 변화는 변형률과 연관될 수 있으며, 적절한 탄성 상수를 통해 응력과도 연관시킬 수 있습니다.

알루미나를 모델 시스템으로 설정함에 따라, 두 가지의 독립적인 분석 기술을 결합하여 선택한 이유에 대한 설명이 필요합니다. PL과 XRD 모두 알루미나가 포함된 시스템에서 독립적인 응력 및 변형 정보를 제공하지만, 본 연구에서 두 기술을 결합함으로써 단일 기술만으로는 달성할 수 없는 이점을 얻을 수 있습니다. PL은 높은 시간 분해능으로 입자 수준에서 알루미나의 광발광 응답을 모니터링할 수 있어, UV 경화 초기 단계의 급격한 응력 변화를 추적하는 데 적합합니다. XRD는 알루미나 격자 간격의 변화를 통해 동일한 기저 응력 상태를 독립적으로 탐색함으로써 PL 결과에 대한 결정학적 검증을 제공합니다. 두 측정 모두 동일한 재료 시스템과 동일한 접촉 및 무용기 경화 조건 하에서 수행되었으므로, 두 데이터 세트 간의 일치는 잔류 응력의 지표로서 관찰된 피크 이동 경향에 대한 신뢰도를 더욱 높여줍니다. 이 두 기술의 결합은 알루미나가 충전된 광중합 나노복합재의 경화로 인한 응력 발달에 대해, 개별 방법보다 더 완전하고 신뢰할 수 있는 양상을 제공합니다.

또한, 실용적인 관점에서 싱크로트론 XRD는 우주 환경에서 가용한 대규모 시설 인프라가 필요하므로, 실제 우주 제조 공정 중의 in situ 모니터링에는 적합하지 않습니다. 반면에 PL은 소형이며 휴대 및 현장 적용이 가능한 기술로, 향후 장기간의 우주 임무에 현실적으로 사용될 수 있습니다. 본 연구는 지상 기반 연구에서 PL 측정값을 싱크로트론 XRD 결과와 비교하여 검증하며, 이를 통해 우주선이나 행성 전초 기지 내의 제조 공정과 같이 XRD를 사용할 수 없는 상황에서 primary 특성 분석 방법이 될 수 있는 독립적인 응력 모니터링 도구로서의 PL의 신뢰성을 확립합니다.

이러한 기술들은 경화 과정 중의 응력 진화를 감지하는 수단을 제공하지만, 미세중력 조건에서 제조된 나노복합재의 특성과 성능 변화는 아직 충분히 규명되지 않았습니다. 우주 환경이 고분자 나노복합재의 경화에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것은 매우 중요한데, 이는 지구의 상온 조건에서 경화된 나노복합재와 비교했을 때 특성이나 성능 변화에 직접적인 영향을 주기 때문입니다. 이를 조사함으로써 우주 내 제조를 통한 구조 및 기능성 재료 설계에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다16,17,18,19,20,21.

우주 공간 제조와 지상 제조는 환경 조건이 서로 다르다는 점이 분명합니다. 이에 따라 우주에서 제조된 재료의 특성과 성능을 설계하고 검증하는 데 필요한 우주 조건을 모의 실험하기 위해, 독특하고 신뢰할 수 있으며 접근 가능한 특수 지상 설비를 구축할 필요가 있습니다. 우주 환경을 모의하는 데 필요한 조건으로는 열 사이클, 진공, 방사선 및 미세중력이 있습니다. 이러한 조건들은 경화 역학, 미세구조 진화뿐만 아니라 나노입자의 결합 및 분산에 영향을 미칩니다. 이러한 영향을 이해하면 우주 임무의 안전성과 수명을 향상시키는 신뢰할 수 있는 우주 제조 기술의 발전과 개발이 가능해지며, 새로운 재료 기능을 구현하기 위한 적절한 공정 조건을 제공할 수 있을 것입니다.

음향 부양은 용기 없는 환경을 구현하여 미세중력 상태의 공정을 모사하는 데 사용되는 실용적인 지상 기반 테스트 방법입니다. 이는 미세중력과 동일한 것은 아닙니다. 부양된 물체는 실제로 중력이 감소된 환경에 존재하는 것이 아니라, 중력에 대항하는 비균일 음향 방사력에 의해 지지되는 것입니다. 그러나 이 방법은 본 연구에서 관심을 갖는 특정 조건인 몰드나 용기 벽에 의해 부과되는 기계적 제약을 제거합니다. 이 기술은 재료 과학, 화학, 생물학, 생명공학 및 기타 과학 분야에서 흔히 사용됩니다16,22,23,24,25,26,27. 음향 부양은 음파에 의해 생성된 음향 방사압을 발생시켜 물체가 공중에 부유할 수 있게 하며23, 용기로 인한 기계적 제약 없이 경화 역학을 조사할 수 있는 용기 없는 환경을 제공합니다. 분광법과 방사광 X선 회절 모두에서 제공되는 높은 시간 분해능은 광중합 경화 공정과 관련된 상대적으로 짧은 시간 범위를 연구하는 데 이상적인 기술이 됩니다. 본 연구는 미세중력 환경에 내재된 조건인 용기의 부재가 경화 중인 나노복합재의 잔류 응력 상태를 어떻게 변화시키는지라는 우주 제조의 근본적인 재료 공정 과제를 다루고 있으므로, 특히 미세중력 연구와 밀접한 관련이 있습니다. 여기서 연구된 용기 없는 조건은 미세중력 공정에 대한 지상 기반 아날로그 역할을 하며, 접촉 경화와 용기 없는 경화 사이에서 응력 발달을 반영하는 스펙트럼 변화를 정량적으로 비교함으로써 동일한 나노복합재 시스템을 우주에서 제조할 때와 지구에서 제조할 때 재료 특성이 어떻게 달라질 수 있는지에 대한 직접적인 통찰을 제공합니다. 본 논문에서는 알루미나 나노입자와 광중합체로 구성된 폴리머 나노입자 시스템의 경화에 있어 용기 없는 공정의 영향을 밝히기 위해 음향 부양을 강력한 in situ 분광법 및 X선 회절 특성 분석과 통합한 방법을 상세히 설명합니다.

음향 부양은 이전에 빔라인 기술과 결합되어 왔으며, 여기에는 부양된 액적 내의 결정화를 추적하기 위한 에너지 분산 X선 회절28, 농축 단백질 용액의 싱크로트론 SAXS29, 그리고 상온 거대분자 X선 결정학을 위한 시료 전달 플랫폼30,31 등이 포함됩니다. 그러나 이러한 연구들은 중합 과정 중 경화로 인해 유도되는 격자 변형의 시분해 진화보다는 결정화, 구조적 특성 분석 또는 시료 전달에 집중해 왔습니다. 저자들이 알고 있는 바로는, 본 연구는 음향 부양을 시분해 in situ 싱크로트론 XRD와 결합하여 활성 광중합 반응 동안의 격자 변형 진화를 추적하고, 이와 직접 비교 가능한 접촉 조건을 통해 용기 벽의 구속이 경화 유도 잔류 응력에 미치는 영향을 분리하여 분석한 첫 번째 사례입니다.

경화 과정 중 부피 수축을 제한하는 용기 벽 구속의 기계적 역할에 근거하여, 이러한 구속의 존재 여부가 경화된 나노복합재 내에서 측정 가능한 수준의 서로 다른 잔류 응력 상태를 유발할 것이라는 가설을 세웠습니다. 특히, 고체 경계가 없어 시편이 더 자유롭게 수축할 수 있는 무용기 조건보다, 용기와 접촉한 조건에서 더 높고 제약된 잔류 응력이 발생할 것으로 예상됩니다.

프로토콜

재료 선택

세라믹 충전제로 α-Alumina 나노분말을 사용하였습니다. 제조사 사양에 따르면, 이 분말은 X-선 선폭 확장(X-ray line broadening)으로 측정된 약 40 nm의 결정립 크기, BET 비표면적 및 SEM으로 측정된 150 nm의 평균 입자 크기(APS), 그리고 약 10 m2/g의 BET 다점 비표면적을 가집니다. 충전된 광경화성 폴리머 및 에폭시 시스템 내 입자 분산에 관한 이전 연구32에 따르면, 매우 낮은 알루미나 함량(예: 5 vol%)에서는 광루미네선스 반응이 약하고 입자 분산이 불량하여 광-기계적 응력 감지에 부적합한 것으로 나타났으며, 높은 함량(예: 20 vol%)에서는 신호 강도는 높아지나 점도가 상당히 증가하여 혼합물을 주입하고 균일하게 혼합하기가 어려웠습니다. 따라서 제조 가능성, 감지 성능 및 분산 품질 사이의 절충안으로 15 vol%의 알루미나 농도를 선택하였습니다.

실험 설정

휴대용 피에조 분광 시스템(PPS) 설정

PL 실험에는 InPhotonics Inc. RPB Raman 프로브, 다이크로익 미러와 맞춤형 f/3 대물렌즈가 장착된 소형 양방향 광섬유 프로브로 구성된 기존의 휴대용 피조분광법(PPS) 시스템이 사용되었습니다33,34. 전체 PPS 시스템은 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소 모두를 포함합니다. 하드웨어는 분광계, 전하결합소자(CCD), 레이저, 광섬유 및 컴퓨터로 구성됩니다33,34. 소프트웨어로는 MATLAB과 LightField라는 두 가지 주요 프로그램이 사용됩니다. MATLAB 기반 프로그램은 주로 데이터 후처리에 사용되며, LightField는 CCD에서 데이터를 수집하는 데 사용됩니다. 그림 1은 두 가지 경화 조건에 대한 전체 실험 설정과 기본 측정 원리를 보여주며, 접촉식(몰드) 및 비접촉식(음향 부양) 구성(그림 1A 및 그림 1B), 수지 응고 시 알루미나 입자에 발생하는 압축 응력(그림 1C), 그리고 해당 응력의 지표로 사용되는 광루미네선스 피크 이동(그림 1D>)을 설명합니다. 비접촉식 설정에서는 두 구성 간의 기하학적 구조를 일관되게 유지하기 위해 몰드 고정 장치를 음향 부양 필드의 중심과 동일한 위치에 배치했습니다. UV LED 장치(파장 405 nm, 정격 출력 10 W, IP66 등급 하우징)를 시편에서 6 cm 거리에 배치하였으며, 경화 중에 광루미네선스 신호를 지속적으로 수집하기 위해 광섬유 프로브를 시편으로 향하게 했습니다. UV LED는 광섬유 프로브에 직접 조명되는 것을 피하도록 배치하여 광섬유 손상을 방지했습니다. UV 경화 중에 시간에 따른 알루미나 광루미네선스 피크를 수집하였으며, 그림 1D에 표시된 것처럼 피크 이동을 모니터링했습니다. 광중합 과정에서 수지는 내포된 알루미나 입자 주변에서 응고되며 중합 수축을 일으키고, 이로 인해 알루미나 입자로 전달되는 국부적인 압축 응력이 발생하여(그림 1C) 광루미네선스 피크가 초기 무응력 위치에서 이동하게 됩니다. 이후 LightField에서 피크 위치를 추출하였으며, 각 피크 위치를 UV 노출 전의 초기 피크 위치와 비교하여 MATLAB에서 피크 이동을 계산했습니다.

싱크로트론 X선 회절 설정

방사광 X-선 회절(XRD) 측정은 미국 Argonne 국립 연구소의 Advanced Photon Source 내 6-ID-D 빔라인에서 경화 과정 중에 in situ로 수행되었습니다. 그림 2는 접촉 및 비접촉 조건 모두에 대한 방사광 XRD 설정을 보여주며, 경화로 인해 유도된 응력이 알루미나 격자 간격을 변화시켜 검출 가능한 피크 이동을 일으키는 측정 원리를 함께 나타냅니다(그림 2A–C).

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그림 2. 접촉 및 무용기 경화를 위한 방사광 X선 회절 설정 및 측정 원리. (A) UV 경화 및 XRD 수집 동안 수지를 몰드에 배치한 접촉 조건. (B) UV 경화 및 XRD 수집 동안 수지 비드를 음향 부양장에 띄운 무용기 조건. (C) 경화로 유도된 응력이 alumina 격자 간격을 변화시켜 XRD 피크 이동을 일으키며, 이를 통해 응고 중 변형률을 계산한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

시편은 그림 2A,B에 나타낸 바와 같이 시편의 거의 중앙에 위치하도록 약 0.5 × 0.5 mm 크기의 90.5 keV 광자(파장 λ = 0.137 ˚A에 해당) 평행 빔으로 조사되었습니다. 분석 대상인 알루미나 피크를 포착하기 위해 시편-검출기 거리는 약 1.5 m로 설정하였습니다. 고리 모양의 회절 패턴은 최대 15 fps의 고속 실시간 이미징이 가능한 Varex XRD 4343RF 평판 검출기(2880 × 2880 픽셀 매트릭스, 150 µm 픽셀 피치)로 기록되었습니다. 데이터는 실험당 총 600 s의 획득 시간 동안 수집되었습니다.

PPS 설정과 마찬가지로, 측정은 접촉 및 무용기 조건 모두에서 수행되었습니다(그림 2A,B). UV LED는 PPS 구성과 동일하게 시편에서 6 cm 떨어진 곳에 배치하였으며, 기하학적 일관성을 유지하기 위해 몰드 고정 장치와 부상 시편을 동일한 측정 위치에 배치하였습니다. 전체 장치 조립체는 리니어 스테이지에 장착하여, 필요에 따라 접촉 시편 또는 부상 비드를 빔라인에 정렬할 수 있도록 하였습니다. 이후 UV 경화 과정 동안 XRD 피크 이동을 시간에 따라 모니터링하였으며(그림 2C), 이는 경화로 인해 유발된 응력이 내포된 알루미나 입자로 전달되어 격자 간격의 측정 가능한 변화를 일으키기 때문입니다 .

시료 준비

그림 3A에 나타낸 것과 같이, 비커/혼합 용기에 액상 수지와 알루미나 분말을 15 vol% 비율로 혼합하고 유리 막대로 저어 알루미나 입자가 균일하게 분산되도록 하였다.

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그림 3. 시료 준비, 분주 및 in situ 측정 워크플로우. (A) 균질한 나노복합슬러리를 제조하기 위해 알루미나 분말과 액상 수지를 혼합합니다. (B) 준비된 슬러리를 음향 부양 장 내에 분주하여 용기 없는 비드 형태로 만들거나, 접촉 조건의 경우 실리콘 몰드에 분주합니다. (C) 잔류 응력과 구조적 진화를 반영하는 스펙트럼 변화를 비교하기 위해 용기 없는 경화 조건과 접촉 경화 조건 모두에 대해 PL 및 싱크로트론 XRD 측정을 수행합니다. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

알루미나 입자가 잘 분산된 상태를 유지하기 위해, 실험 전 과정 동안 나노 복합 슬러리 제형을 자석 교반기 위에 두었습니다. 분산이 완료된 슬러리는 그림 3A에 표시된 것과 같이 시편 공급을 위해 디스펜싱 시린지에 충진하였습니다. 각 실험 전, 준비된 슬러리를 시린지에 충진하여 음향 부양장 또는 실리콘 몰드에 디스펜싱하였습니다.

시료 분주 및 제어된 부양

음향 부양(용기 없는) 조건의 경우, 분주 전에 음향 노드 영역의 위치를 확인하였습니다. 충전된 시린지를 지면과 약 45° 각도가 되도록 유지하고(그림 3B), 음향장 내에서 안정적인 타원형 비드 형태가 형성될 때까지 슬러리를 천천히 주입하였습니다. 초기 분주 액적 부피는 약 5–7 µL였으며, 안정적인 비드를 유지하는 데 필요한 음향장 조건에 따라 적절히 조정하였습니다. 주입이 완료된 후, 부양 소프트웨어에서 진폭을 조정하여 비드를 안정화하였습니다.

측정 방식에 따라 동일 제조사의 서로 다른 단축 및 이축 음향 부양기 구성을 사용하였다. 두 구성 모두 활성화 시 자동으로 보정된 약 22,400–22,450 Hz의 공진 주파수에서 작동하였으며, 작동 주파수는 수동 설정이 아닌 장치의 자동 보정 기능에 의해 고정되었다. Argonne National Laboratory (ANL)에서의 싱크로트론 XRD 실험에는 단축 구성이 사용되었으며, 이는 하나의 반사경 위에 하나의 초음파 트랜스듀서가 배치된 구조로, 트랜스듀서와 반사경 간의 간격은 부양기 제조사의 표준 설정에 따라 고정되었다. PPS 실험에는 이축 구성이 사용되었으며, 이는 상하로 마주 보는 두 개의 초음파 트랜스듀서로 구성되었고, 트랜스듀서 간의 간격 또한 제조사의 표준 설정에 따라 고정되었다.

두 구성 모두에서, 한 세션 내의 반복 시료들에 대해 음향 노드 위치와 필드 내 시료 위치를 일관되게 유지하였습니다. 첫 번째로 분주된 시료의 위치는 정렬 레이저 가이드를 사용하여 설정하였으며, 이후의 시료들은 동일한 기준 위치에 분주하여 새로운 시료마다 빔과 프로브의 초점을 다시 설정할 필요가 없도록 하였습니다.

XRD 단축 시스템의 경우, 레비테이터에서 발생하는 음향 톤이 들릴 때까지 진폭을 높인 후, 시린지를 통해 슬러리를 노드(node)에 주입하였습니다. 그 다음, 안정적인 부상을 유지할 수 있도록 진폭을 조정하였습니다.

PPS 2축 시스템의 경우, 비드가 안정적으로 포획될 때까지 소프트웨어를 통해 상단 및 하단 트랜스듀서의 진폭을 독립적으로 조정하였으며, 이후 특정 경화 과정이 진행되는 동안에는 별도로 재조정하지 않았습니다.

두 구성 모두에서, 비드(bead)가 노드 주변에서 움직일 때 시편이 측정 빔의 초점에서 벗어나지 않는 경우를 부상 조건이 수용 가능한 것으로 간주하였습니다. XRD의 경우, 비드가 측정 위치의 ~500 µm X-ray 빔 풋프린트 내에 정렬된 상태를 유지해야 했으며(Synchrotron X-ray Diffraction Setup 참조), PPS의 경우, 실시간 수집 소프트웨어에서 명확하고 뚜렷한 알루미나 광루미네선스 피크가 계속해서 검출되는 것을 통해 비드가 광섬유 프로브의 초점 영역 내에 머물러 있음을 확인하였습니다.

접촉(실리콘 몰드) 조건의 경우, 그림 3B에 예시된 바와 같이 충전된 시린지를 사용하여 슬러리를 몰드에 직접 분주하였습니다. 몰드 공동의 크기는 3 × 3 × 2 mm이며, 슬러리는 몰드 부피(~10.5 μL)를 완전히 채우도록 분주되었습니다. 몰드 표면의 과잉 슬러리를 제거한 후, 몰드를 유리 커버로 덮었습니다. 그 후 그림 3C에 나타낸 것과 같이 무용기 및 접촉 조건 모두에 대해 PL 및 XRD 실험을 수행하였습니다. 각 실험은 비교 가능성과 재현성을 보장하기 위해 반복되었습니다.

In situ 데이터 수집

광루미네선스 분광법

시편을 음향 부양장 또는 몰드에 배치한 후 레이저 전원을 켰으며, 모든 레이저 작업 과정 동안 보호 안경을 착용하였다. LightField 소프트웨어를 사용하여 가장 강한 신호를 식별함으로써 초점을 최적화하였으며, 이는 시편상에서 가장 작고 밝은 레이저 스폿으로 시각적으로 확인하였다. UV 노출 전 알루미나 광루미네선스 피크 수집을 시작하였으며, 0.5 s마다 피크를 획득하였다. 5 s 동안 UV 전 기저선 수집을 수행한 후 UV LED를 활성화하였으며, 시편의 완전한 경화를 보장하기 위해 5 min 동안 데이터 수집을 지속하였다. 경화 후 UV LED를 껐다. 무용기 조건의 경우, 경화된 비드를 용기에 회수하였으며, 접촉 조건의 경우, 핀셋을 사용하여 실리콘 몰드에서 경화된 시편을 제거하였다. 오염 및 피부 자극을 방지하기 위해 전 과정 동안 시편과의 직접적인 접촉을 피하였다.

방사광 X선 회절

시편을 배치한 후, X선 빔을 시편의 중심에 맞추었습니다. 무용기 조건에서는 공중 부양된 비드의 중심에, 접촉 조건에서는 몰드 내부 시편의 중심에 맞추었습니다. X선 빔을 활성화하기 전에 실험 허치를 닫았습니다. X선 빔과 UV LED를 동시에 켰으며, UV 경화 과정 전반에 걸쳐 회절 데이터를 수집했습니다. 데이터 수집은 시편이 완전히 경화될 때까지 계속되었으며, 본 연구에서는 관심 있는 전체 범위를 포착하기 위해 10 min 동안 데이터를 수집했습니다. 경화 후 UV LED와 X선 빔을 껐으며, 오염과 피부 자극을 방지하기 위해 직접적인 접촉을 피하며 분광법 설정에서 설명한 방식대로 시편을 수집했습니다.

데이터 분석

광루미네선스 피크 피팅 방법

알루미나 R1 및 R2 피크가 포함된 가공되지 않은 광루미네선스 스펙트럼(그림 4A)을 전체 경화 데이터 세트에서 추출하여 후처리를 위해 MATLAB 으로 가져왔습니다.

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그림 4. PL 및 방사광 XRD 측정의 데이터 분석 워크플로우. (A) PL 스펙트럼은 배경 제거와 알루미나 R1 및 R2 피크의 pseudo-Voigt 피팅을 통해 처리되어 경화 과정 중의 피크 위치를 추출한다. (B) 방사광 XRD 회절 링은 1차원 회절 프로파일로 변환 및 통합되며, 이어서 알루미나 (116) 피크의 pseudo-Voigt 피팅을 통해 피크 위치를 추출하고 경화 유도 변형률(curing-induced strain)을 계산한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

각 스펙트럼에서 배경 잡음을 제거하고, 기울어진 기선(baseline)을 x축과 대략적으로 일치하도록 보정하였다. R1 및 R2 피크를 정확하게 피팅하기 위해 알루미나 광루미네선스 피크에 Pseudo-Voigt 피팅을 적용하였다35. 피크는 제약 비선형 최적화 알고리즘(fmincon)을 사용하여 Pseudo-Voigt 함수로 피팅하였으며, 피크(R1 및 R2)당 4개의 자유 매개변수로 면적, 중심 위치, FWHM 및 모양 인자(0 = 순수 Gaussian, 1 = 순수 Lorentzian)를 설정하였다. 피팅 전, 14300 및 14500 cm⁻1에서의 원시 강도에 맞춘 선형 배경을 각 스펙트럼에서 뺐다. 초기 매개변수 추정값은 평활화 및 기선 보정된 각 스펙트럼에서 직접 추정하였으며, 피팅 범위는 각 초기 추정값의 백분율 범위(면적: 50–150%; FWHM: 60–180%)로 설정하였다. 피팅 품질은 정규화된 평균 제곱근 오차(NRMSE)를 사용하여 평가하였다. 경화 과정 전반에 걸쳐 각 시점의 피팅된 피크 위치를 추출하였으며, 각 피팅 위치를 UV 노출 전 초기 값과 비교하여 피크 이동(peak shift)을 계산하였다.

XRD 피크 피팅 방법

2차원 회절 이미지를 XRD 처리 소프트웨어 또는 MATLAB으로 가져와 분석하였습니다. XRD 데이터는 재료 변형(strain)에 관한 정보를 얻기 위해 분석될 수 있습니다36,37,38. 알루미나 입자에서 기인한 회절 링을 확인하였으며(그림 4B), 격자 간격 변화를 추적하기 위해 명확성이 높은 알루미나 (116) 피크에 해당하는 링을 선택하였습니다. 이 단계에서 2D 회절 이미지 내의 링을 직접 확인하는 것은 적분 전 데이터 품질을 정성적으로 점검하는 역할을 하며, 이를 통해 링이 완전하고 연속적인지(시편의 균일한 조명 및 빔 클리핑 부재를 나타냄), 검출기 정렬과 중심 위치가 정확한지, 그리고 적분된 프로파일을 왜곡시킬 수 있는 기생 산란이나 가짜 특징(spurious features)이 없는지를 확인하였습니다. 링의 품질이 확인되면, 선택한 링을 방위각 변환 이미지로 변환하고 360° 전체 방위각 범위에 대해 적분하여 1차원 회절 프로파일을 생성하였으며, 이를 정량적인 피크 위치 피팅에 사용하여 d-spacing을 추출하고 경화로 인한 변형(curing-induced strain)을 계산하였습니다. 적분된 프로파일의 알루미나 (116) 피크는 피크 위치를 결정하기 위해 pseudo-Voigt 함수로 피팅되었으며, 경화 과정 중 각 회절 프레임에서 추출되었습니다. 피크는 강도, 중심 위치, 너비(FWHM), 모양(Gaussian-to-Lorentzian 비율)을 피팅 파라미터로 하여 비선형 최소제곱 알고리즘(lsqnonlin)을 통해 pseudo-Voigt 함수로 피팅되었습니다. 피팅 전 각 스펙트럼에서 선형 배경(background)을 제거하였습니다. 피팅은 10⁻4의 수렴 허용 오차 내에서 경계 제약 조건(bound-constrained)을 적용하여 수행되었습니다. 격자 간격의 변화는 Bragg의 법칙을 이용하여 피팅된 피크 위치로부터 계산되었습니다:

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여기서 d는 격자 간격, n은 회절 차수, λ는 X선 파장, θ는 브래그 각도입니다. 통상적으로 Cu Ka 방사선을 사용하여 지수화하는 표준 알루미나 참조 회절 패턴과 직접 비교하기 위해, 측정된 d-간격을 브래그 법칙을 통해 Cu Ka 방사선 λ = 1.54056 Å에 해당하는 등가의 2θ 값으로 추가 계산하였습니다. 회절각 축에는 고유한 방사광 2θ 척도(λ = 0.137 Å) 대신 이 일반적인 등가 2θ 척도를 사용하였습니다. 이후 각 시점의 격자 간격을 UV 노출 전의 초기 값과 비교하여 경화 유도 변형률을 계산하였습니다:

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여기서 dt = n s는 경화 과정 중 각 시간대의 격자 간격이며, d0은 UV 노출 전의 초기 격자 간격이다.

결과

광루미네선스 분광법 결과

초기 단계의 PL 응답은 접촉 및 비접촉 조건에서 경화로 인해 유도된 응력이 어떻게 발달하는지에 대한 통찰을 제공합니다. 그림 5는 두 조건 모두에서 처음 20 s 동안의 알루미나 광루미네선스 피크 위치의 평균 변화를 보여주며, UV 노출 전의 기선, UV 노출 직후에 발생하는 급격한 파수 감소, 그리고 경화가 진행됨에 따른 이후의 부분적인 회복 과정을 나타냅니다.

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그림 5. UV 경화 중 초기 단계의 파수 진화를 보여주는 평균 PL 결과.알루미나 광루미네선스 피크 위치는 조건당 3개의 반복 시료(n = 3)에 대해 평균을 냈으며, 접촉 및 비접촉 조건 하에서 경화 시작 후 처음 20 s 동안 추적하였다. 오차 막대는 시료 간의 표준 편차를 나타낸다. 처음 5 s는 UV 조사 전의 기저선을 나타내며, 이후 UV 조사, 응고되는 수지에서 내장된 알루미나 입자로의 압축 응력 전달로 인한 급격한 경화 유도 파수 감소, 그리고 폴리머 네트워크가 안정화됨에 따른 후속적인 부분 회복이 나타난다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

PL의 경우, 조건당 3개의 독립적인 시료(n = 3)를 측정하였습니다. 조건별 3회 반복 실험의 모든 원시 데이터는 데이터 가용성 성명서에 제공됩니다.

경화 초기 20 s가 특히 중요한데, 이는 이 기간 동안 가장 큰 파수 변화가 발생하며, 이는 UV 노출이 시작된 직후에 가장 급격한 응력 진화가 일어남을 나타내기 때문입니다. UV 노출 전, 두 조건은 서로 다른 초기 파수를 보입니다. 조건 간의 이러한 UV 노출 전 차이는 0.660 cm-1입니다 (무용기 상태의 평균 초기 파수는 14402.01 ± 0.028 cm-1, 접촉 상태는 14401.350 ± 0.009 cm-1, n = 3). 본 연구에서 보고된 이후의 모든 피크 이동 값은 각 시편의 UV 노출 전 기저선(baseline)을 기준으로 계산되었습니다.

5 s에 UV LED가 켜지면, 수지가 빠르게 광중합되어 내장된 alumina 입자 주변으로 응고되기 시작하며, 이에 따라 alumina 피크가 더 낮은 파수로 이동합니다. 표면 접촉 시편은 약 5 s에서 7 s 사이에 파수가 더 빠르게 감소하는 모습을 보입니다. 반면, 무용기 시편은 더 완만한 감소를 보이는데, 이는 몰드 벽의 구속이 없을 때 응력 발달이 더 느리게 일어남을 시사합니다.

이러한 급격한 감소 이후, 두 조건 모두 평균 파수의 최솟값에 도달하며, 경화가 진행됨에 따라 이후 더 높은 파수로 부분적인 회복을 보입니다. 접촉 조건은 더 빠르게 최솟값에 도달하고 더 작고 완만한 회복을 보이며, 20 s 윈도우의 나머지 기간 동안 상대적으로 안정적인 상태를 유지합니다. 무용기 조건은 최솟값에 약간 더 늦게 도달하며, 약 14 s부터 더 뚜렷한 회복세를 보입니다.

모든 PL 측정값은 성공적인 획득 기준을 충족하였다: 획득 전 과정 동안 높은 신호 대 잡음비를 가진 선명하고 잘 분해된 R1/R2 이중선이 관찰되었으며, 전체 경화 시간 동안 광섬유 프로브의 초점 영역 내에서 시편 정렬이 지속적으로 유지되었다. 보고된 데이터셋에서 제외된 시편은 없었다. 프로브의 초점 영역 밖으로 비드가 이동하여 신호가 일부 손실되거나, 추가적인 배경 보정이 필요한 기저선 왜곡이 발생하는 것과 같은 최적이지 않은 결과는 본 연구에서 관찰되지 않았으나, 재현성을 뒷받침하기 위해 여기에 기록하였다.

제어된 부양 상태에서의 용기 없는 시편 형태학

용기 없는 시편의 초기 단계 이미지 시퀀스는 UV 경화 과정 동안 부상된 수지 비드가 물리적으로 어떻게 반응하는지를 설명하는 데 도움이 됩니다. 그림 6은 액체 상태에서 겔화 및 급격한 응고에 이르기까지 연속적인 시점에서의 비드 형태를 보여주며, UV 활성화부터 60 s의 안정적인 고체 상태까지의 전체 형상 진화를 포착하여 최종 비드 크기는 2.5 × 2.5 × 1.4 mm가 됩니다.

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그림 6: UV 경화 과정 중 부양된 수지 비드의 대표적인 형상 변화. UV 노출 전 비드는 액체 상태를 유지하다가 약 1 s에서 겔화되며, 2–5 s 사이의 급격한 응고 과정에서 가시적인 형상 변화를 겪고, 6 s까지 안정적인 고체 상태에 도달하여 60 s까지 더 이상의 변화 없이 유지된다. 최종 경화된 비드 크기: 2.5 × 2.5 × 1.4 mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

UV 노출 전에는 비드가 액체 상태이므로 음향장 내에서 부상하는 동안 매끄럽고 둥근 형태를 유지합니다. UV LED가 활성화되면, 비드는 처음 1–2 s 이내에 겔화되기 시작합니다. 3 s에서 5 s 사이에는 비드의 모양 변화가 더 뚜렷하게 나타나며, 약간 왜곡되고 매끄러움이 줄어듭니다. 약 6 s 후에는 비드가 대부분 고체 상태가 되며 모양이 크게 변하지 않습니다. 6 s에서 60 s까지 비드는 비교적 안정적인 상태를 유지하며, 이는 주요 경화 및 모양 변화가 UV 노출 후 처음 몇 초 이내에 발생함을 보여줍니다.

성공적인 무용기(containerless) 실험은 겔화 및 응고 과정 내내 비드가 음향 노드(acoustic node)와 이미징 필드 내에 유지되어 모든 시점에서 형태를 포착할 수 있는 상태로 정의되었습니다. 겔화 및 응고 과정 중 질량 분포와 표면 특성의 변화가 음향장에 대한 기계적 반응을 변화시키므로, 경화 과정 중에 어느 정도의 비드 이동 및 변위는 예상되는 현상입니다. 비드가 이미징 프레임이나 음향 노드 밖으로 완전히 벗어날 정도로 심각한 이동 또는 표류가 발생하는 최적하지 않은 결과는 본 연구에서 관찰되지 않았으나, 재현성을 지원하기 위해 여기에 기록하였습니다.

싱크로트론 X선 회절 결과

회절 프로파일을 통해 순수 알루미나 분말과 표면 접촉 및 무용기 경화 조건에서 10분간 경화된 시편을 비교하였습니다. 그림 7은 세 가지 시편 모두의 전체 회절 프로파일과 함께 (116) 피크의 확대도를 보여주며, 여기서 2θ 위치의 이동은 각 조건에서 경화로 인해 유도된 격자 변형의 크기를 직접적으로 반영합니다.

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그림 7. UV 경화 후의 대표적인 XRD 피크 이동. 순수 알루미나 분말과 10분간 경화된 접촉 및 비접촉 시료의 XRD 프로파일을 비교하였으며, 회절각 축은 기본 싱크로트론 스케일 대신 표준 알루미나 참조 패턴과 비교하기 위해 등가의 일반 각도 스케일로 표시하였다. 확대된 알루미나 피크는 접촉 시료에서 가장 큰 이동을 보이며, 이는 경화로 인해 유도된 잔류 응력이 더 높음을 나타낸다. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

격자 간격의 변화를 추적하기 위해 명확한 피크를 제공하는 알루미나 (116) 피크를 피크 이동 분석 대상으로 선택하였습니다. 확대된 (116) 영역에서, 접촉된 시편은 순수 알루미나 분말과 비교하여 가장 큰 피크 이동을 보입니다. 무용기 시편 또한 피크 이동을 나타내지만, 그 이동 정도는 접촉된 시편보다 작습니다. 이러한 경향은 접촉된 조건이 무용기 조건보다 응력 관련 피크 이동이 더 크게 나타난 PL 결과와 일치합니다. 따라서 PL 및 XRD 결과 모두 경화 환경이 알루미나 충전 광중합성 나노복합재의 잔류 응력 발현에 영향을 미친다는 점을 뒷받침합니다.

XRD 분석을 위해 조건당 3개의 독립적인 시편(n = 3)을 측정하였습니다. 조건별 3회 반복 측정의 모든 원시 데이터는 데이터 가용성 성명서에 제공되어 있습니다. 그림 7은 조건당 하나의 대표 시편을 보여줍니다. 3회 반복 측정 결과, 최종 (116) 피크 위치의 평균은 무용기 조건에서 57.523° ± 0.042° 2θ (conventional), 접촉 조건에서 57.786° ± 0.152° 2θ (conventional)였으며, 이는 그림 7에 나타난 대표적인 경향과 일치합니다.

성공적인 XRD 분석은 경화 과정 전반에 걸쳐 비드가 X-선 빔 footprint 내에 유지되어, 방위각 적분 및 피크 피팅에 적합한 완전하고 연속적인 회절 링을 생성하는 것으로 특징지어집니다. 반면, 음향장 내에서 비드가 이동하여 시편이 빔 footprint 밖으로 벗어날 경우, 회절 링이 불완전하거나 잘려 나가는 최적 이하의 결과가 나타났습니다.

데이터 가용성:

본 연구의 결과를 뒷받침하는 데이터셋은 Zenodo 저장소에 기탁되었으며, https://doi.org/10.5281/zenodo.20498417에서 공개적으로 이용 가능합니다. 업로드된 데이터셋은 광루미네선스 분광법과 방사광 X선 회절이라는 두 가지 방법으로 수집되었습니다. 데이터는 음향 부양기 내에서 나노복합재의 경화 과정 중 in situ로 수집되었습니다.

토론

접촉 상태에서의 UV 전 기계적 사전 부하

접촉된 시편에서 관찰된 더 낮은 초기 파수(그림 5) 는 시료 준비, 몰드에 의한 구속 또는 커버 글라스와의 상호작용으로 인해 경화 전부터 이미 응력이 도입되었을 가능성을 시사합니다. 접촉된 시편은 경화 전에 실리콘 몰드와 커버 글라스 모두에 의해 둘러싸여 있는 반면, 비접촉 시편은 고체 접촉 없이 음향 장 내로 분사되므로, 접촉 조건에서 관찰된 더 낮은 초기 파수는 몰드 및 커버 글라스 밀폐 과정 중 시편에 가해진 압축 기계적 하중으로 인한 것입니다. 이러한 오프셋은 UV 노출이 시작되기 전에 이미 존재하므로, 이는 경화 관련 공정이 아니라 기계적 사전 하중 효과를 반영합니다. 따라서 기존의 오프셋은 각 조건 내에서 보고된 피크 위치의 변화에는 영향을 미치지 않으나, 두 조건이 서로 다른 절대 파수 상태에서 경화를 시작함을 의미하며, 이는 조건 간의 시간 의존적 변화가 아닌 절대 파수 값을 비교할 때 고려되어야 합니다.

경화 중 응력 진화의 속도 및 회복

접촉된 시료는 약 5에서 7 s 사이에서 파수가 더 빠르게 감소하며(그림 5), 이는 몰드 제약 조건 하에서 응력 축적과 수지 경화가 더 빠르게 일어남을 나타냅니다. 반면, 무용기 시료는 감소 폭이 더 완만한데, 이는 용기 제약이 없을 때 응력 발달이 더 느리게 진행됨을 시사합니다. 두 조건 모두에서 관찰된 이후의 부분적인 회복은 폴리머 네트워크가 안정화됨에 따른 부분적인 응력 완화와 일치합니다. 접촉 조건에서 더 일찍 나타나는 작은 규모의 회복과 무용기 조건에서 더 늦게 나타나는 뚜렷한 회복은 용기 제약이 없을 때 더 큰 응력 완화가 발생한다는 점과 일치합니다.

경화 역학의 증거로서의 비드 형태

비드 형태 변화 시퀀스(그림 6) 는 이러한 거동을 미세 구조 수준에서 설명하는 데 도움이 됩니다. UV 노출 전, 비드는 액체 상태를 유지합니다. 겔화는 약 1 s에서 발생하며, 이는 수지가 고체 네트워크를 형성하기 시작하는 시점입니다. 2 s에서 5 s 사이에는 비드가 음향장 내에서 여전히 이동하는 동안 수지가 경화됨에 따라 눈에 띄는 형태 변화와 함께 급격한 고체화가 진행됩니다. 수지가 충분히 고체 상태가 되면 원래의 둥근 액체 형태로 다시 이완될 수 없으므로, 이러한 변형의 일부가 고정됩니다. 약 6 s가 되면 비드는 안정한 고체 상태에 도달하며 60 s까지 더 이상의 형태 변화가 나타나지 않는데, 이는 경화와 관련된 형태 변화의 대부분이 UV 노출 후 처음 몇 초 이내에 집중됨을 나타냅니다.

경화 조건 간의 교란 요인

접촉 조건에서 관찰된 더 높은 잔류 응력은 무용기 조건에서는 없는 강성 벽 구속의 존재와 일치하지만, 두 경화 환경을 구분 짓는 다른 요인들이 있으며 본 연구에서는 이를 독립적으로 분리하지 않았다. UV 파장과 UV LED-시편 간 거리는 두 조건 모두에서 일정하게 유지되었으므로, 이러한 요인들은 관찰된 차이에 기여하지 않는다. 그러나 노출된 표면에서의 산소 저해, 시편의 비표면적(표면적 대비 부피 비율), 열전달 및 방산, 증발 손실, 시편 기하구조 및 경화 역학 등의 요인은 두 조건 간에 다를 수 있으며, 본 연구에서는 독립적으로 분리되지 않았다. 이와 관련하여, 최종 비드 형상이 조건에 따라 다소 차이가 있는데, 접촉된 시편은 실리콘 몰드의 디스크형 기하구조로 구속되는 반면, 무용기 시편은 음향장에 의해 형성된 타원체 형상을 띤다. 시편의 기하구조 자체가 국부적 수축 구배와 경화 거동에 영향을 줄 수 있으므로, 이러한 형상 차이는 본 연구에서 분리되지 않은 추가적인 요인이다. 하지만 두 시편 유형은 전체적인 크기 면에서 대체로 비교 가능하며 형상이 급격하게 다르지 않으며, 향후 두 조건 모두에서 일치하거나 제어된 시편 기하구조를 사용하는 연구를 통해 벽 구속 자체의 효과와 이 효과를 분리하는 데 도움이 될 것이다. 특히, 이러한 동일한 요인들은 단순히 제거해야 할 실험적 아티팩트라기보다 지구 기반(몰드 구속) 제조 환경과 우주 기반(무용기) 제조 환경 간의 본질적인 차이이기도 하다. 각 요인의 개별적인 기여도를 분리하는 것은 본 연구의 범위를 벗어난 것이며, 대신 본 연구에서는 접촉 및 무용기 경화 환경 전체 사이의 순 응력 차이를 보고한다.

음향 부양은 용기가 없는 기계적 경계 조건을 재현하지만, 진정한 미세 중력 환경을 완전히 복제하는 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다. 부양된 비드의 모양은 시편 전체에 걸쳐 안정적이고 재현 가능하게 유지되었으며(그림 6), 경화 과정 중 뚜렷한 입자 침전이 관찰되지 않았습니다. 이는 시편을 안정적으로 부양시키기 위해 음향장으로 인해 생성된 내부 흐름이 비드 형태나 입자 분포에 가시적인 교란을 일으키지 않았음을 나타냅니다. 반복 시편 전반에 걸쳐, 그리고 PL과 XRD 모두에서 관찰된 경향의 일관성은 용기 벽의 제약이 조건 간에 관찰된 차이의 주요 원인임을 뒷받침합니다.

여기에서 제시된 결과와 조사 내용은 미세중력 보조 제조를 위한 우주 임무 수행에 앞서, 용기 없는 환경이 나노복합재 제조에 미치는 영향을 보여주는 접근 가능한 지상 기반 데이터를 제공함으로써 이러한 실험 기법들이 갖는 영향력을 입증합니다. 이러한 결과는 우주 응용 분야를 위한 기능성 재료 개발을 위해 제조 공정 및 재료 조성을 더욱 최적화할 수 있는 기반을 제공합니다.

무용기 조건과 비교하여 접촉 조건에서 일관되게 더 크게 관찰된 피크 이동은 더 높은 잔류 응력과 일치하며, 이는 우주 제조에 잠재적인 영향을 미칠 수 있습니다. 미세중력 상태에서 공정된 재료는 자연스럽게 무용기 상태로 경화되므로, 최종 부품에 내재된 잔류 응력은 지구상에서 몰드 내에 제조된 동일한 조성의 재료와 다를 것입니다. 잔류 응력은 보다 광범위하게 경화된 고분자 복합재의 기계적 성능, 치수 안정성 및 장기 내구성에 기여하는 요인으로 알려져 있습니다39,40,41,42; 하지만 본 연구는 잔류 응력의 진화만을 특성화하며, 경화된 시편의 기계적 테스트는 포함하지 않습니다. 따라서 관찰된 응력 차이가 기계적 성능이나 내구성의 측정 가능한 차이로 어느 정도 전환되는지는 아직 규명되어야 할 과제로 남아 있습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 결과는 우주 응용을 위한 나노복합재 재료의 적격성을 평가할 때 공정 환경을 고려해야 할 필요성을 강조하며, 몰드 경화 시편을 기반으로 한 지구 기반 재료 특성 데이터베이스가 무용기 및 미세중력 관련 조건에서 제조된 동일 재료의 잔류 응력 상태를 완전히 포착하지 못할 수 있음을 시사합니다. 두 조건 모두에서 경화된 시편의 직접적인 기계적 특성 분석은 이러한 연관성을 확립하기 위한 향후 연구의 중요한 방향입니다.

주요 단계 및 문제 해결

재현성을 위해 용기 없는 시료 준비의 두 가지 측면에 특별한 주의가 필요합니다. 첫째, 분주 중 비드의 안정적인 부양 상태를 유지하는 것은 음향 진폭에 민감합니다. 비드가 음향 노드 주변에서 크게 변위된다면, 이는 포획력이 비드의 질량 및 위치에 비해 불균형함을 나타냅니다. 이러한 상황에서는 진폭을 큰 단계로 조절하기보다 점진적으로 감소시켜야 하는데, 이는 힘의 균형에 필요한 수준 이하로 진폭을 낮추면 비드가 음장 밖으로 떨어지기 때문입니다. 따라서 진폭 조정은 단일 보정 단계로 수행하기보다 비드의 안정성을 실시간으로 모니터링하면서 작은 증분으로 조절하는 것이 가장 좋습니다.

둘째, 시린지 팁에서 음향 노드(acoustic node)로 슬러리 액적을 안정적으로 분리하는 과정은 슬러리 점도, 표면 장력, 팁 직경, 젖음성, 액적 부피 및 트래핑 강도 등 여러 상호 작용 요인에 민감합니다. 본 연구에서는 수동 분리 없이 음향 방사력만을 이용하여 18-gauge 시린지 팁(길이 1.26)으로부터 액적을 분리하였으며, 이는 본 실험에 사용된 액적 부피와 슬러리 점도에서 안정적으로 작동하였습니다. 시린지 팁 직경과 같거나 그보다 작은 액적 크기를 사용하거나, 점도가 더 높은 슬러리를 사용하는 경우, 음향 인력만으로는 액적이 팁에서 완전히 분리되지 않을 수 있습니다. 이러한 경우에는 안정적인 액적 로딩을 위해 슬러리 점도를 낮추거나 더 큰 내경의 팁으로 교체하는 것을 권장합니다.

공개 사항

저자들은 이해 상충 관계가 없음을 밝힙니다.

감사의 글

본 자료는 국립과학재단(National Science Foundation) 연구비 CMMI 2349931의 지원을 받은 연구를 바탕으로 합니다. 본 연구는 계약 번호 DE-AC02-06CH11357에 따라 Argonne National Laboratory가 미국 에너지부(DOE) 과학국을 위해 운영하는 미국 에너지부(DOE) 과학국 사용자 시설인 Advanced Photon Source의 APS 빔 타임 수상(DOI: https://doi.org/10.46936/APS-191109/60014859)을 통해 수행되었습니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
알파 알루미나 분말 Inframat Advanced Materials 26N-0802A 알루미나 분말 
d-SAL Materials Development, Inc. (MDI) - 음향 부양 
Elegoo ABS-Like 광경화성 수지 ELEGOO X004C0BJT 수지 
INTLLAB MS-500 INTLLAB - 자기 교반기 
라이트필드Teledyne Princeton Instruments, 뉴저지주 트렌턴, 미국https://www.teledynevisionsolutions.com/en-in/products/lightfield/?model=LF 라이트필드(LightField) 초고해상도 및 고성능 가시화 솔루션 라이트필드(LightField)는 가장 까다로운 환경에서도 최고의 화질과 성능을 제공하도록 설계된 최첨단 카메라 시스템입니다. 정밀한 광학 설계와 혁신적인 센서 기술을 결합하여, 연구 및 산업 현장에서 요구하는 극도의 세밀함과 정확한 데이터 캡처를 가능하게 합니다. 주요 특징: - 초고해상도 이미지: 미세한 디테일까지 포착하여 분석의 정확도를 높입니다. - 뛰어난 광학 성능: 빛의 왜곡을 최소화하고 최적의 대비와 색 재현력을 제공합니다. - 고속 데이터 처리: 실시간으로 대량의 고해상도 데이터를 효율적으로 캡처하고 전송합니다. - 내구성과 신뢰성: 가혹한 작업 환경에서도 안정적인 성능을 유지하는 견고한 설계가 적용되었습니다. - 유연한 통합: 다양한 소프트웨어 및 하드웨어 시스템과 쉽게 연동되어 최적의 워크플로우를 구축할 수 있습니다. 응용 분야: - 정밀 측정 및 검사 - 고해상도 과학 이미징 - 산업용 품질 관리 - 고급 시각 분석 및 연구 제품 모델: LF 시리즈&수직=tvs-princeton-instruments&세그먼트=tvs
MATLABThe MathWorks, Inc., 미국 매사추세츠주 네틱MATLAB - 행렬 연구실 MATLAB은 수치 계산 및 프로그래밍을 위한 플랫폼입니다. 데이터 분석, 알고리즘 개발, 모델링 및 시뮬레이션을 위한 환경을 제공합니다. 주요 기능: - 데이터 분석 및 시각화 - 행렬 연산 및 수치 해석 - 앱 제작 및 인터페이스 설계 - Simulink를 통한 모델 기반 설계 분야별 활용: - 제어 시스템 - 신호 처리 및 통신 - 이미지 처리 및 컴퓨터 비전 - 머신 러닝 및 딥 러닝 - 금융 공학 및 계량 경제학

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