고분자 물질의 열화에 따른 변형 거동 연구

Abstract

한국의 LCD TV는 전 세계에 연간 수 천만 대씩 팔리고 있는 상품 중 하나이다. 전 세계 다양한 환경에서 TV를 사용하기에 기업들은 이 환경 요소를 고려한 품질 시험을 하고 있다. 특히 고온 환경에서의 TV 사용을 염려하여 고온 환경 설정을 진행하여 각종 신뢰성 시험을 하고 있다. 본 연구는 고온(60℃) 상태에서 TV Stand의 모델링을 바탕으로 열화에 따른 변 형 거동에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 고온에서의 고분자 물질(Polymer)의 탄성 계수뿐만 아니라 열가 소성수지가 가지고 있는 점탄성(Viscoelasticity)의 특성을 얻기 위해 인장시험과 응력완화(Stress Relaxation Test) 실험을 수행했다. 앞서 말한 신뢰성 시험을 염두 에 두어 상온은 25℃, 고온은 60℃로 진행하였고 인장시험 결과 값인 응력-변형률 곡선으로 탄성계수를 계산하고 고분자 물질은 Stand의 주재료 성분인 PC+ABS와 PC+ABS-GF20%를 비교하였다. 고분자 물질의 점탄성을 이용하기 위해 응력완화 실험 결과의 데이터를 정규화 해서 MATLAB을 이용하여 프로니 급수(Prony series)를 활용한 열화재료상수를 구했다. 해석은 유한요소 기법을 이용하는 Abaqus 상용해석 프로그램을 이용하였 다. 이 해석 결과로 특정 모델링에서의 고분자 물질의 재료와 온도에 따른 변형률, 응력, 변위의 변화 추이를 비교하였다. 특히 탄성값만을 고려했을 때와 점탄성을 함께 고려했을 때의 변위 변화량을 비교해 고온에서의 변형거동 해석 시 소재의 물성치 값에서 점탄성이 의미 있음을 밝혔다. 또한 해석결과의 최대응력을 온도에 따른 항복강도(Yield strength)와 비교하게 되면 TV Stand의 열화에 따른 변형에 대한 안정성을 검증할 수 있게 된다. 또한 항복 강도를 허용응력으로 두어 제품의 안전율을 감안한 설계 기준을 제시하였다.

Koreas LCD TV is one of the worlds tens of millions of products sold annually. Since TVs are used in various environments around the world, companies are conducting quality tests considering these environmental factors. In particular, the high temperature environment is set in consideration of the use of TV in a high temperature environment, and various reliability tests are performed. This study studies degradation of mechanical properties of polymer under stress based on the modeling of TV stand at high temperature (60 ℃). In this study, tensile and relaxation tests were carried out to obtain the properties of the viscoelasticity of thermoplastics as well as the elastic modulus of the polymer at high temperatures. With the above reliability test test in mind, the room temperature was 25℃ and the high temperature was 60℃. For polymer material, PC + ABS and PC + ABS-GF20%, the main materials of Stand, were compared. The elastic modulus was calculated from the stress-strain curve, the tensile test result, and the data of the relaxation test were normalized to use the viscoelasticity of the polymer material. MATLAB was used to find the high temperature material constant using the Prony series. The analysis was performed using Abaqus commercial analysis program using finite element method. As a result of this analysis, the variationofstrain, stress and displacement according to the material and temperature of the polymer material in the specific modeling was compared. In particular, the variation of displacement when considering only elastic value and when considering viscoelasticity was compared and found that the viscoelasticity was significant in the material property value when analyzing deformation behavior at high temperature. In addition, comparing the maximum stress in the analysis results with the yield strength with temperature, you can determine the stability against damage caused by temperature changes to the high temperature of the TV stand. Lastly,the yield strength was defined as the allowable stress, and the design criteria considering the safety factor of the product were suggested.