KR101987973B1 - 극소각 및 소각 산란을 이용한 먹에 사용된 탄소 그을음의 종류 분석방법 - Google Patents

극소각 및 소각 산란을 이용한 먹에 사용된 탄소 그을음의 종류 분석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극소각 및 소각 산란을 이용한 먹에 사용된 그을음의 종류 분석방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 그을음의 종류 분석방법은, (a) 탄소 및 아교가 혼합된 그을음 시료를 준비하는 단계, (b) 상기 시료를 극소각 산란 장치를 이용하여 상기 시료의 산란 강도를 측정하는 단계, (c) 상기 측정된 산란 강도와 산란 각도에 따른 산란 벡터를 피팅(fitting)하여 산란 커브를 도출하는 단계, (d) 상기 산란 커브로부터 상기 그을음의 입자의 형태를 판단하는 단계, (e) 상기 산란 커브로부터 상기 그을음의 입자의 회전반경(Rg)을 계산하는 단계, (f) 상기 그을음의 입자의 회전반경 및 상기 그을음의 입자의 형태로부터 상기 탄소의 종류를 판단하는 단계 및 (g) 상기 산란 커브로부터 상기 아교의 양을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

극소각 및 소각 산란을 이용한 먹에 사용된 탄소 그을음의 종류 분석방법{METHOD FOR ANALYSING THE SOURCE OF SOOTS USING ULTRA SMALL ANGLE(USANS) AND SMALL ANGLE SCATTERING(SANS)}
본 발명은 극소각 및 소각 산란을 이용한 먹에 사용된 탄소 그을음의 종류 분석방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 물질에 형성된 그을음에 극소각 및 소각 중성자 산란을 이용하여 그을음의 종류를 분석하는 기술에 관한 것이다.
고대에 가장 중요한 발명품 중의 하나인 먹은 그을음으로 만들어지는데, 그을음은 탄소 분말형태로 되어 있어, 수송이나 먹의 사용시 날리는 현상이 있어 취급의 불편함이 있다. 그러나 고대 기술자들은 이를 동물아교 수용액(아교를 물에 녹인 용액)과 일정 비율로 배합하여 적절한 모양으로 고형화시켜, 필요한 양만큼 먹을 벼루에 갈아 쓰는 방법을 개발하였다. 이는 아교가 마르면서 그을음 입자들을 붙잡고 있게 되고, 굳어진 아교가 물에 다시 용해되는 성질을 이용한 것이다. 먹을 단순히 물에 녹이는 것이 아니라, 편평한 돌(예, 벼루)에 물과 함께 갈아 필요한 양만큼만 갈아 사용할 수 있음으로 경제적이라 할 수 있다, 먹은 수송이나, 보관 등이 용이하고, 또한 일정 모양의 주형틀(예, 직사각형 모양의 틀)을 이용하여 대량 생산이 가능하여, 고대 국가간의 교역물로 자리잡게 되었다. 실제로 한국 먹은 그 성질이 우수하여 이미 삼국시대에 중국에 수출한 기록이 있다. 먹은 사용된 그을음(검정색 안료)의 종류에 따라 송연(소나무 그을음), 유연(식물성 그을음), 광물성 먹으로 구별한다.
제조된 먹이 송연, 유연 또는 광물성인지를 밝히는 것은 기술적으로 쉬운 일이 아니다. 전통 먹의 구조를 과학적으로 이해하고, 사용된 그을음의 종류를 규명할 수 있는 방법을 찾는 것은 문화유산보존의 관점에서 큰 가치가 있다고 할 수 있다. 한 예로 유연먹이 사용된 고문서나 고서화의 손상된 부분을 복원할 경우 같은 검정색이라고, 송연 검정 그을음을 사용하게 되면, 이는 엄밀한 의미의 문화재 복원과는 거리가 있다. 정확한 복원을 위해서는 같은 종류의 그을음을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 제조된 먹의 종류를 구별하는 것은 용이하지가 않으며, 이를 위해서는 그을음의 종류를 구별할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
한편, 중성자 극소각 산란장치는 중성자를 광원으로 이용하여 시료와 만나며 생기는 회절 및 산란을 관찰하여 시료의 구조 및 성분을 분석하는 장치이다. 특히, 중성자 극소각 산란 장치(Ultra-small angle neutron scattering instrument, USANS)는 중성자를 이용하여 마이크론-서브마이크론 크기의 구조를 측정할 수 있고, 소각산란(small angle scattering)장치는 나노 크기 측정에 적합한 장치이다. 중성자 극소각 및 소각 산란 방법은, 불투명한 시료를 측정할 수 있고, 대면적의 시료를 측정함으로 평균값의 정확도를 높이는 장점이 있다.
종래의 먹에 사용된 그을음 입자의 종류를 구별하기 위해 사용된 방법은 전자현미경 (SEM) 또는 Photon correlation spectroscopy(PCS)를 이용하여 먹의 입자를 비교하는 방법이 사용되었다. 먹 입자를 물에 분산시키고 소니케이션(sonication)하여 그을음 입자 및 집합체를 측정할 수 있었다. 그러나, 정확하게 모든 그을음 입자를 구별하기에는 다소 미흡한 점이 있었다. 또한 물에 분산시키고, 이를 소니케이션하는 과정의 번거로움이 있다. 전자현미경의 경우 측정 평균값의 오차를 줄이기 위해 여러 시료를 측정한 이미지를 분석해야 한다. 이외에도, 경험과 육안으로 그을음 입자를 구별하는 방법이 있는데, 이는 불투명한 고체 상태 먹에 직접 적용할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 그을음 입자에 포함되는 탄소는 마스카라, 먹 고형체, 고서화, 고문서등에 가장 많이 사용되는 색이나, 이들 안료의 원료 차이점을 구별할 수 있는 방법이 부족하다. 화학적 분석 방법은 아교에 사용된 탄소와 그을음의 탄소를 구별하는 것이 어려우며, 화학 분석을 위해서는 아교를 제거해야 한다. 또한 그을음 입자의 화학 구조의 차이점을 밝히는 것은 용이하지 않을 수도 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 중성자 극소각산란(USANS) 및 소각산란(SANS)을 이용하여 다양한 형태로 형성된 그을음의 종류를 분석하는 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전통 먹의 불투명한 시료의 그을음 입자에 사용된 탄소의 종류를 특정하고 혼합된 아교의 양을 분석하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 그을음의 종류 분석방법으로서, (a) 탄소 및 아교가 혼합된 그을음 시료를 준비하는 단계, (b) 극소각 산란 장치를 이용하여 상기 시료의 산란 강도를 측정하는 단계, (c) 상기 측정된 산란 강도와 산란 벡터를 피팅(fitting)하여 산란 커브를 도출하는 단계, (d) 상기 산란 커브로부터 상기 그을음의 입자의 형태를 판단하는 단계, (e) 상기 산란 커브로부터 상기 그을음의 입자의 회전반경(Rg)을 계산하는 단계, (f) 상기 그을음의 입자의 회전반경 및 상기 그을음의 입자의 형태로부터 상기 탄소의 종류를 판단하는 단계 및 (g) 상기 산란 커브로부터 상기 아교의 양을 추정하는 단계를 포함하는 그을음의 종류 분석방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 그을음 시료는 입자의 형태가 구형, 원통형 또는 판상형 중 적어도 어느 하나는 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 상기 산란 벡터(Q)는 하기의 식(1)에 의해 도출될 수 있다.
식(1):
Figure 112017120015281-pat00001
(여기서, Q는 산란벡터, θ는 산란각도/2, λ는 극소각 산란 장치에 사용되는 광원의 파장)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 상기 산란 커브는 상기 산란 강도 및 상기 산란 벡터를 하기의 식(2) 및 식(3)에 따라 피팅(fitting)하여 도출될 수 있다.
식(2):
Figure 112017120015281-pat00002
식(3):
Figure 112017120015281-pat00003
(여기서, I(Q)는 산란강도, G는 Guinier 인자, D는 Porod 인자, Q는 산란벡터, Rg는 회전반경(Radius of Gyration), s는 0 내지 2의 정수의 값을 가지는 차원수, c는 Porod 상수, n, m은 각각 Guinier 지수 및 Porod 지수(Power law index), I(Q)incoherent는 비간섭산란(Incoherent scattering), Q1은 측정된 중성자 산란 곡선이 Guinier 산란 곡선과 Porod 산란 곡선에서 미분 가능한 연속성을 갖는 경우, 하기의 식(4) 및 식(5)의 조건을 만족시키는 Guinier 산란과 Porod 산란의 전이점이다.)
식(4):
Figure 112017120015281-pat00004
식(5):
Figure 112017120015281-pat00005
(여기서,
Figure 112017120015281-pat00006
은 Guinier산란 곡선,
Figure 112017120015281-pat00007
은 Porod 산란 곡선)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (d)단계는, (d1) 상기 산란 커브에서 Guinier 산란영역을 정의하는 단계, (d2) 상기 Guinier 산란영역의 기울기 값을 계산하는 단계 및 (d3) 상기 계산된 기울기 값을 그을음의 입자의 형태에 따른 이론적인 계산값과 비교하여 상기 그을음의 입자의 형태를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (g) 단계에서, 상기 산란 커브에서 비간섭산란(Incoherent scattering) 영역을 정의하고, 상기 비간섭산란 영역의 비간섭산란 강도를 측정하여 상기 아교의 양을 계산할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 극소각 산란 장치는 광원이 중성자 또는 x-선(x-ray)일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 중성자 극소각산란(USANS) 및 소각산란(SANS)을 이용하여 다양한 형태로 형성된 그을음의 종류를 분석하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전통 먹의 불투명한 시료의 그을음 입자에 사용된 탄소의 종류를 특정하고 혼합된 아교의 양을 분석하는 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그을음에 포함된 종류를 분석방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실험예에 따른 그을음을 포함하는 먹 형태의 고체 시료를 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 비교예에 따른 먹 시료의 종류에 따른 중성자 극소각 산란 강도의 이론적인 계산 결과를 피팅(fitting)한 그래프이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실험예들에 따른 중성자 극소각 산란강도의 피팅(fitting)한 결과를 나타내는 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그을음에 포함된 성분 분석방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 그을음에 포함된 성분 분석방법으로서, (a) 탄소 및 아교가 혼합된 그을음 시료를 준비하는 단계(S10), (b) 극소각 산란 장치를 이용하여 시료의 산란 강도를 측정하는 단계(S20), (c) 측정된 산란 강도와 산란 벡터를 피팅(fitting)하여 산란 커브를 도출하는 단계(S30), (d) 산란 커브로부터 그을음의 입자의 형태를 판단하는 단계(S40), (e) 산란 커브로부터 그을음의 입자의 회전반경(Rg)을 계산하는 단계(S50), (f) 그을음의 입자의 회전반경 및 그을음의 입자의 형태로부터 탄소의 종류를 판단하는 단계(S60) 및 (g) 산란 커브로부터 아교의 양을 계산하는 단계(S70)를 포함할 수 있다.
먼저, (a) 탄소 및 아교가 혼합된 그을음 시료를 준비하는 단계(S10)에서, 그을음 시료는 고체 상태의 먹일 수도 있고, 액체에 분산된 콜로이드상, 가루형의 분말 시료일 수도 있다. 극소각 산란 장치(Ultra-small angle scattering instrument)를 사용하여 그을음 시료 내의 성분을 분석하기 때문에 시료의 형태에 제한되지 않는다. 특히, 종래의 전자현미경을 이용한 분석방법과 같이 물에 시료를 소니케이션(sonication) 시키는 과정이 생략되어 시료를 준비하는 단계를 간략화 할 수 있다. 예를 들어, 이미 기재에 형성된 그을음을 별도의 처리 없이 극소각 산란 장치에 사용하여 성분을 분석할 수 있다.
그을음 시료의 크기와 두께는 한정되지 않지만, 바람직하게는 단면적은 500mm x 50mm이고, 두께는 0.1mm 이상 0.5mm 이하일 수 있다. 그을음 시료가 불투명하고 두꺼운 시료이더라도 중성자 극소각 산란 장치를 이용하여 성분을 분석하는 것이 가능하다. 특히, 시료 내에 그을음의 양이 아교의 양보다 많기 때문에 그을음 입자(Individual soot particle)뿐만 아니라 응집된 그을음 덩어리(cluster)의 경우에도 분석이 가능하다. 그리고, 종래의 방법보다 대면적의 시료를 사용하여 정량 분석이 용이하고, 분석된 성분의 평균치 신뢰도를 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 극소각 산란 장치는 광원이 중성자 또는 x-선(x-ray)일 수 있다.
특히, 중성자는 대부분 물질에 투과력이 우수하여 불투명하고, 두꺼운 시료를 측정하는데 유리하며, 또한 중성자 광원빔(beam)의 크기가 커서 대면적의 시료를 측정하는데 적합하다. 중성자를 광원으로 사용할 경우, 신뢰할 만한 평균값을 측정할 수 있고, 구조에 대한 정량적 분석이 가능하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 그을음 시료는 입자의 형태가 구형, 원통형 또는 판상형 중 적어도 어느 하나는 포함할 수 있다.
먹은 원료로 송연, 유연 또는 광물성 탄소를 사용하여 제조할 수 있다. 각각의 원료는 포함되어 있는 탄소의 입자 형태가 다른데, 이러한 이유로 빛이 산란되는 정도가 다르기 때문에 입자의 종류를 분류할 수 있다. 입자의 모양에 따라 빛의 산란되는 정도가 달라지는 원리를 이용하여 극소각 산란을 측정하여 입자의 종류를 구별할 수 있다. 시료는 바람직하게는 한가지 형태의 입자만 포함할 수 있으나, 두 종 이상의 입자를 포함할 수도 있다.
다음으로, (b) 시료를 극소각 산란 장치에 로딩하고, 극소각 산란 장치를 이용하여 시료의 산란 강도를 측정한다. 시료에 중성자 또는 x-선 광원을 조사하여 산란될 때, 산란각도, 산란강도 및 산란벡터(Q) 등을 측정한다.
그리고, (c) 단계에서, 측정된 산란강도와 산란벡터(Q)를 피팅(Fitting)하여 산란커브를 도출한다. 산란벡터(Q)를 x축, 산란강도를 y축으로 하여 산란커브를 도출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, (c) 단계에서, 산란벡터(Q)는 하기의 식(1)에 의해 도출될 수 있다.
식(1):
Figure 112017120015281-pat00008
(여기서, Q는 산란벡터, θ는 산란각도/2, λ는 극소각 산란 장치에 사용되는 광원의 파장)
극소각 산란측정은 산란각도를 산란벡터로 변환하고, 이를 측정된 산란강도와 피팅하여 시료를 분석할 수 있다. 산란벡터(Q)가 크면 측정가능한 시료 입자의 크기가 작고, 산란벡터(Q)가 작은 값을 가지면 측정가능한 시료 입자의 크기가 큰 것을 의미한다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 비교예에 따른 먹 시료의 종류에 따른 중성자 극소각 산란 강도의 계산 결과를 피팅(fitting)한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 상기 산란 커브는 상기 산란 강도 및 상기 산란 벡터를 하기의 식(2) 및 식(3)에 따라 피팅(fitting)하여 도출될 수 있다.
식(2):
Figure 112017120015281-pat00009
식(3):
Figure 112017120015281-pat00010
(여기서, I(Q)는 산란강도, G는 Guinier 인자, D는 Porod 인자, Q는 산란벡터, Rg는 회전반경(Radius of Gyration), s는 0 내지 2의 정수의 값을 가지는 차원수, c는 Porod 상수, n, m은 각각 Guinier 지수 및 Porod 지수(Power law index), I(Q)incoherent는 비간섭산란(Incoherent scattering), Q1은 측정된 중성자 산란 곡선이 Guinier산란 곡선과 Porod 산란 곡선에서 미분가능한 연속성을 갖는 경우, 하기의 식(4) 및 식(5)의 조건을 만족시키는 Guinier 산란과 Porod 산란의 전이점.)
식(4):
Figure 112017120015281-pat00011
식(5):
Figure 112017120015281-pat00012
(여기서,
Figure 112017120015281-pat00013
은 Guinier산란 곡선,
Figure 112017120015281-pat00014
은 Porod 산란 곡선)
도 3을 참조하면, 극소각 산란 또는 소각 산란의 산란 커브는 Power law 영역(영역 1), Guinier 영역(영역 2), Porod 영역(영역 3) 및 Incoherent 영역(영역 4)으로 나누어 정의될 수 있다. 극소각 산란으로부터 측정된 데이터는 피팅(fitting)하여 Guinier 영역 및 Porod 영역의 산란 커브로부터 회전반경, 입자의 형태 및 각각의 인자를 도출해 낼 수 있는데, 상기의 식(2) 및 식(3)는 Guinier-Porod 모델식으로 그을음 입자의 형태가 구형, 원통형 및 판상형일 때 각각의 산란 식을 통합한 식이다. 산란벡터(Q) 값에 따라 다른 식을 이용하여 데이터를 피팅함으로써, 그을음 입자의 성분에 대한 정보를 도출해 낼 수 있다. 특히, 상기의 식(2) 및 식(3)는 먹과 같이 그을음 입자의 크기가 일정하지 않고 넓은 크기 분포를 갖는 경우에 적용할 수 있다.
극소각 산란으로부터 측정된 데이터는 그을음 입자 크기가 작은 쪽은 Guinier-Porod(GP) 모델을, 그을음 입자가 엉겨있어 크기가 큰 덩어리 부분은 Power law 산란 법칙으로 적용할 수 있다.
여기서, s는 그을음 입자의 형태를 정의하는 차원이다. s의 값이 0일 경우, 일반적인 Guinier 산란을 띠며, 그을음 입자가 구형(3차원)의 모양을 나타내며, s가 1일 경우는 원통형(1차원)의 모양을, s가 2일 경우는 얇은 판상(2차원)의 형태를 가진다. 다만, s의 값이 0, 1 또는 2의 정수로 한정되는 것은 아니다. 0,1, 내지 2의 실수의 값일 수 있다. 그을음 시료는 다양한 형태를 가진 입자들이 혼합될 수 있기 때문에, Guinier-Porod 모델로부터의 s값은 넓은 전체 범위의 산란벡터(Q)에서 산란강도를 피팅하여 국부적 영역에서는 데이터와 이론치의 오차가 있게된다. 그러나, 산란강도와 산란벡터(Q)의 로그-로그(log-log) 그래프에서, 입자의 모양을 나타내는 Guinier 영역의 특정 산란벡터(Q) 구간만을 멱 함수 (power law)로 피팅하여 기울기(s)를 구할 수 있다. 이때, 오차범위 내의 실수의 값과 가까운 정수의 값을 식(2) 또는 식(3)에 계산할 수 있다. 식(2)의 Rg는 그을음 입자의 회전반경이다. 피팅한 그래프에서, s의 값과 Rg값을 계산하여 그을음 입자의 모양과 종류를 판단할 수 있다. Incoherent는 비간섭산란(Incoherent scattering)을 의미한다. 중성자 또는 x-선 광원이 시료와 비간섭산란을 하여 측정되는 수치로, background 산란이라고도 정의할 수 있다. 산란강도가 절대값으로 측정되면, 비간섭산란에서의 산란강도인 I(Q)incoherent으로부터 그을음 입자에 포함된 아교의 상대적인 양을 계산할 수 있다.
한편, 산란벡터 Q1은 Guinier 산란과 Porod 산란의 전이점을 나타낸다. 산란벡터 Q의 값이 Q1보다 작을 때는 식(2)의 Guinier 식으로, Q1 보다 클 때는 식(3)의 Porod식으로 산란강도와 산란벡터를 피팅한다. 상기의 식(4) 및 식(5)를 만족하는 Q값이 Q1이 된다.
다음으로, (d) 산란 커브로부터 그을음 입자의 형태를 판단하는 단계는, (d1) 상기 산란 커브에서 Guinier 산란 영역을 정의하는 단계, (d2) 상기 Guinier 산란 영역의 기울기 값을 계산하는 단계 및 (d3) 상기 계산된 기울기 값을 그을음의 입자의 형태에 따른 이론적인 계산값과 비교하여 그을음의 입자의 형태를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 그래프는 영역 1 내지 4로 구분될 수 있다. 그 중 영역 2에서 산란 커브가 'ㄱ'자 모양으로 꺾이는 형태를 보이는데, 이를 Guinier 산란이라 한다. Guinier 산란영역은 산란벡터(Q) 값과 그래프의 형태를 보고 구분할 수 있다. 도출된 산란커브는, (d1) 단계에서 산란강도와 산란벡터의 피팅 그래프에서, 산란벡터(Q)의 값과 그래프의 형태로부터 Guinier 산란 영역을 정의한다.
그리고, (d2) 단계에서 Guinier 산란영역의 그래프 기울기 값을 계산한다. Guinier 산란 영역의 그래프의 형태 및 기울기를 분석하여 그을음의 입자의 모양 및 크기를 결정할 수 있는데, 도 3에 따르면, Guinier 영역의 Guinier 산란의 그래프 기울기의 절대값은 상기 식(2)의 s 값에 대응하며, 각각 0, 1 및 2의 값을 가진다. 이는 시료의 그을음 입자의 형태가 각각 구형, 긴 원통형 및 얇은 판상형임을 의미한다. 그을음 시료에서 측정된 산란커브의 Guinier 영역에서 그래프의 기울기를 계산하고 도 3의 이론적인 계산 값을 비교하여 그을음 시료의 입자 형태를 판단할 수 있다. 그을음 시료는 Guinier 산란영역의 그래프 기울기의 절대값인 s값이 0, 1 내지 2의 정수일 수 있다. s 값은 산란 강도와 산란벡터(Q)의 로그-로그(log-log)그래프에서, 입자의 모양을 나타내는 Guinier 영역의 특정 산란벡터(Q) 구간만을 멱 함수 (power law)로 피팅하여 기울기로 구할 수 있다. 다만, 그을음 시료의 입자가 다양한 형태로 혼합되어 있기 때문에, 기울기 값도 정수뿐만 아니라 실수일 수도 있는데, 예를 들어, 기울기의 절대값이 0.5일 경우, s 값이 0인 구형의 입자와 1인 원통형의 입자가 적절한 비율로 혼합되어 있거나 이 둘의 중간 모양을 의미할 수 있다. 이때, Guinier 영역의 특정 산란벡터(Q) 구간만을 멱 함수로 피팅하여 기울기의 절대값을 구하여 0 또는 1과 가까운 값으로 s의 값을 정할 수 있다. 따라서, 산란커브에서 Guinier 산란영역을 정의하고, Guinier 산란영역 그래프 기울기를 계산하여 그을음의 형태를 판단할 수 있다.
Guinier 산란영역의 그래프로부터 모든 형태의 입자를 판단하기는 쉽지않다. 따라서, (e) 단계에서, 산란커브의 Guinier-Porod 모델으로부터 그을음 입자의 회전반경(Rg)을 계산하고, (f) 단계에서 그을음 입자의 회전반경 및 그을음 입자의 형태로부터 탄소의 종류를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
산란커브의 Guinier 산란영역에서, 입자의 형태를 구분할 수 있으나, 입자의 형태만으로 그을음 입자에 포함된 탄소의 종류를 판단하는 것은 한계가 있다. 특히, 입자들이 작은 것부터 큰 것까지 연속적으로 존재하는 먹에서는 다량의 그을음을 사용함으로, 작은 입자와 작은 입자들이 다양한 크기 및 모양으로 로 엉겨(aggregate)있게 되어, 각각의 입자 모양 및 크기에 해당하는 평균적인 산란 곡선 모양이 산란벡터(Q)에 따라 나타난다. 따라서, Guinier-Porod 모델 피팅으로부터 구한 Guinier 산란영역의 기울기는 실제 측정값이 이론적인 계산값과 정확하게 일치하지 않고 수치가 범위 내의 실수로 측정되기 때문에, 회전반경(Rg)을 측정하고 이를 파라미터로 하여 탄소의 종류를 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (f) 단계는, 그을음 입자의 형태를 분석하여 판상형의 입자를 가진 시료를 구별하는 단계 및 그을음 입자의 회전반경을 비교하여 송연, 유연의 입자를 가진 시료를 구별하는 단계를 포함할 수 있다.
그을음 입자의 회전반경(Rg)과 그을음 입자의 형태로부터 탄소의 종류를 판단하는 단계는, 먼저, 그을음 입자의 형태로부터 판상형의 입자를 가진 시료를 구별할 수 있다. Guinier 산란영역의 그래프 기울기에서, 판상형의 입자를 가진 시료는 비교적 다른 시료와 구별되는 값을 가진다. 판상형의 입자를 가진 시료의 경우, Guinier 산란영역의 기울기의 절대값, 즉, s의 값이 2와 가까운 값을 가진다. 다른 구형의 입자 또는 원통형의 입자를 가진 시료의 경우, s의 값이 0 내지 1의 실수 범위에서 다양한 값을 가지기 때문에 쉽게 구별하는 것이 어렵다. 따라서, 그을음 시료에서 s의 값이 2와 가까운 시료를 판상형의 입자를 가진 시료로 구별할 수 있다. 탄소의 입자가 판상형일 경우 이는 광물성 탄소인 흑연을 의미한다. 즉, 시료에서 흑연을 원료로 하는 그을음 시료를 구별할 수 있다.
다음으로, 그을음 입자의 계산된 회전반경(Rg)을 비교하여 구형의 입자를 가진 시료와 원통형의 입자를 가진 시료를 구별할 수 있다. 회전반경(Rg)는 입자의 크기와 구조와 관련이 있는 파라미터이다. 구형의 입자의 경우 원통형의 입자와 비교할 때, s의 값은 유의미한 차이가 없을 수도 있으나, 회전반경(Rg) 값은 큰 차이를 가진다. 송연은 회전반경(Rg) 값이 유연보다 2배 가까이 큰 값을 가진다. 따라서, 회전반경(Rg)를 계산하여 값이 더 큰 시료는 송연 그을음을, 값이 작은 시료는 유연 그을음을 가지는 것으로 구별할 수 있다. 그을음 입자에 포함되어 있는 탄소의 입자가 모두 구형일 경우, 회전반경(Rg)를 비교하여 송연, 유연 시료를 구별할 수 있다. 송연은 입자가 크고, 유연은 그을음 입자가 작은 것은 잘 알려져있다. 한편, 회전반경(Rg)은 그을음 입자의 형태에 따라 하기의 식(6) 내지 (8)에 따라 입자의 크기를 계산할 수도 있다.
Figure 112017120015281-pat00015
그리고, 산란 커브로부터 아교의 양을 계산하는 단계인 (g) 단계는 산란 커브에서 비간섭산란(Incoherent scattering)영역을 정의하고, 비간섭산란(Incoherent scattering)영역에서 아교의 양을 계산할 수 있다.
도 3을 참조하면, 영역 4의 그래프에서 수평의 형태를 보이는데, 이 영역이 비간섭산란(Incoherent scattering)을 의미한다. 중성자가 시료와 비간섭산란을 하여 측정되는 수치인 background 산란은 산란벡터(Q)에 의존하지 않고, 입자 내에 포함되는 수소(H)의 양에 의존한다. 즉, 중성자강도를 절대값으로 변환하여 Incoherent 산란으로부터 시료에 포함된 아교의 양을 추정할 수 있다. 중성자 강도에 영향을 주는 측정 시간, 시료 두께, 물질에 대한 광원 투과율 등의 인자들을 보정하면 아교의 양과 관련된 산란을 확인할 수 있다. 먹 시료를 제조할 때, 탄소와 아교를 혼합하여 제조한다. 아교는 유기물로써 다량을 수소(H)를 포함하고 있는데, 수소에 의해 중성자가 비간섭산란을 일으킨다. 따라서, 영역 4의 비간섭산란의 강도로 아교의 양을 계산할 수 있다.
산란커브를 도출해 내면, 도 3과 같이 비간섭산란 영역인 영역 4를 정의한다. 그래프의 형태를 보면, 산란벡터(Q)의 값이 10-1의 값을 가지는 그래프 영역 부근에서 수평의 형태를 보이는 영역을 비간섭산란 영역이라 정의할 수 있다. 그리고, 비간섭산란 영역에서, 비간섭산란 영역의 산란강도인 I(Q)incoherent를 계산하여 그을음 입자에 포함된 아교의 양을 계산할 수 있다. I(Q)incoherent의 값이 크면 아교의 양이 많고, 작으면 아교의 양이 적은 것을 의미한다. 시료의 제조에 사용된 아교의 양을 알 수 있는 경우, I(Q)incoherent의 값으로부터 시료를 Calibration할 경우, 다른 시료의 상대적인 아교의 양도 계산할 수 있다.
따라서, 본 발명은 중성자 또는 x-선 극소각 산란을 이용하여 측정된 산란강도로부터 산란커브를 도출하고, 산란커브와 회전반경(Rg)로부터 그을음 입자에 포함된 탄소의 입자크기, 산란 커브의 Guinier 영역의 기울기, 그을음 입자의 모양과 형태로부터 먹에 사용된 그을음의 종류를 알 수 있으며, Incoherent 산란으로부터 혼합된 아교의 양을 추정할 수 있다.
실험예
이하에서는, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실험예에 따른 극소각 중성자 산란 및 소각 산란을 이용하여 그을음의 성분 분석에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실험예에 사용될 시료를 제조한다. 도 2는 본 발명의 일 실험예에 따른 그을음을 포함하는 먹 형태의 고체 시료를 나타내는 사진이다. 전통 먹은 먹에 사용된 원료에 따라 송연, 유연 및 광물성 먹으로 분류된다. 각각의 원료를 사용하여 200mm x 200mm x 0.3mm의 크기로 먹 시료를 제조하여 실험예 1, 실험예 2 및 실험예 3이라 지칭한다. 본 실험예에서는 시료를 먹의 고체상으로 제조하였으나, 이를 분말의 형태 또는 액체에 분산된 형태도 가능하다.
[비교예]
본 실험에 앞서, 도 3에 따른 탄소 입자의 형태 및 종류를 알고 있는 비교예에 대하여 설명한다. 탄소 입자에 의한 그을음의 형태가 구형, 긴 원통형 및 얇은 판상형의 형태를 갖는 먹 시료를 각각 비교예 1, 2 및 3으로 지칭한다. 각각의 시료의 이론적인 중성자 산란강도를 계산하여, 산란 벡터(Q)와 피팅하고 산란커브를 도출한다.
도 3을 참조하면, 상기 그래프는 영역 1 내지 4로 구분될 수 있다. 영역 1의 경우, 비교예 1, 2 및 3 모두 강한 산란 강도를 나타내는데, 이는 탄소 입자에 의한 그을음이 응집되어 엉겨(aggregation)있는 것을 의미한다.
영역 2는 피팅(fitting)그래프가 'ㄱ'자 모양으로 꺾이는 형태를 보이는데, 이를 Guinier 산란이라 한다. Guinier 산란영역의 그래프 형태 및 기울기를 분석하여 그을음 입자의 모양 및 크기를 결정할 수 있다. 도 3에 따르면, 영역 2의 Guinier 산란의 그래프 기울기가 각각 0, 1 및 2의 값을 가지는데, 이는 시료의 탄소 입자에 의한 그을음의 형태가 각각 구형, 긴 원통형 및 얇은 판상형임을 의미한다. 이를 기준으로, 실험예의 데이터에서 영역 2의 Guinier 산란 그래프 기울기를 계산하여 그을음의 형태를 예측할 수 있다.
영역 3은 그을음 입자와 그 주위의 계면 구조에 대한 정보를 나타내고, 영역 4는 비간섭산란(Incoherent scattering) 영역으로, 먹에 포함된 아교의 양을 나타낸다.
[실험예의 데이터 측정]
다음으로, 실험예 1, 2 및 3의 시료를 극소각산란 장치의 시료대에 시료 면이 중성자 빔(beam)에 직각이 되도록 설치하여, 중성자 극소각 산란강도를 측정하였다. 측정된 극소각산란의 산란 강도는 1차원 검출기에서 측정된 산란 강도를 그대로 사용하거나 (smeared intensity) 또는 검출기 모양을 보정하여 사용할 수 있는데, 본 실험예에서는 1차원 검출기 모양을 보정한(desmeared intensity)데이터를 사용하였다.
[표 1]은 본 발명의 실험예들의 극소각 산란 실험의 데이터 결과를 나타내는 표이다. 실험예 1, 2 및 3을 극소각 산란하여 산란강도를 측정하고, 이를 일련의 보정한 값으로 산란강도(I(Q))로 계산한다. 그리고, 상기 식(3) 및 식(4)에 따라 산란벡터(Q)와 산란강도(I(Q))를 피팅하여 산란커브를 도출하고 실험예들의 입자 형태를 분석한다.
[표 1]
Figure 112017120015281-pat00016
[실험예의 데이터 분석]
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실험예들에 따른 중성자 극소각 산란강도의 피팅(fitting)한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4 내지 도 6은 각각 실험예 1, 2 및 3의 피팅(fitting)한 그래프이다. 한편, 실험예 1, 2 및 3의 중성자 극소각 산란강도를 피팅하여 산란커브를 도출할 경우, 측정된 산란 강도를 측정시간, 시료 두께, 광원 투과율 등의 인자를 보정한 산란강도를 이용한다.
(1) 탄소에 의한 그을음 입자의 형태 분석
도 4를 참조하면, 송연을 원료로 제조한 먹 시료인 실험예 1은, Rg(회전 반경)이 408Å으로 측정되고, 산란커브의 Guinier 산란영역인 영역 2 에서의 기울기가 약 -0.13의 값을 가진다. 이를 통해, 실험예 1의 먹 시료는 입자의 형태가 구형 모양이거나 구형이 모여 다소 길쭉한 향태로 응집된 그을음임을 의미한다. Guinier 산란영역 이외의 영역, 즉 영역 3에서 중성자산란 강도에서 진동(oscillation)이 관찰되지 않은 것은 응집된 그을음의 크기가 넓게 분산(가우시안 분산도가 20% 이상)되어 있는 것을 의미한다. 특히 Guinier 산란영역에서 그래프의 형태가 'ㄱ'자로 꺾이는 형태의 이상적인 피팅(fitting)에서 다소 벗어나 있고, 그 산란강도가 꺾이는 범위가 넓은 특징을 보여준다.
도 5를 참조하면, 유연을 원료로 제조한 먹 시료인 실험예 2는 Rg(회전 반경)이 218Å으로 측정되고, 산란커브의 Guinier 산란영역인 영역 2에서의 기울기가 약 -0.09의 값을 가지나, 기울기가 0의 값을 가진 쪽으로 기울어진 것은 응집된 그을음 입자에 구형의 입자들이 형성된 것을 의미한다. Guinier 산란영역 이외의 중성자산란 강도에서 진동이 관찰되지 않은 것은 응집된 그을음의 크기가 넓게 분산되어 있는 것을 의미한다. 실험예 1에 비해 Guinier 산란영역에서 그래프의 형태가 비교적 'ㄱ'자로 명확히 구별되며, 이상적인 피팅(fitting)과 잘 맞는 것을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 광물성 탄소를 원료로 제조한 먹 시료인 실험예 3은 Rg(회전 반경)이 38Å으로 측정되고, 산란커브의 Guinier 산란영역인 영역 2에서의 기울기가 약 -2의 값을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 비교예 3과 비교할 때, 실험예 3은 전형적인 2차원 구조(즉, 얇은 판상형)의 입자를 형성하는 것을 의미한다. 즉, 실험예 3은 판상이면서 흑색의 광물성 안료인 흑연임을 의미한다. Guinier 산란영역 이외의 중성자산란 강도에서 진동이 관찰되지 않은 것은 흑연 입자의 두께와 크기가 넓게 분산되어 있는 것을 보여준다. Guinier 산란영역에서 그래프의 형태가 명확히 구별되고 이상적인 피팅(fitting)과 잘 맞는 것을 알 수 있다.
(2) 그을음 입자의 종류 분석
다음으로, 중성자 극소각 산란 측정실험 결과인 [표 1]에 나타난 회전반경(Rg) 값을 이용하여 그을음 입자의 종류 분석에 대하여 설명한다. 일반적으로 송연은 탄소 입자가 크고 거칠고, 유연은 입자가 작다. 그리고, 광물성 원료인 흑연은 판상의 형태를 가지고 있다.
상기 '(1) 탄소에 의한 그을음 입자의 형태 분석'에서, 그을음의 형태는 Guinier 산란영역의 그래프의 기울기로 구별할 수 있었다. Guinier 산란영역에서 그래프의 기울기의 절대값이 0인 경우는 그을음 입자의 형태가 구형, 1인 경우는 원통형(또는 바늘 모양), 2인 경우는 판상의 형태인 것을 알 수 있다. 따라서, 영역 2의 Guinier 산란영역에서 그래프의 기울기의 절대값이 2인 실험예 3은 먹의 원료가 판상형 그을음 입자를 가지는 광물성 탄소 흑연인 것을 알 수 있다.
한편, 탄소에 의해 형성되는 그을음 입자(또는 탄소 응집체)의 모양이 같은 경우는 회전 반경(Rg)이 큰 것을 송연, 작은 것을 유연으로 구별 할 수 있다. Guinier 산란영역에서 그래프의 기울기가 같은 경우는 회전반경(Rg)과 Guinier 산란 영역의 모양으로부터 송연과 유연을 구별할 수 있다. 일반적으로 송연의 그을음 입자가 유연의 그을음 입자(또는 응집체)처럼 작은 크기를 갖기는 어렵고 유연보다 입자 크기가 다양하다. 따라서, 구조의 크기와 연관있는 회전반경이 408Å 근처이면서 Guinier 산란 영역에서 그래프의 형상이 'ㄱ' 모양에서 벗어난 실험예 1이 송연, 이보다 회전반경(Rg)값이 2배정도 작으면서, 즉, 회전반경이 218Å의 값을 가지면서 Guinier 산란영역에서 그래프의 형상이 'ㄱ' 모양에 더 가까운 실험예 2는 유연임을 알 수 있다.
(3) 그을음에 혼합된 아교의 양 분석
다음으로, 중성자 극소각 산란 측정실험 결과인 [표 1]에 나타난 비간섭산란(I(Q)incoherent)값을 이용하여 그을음 입자에 혼합된 아교의 양 분석에 대하여 설명한다. 비간섭산란(Incoherent scattering)은 산란벡터(Q)에 의존하지 않고, 입자 내에 포함되는 수소(H)의 양에 의존한다. 먹에 사용되는 아교는 유기물로써, 다량의 수소를 포함하고 있고, 비간섭산란(Incoherent scattering)의 양이 높으면 아교가 많고, 양이 작으면 아교가 적은 것을 의미한다. [표 1]을 참조하면, 실험예 1, 2 및 3의 아교의 상대적인 양은 실험예 3이 가장 많고, 다음으로 실험예 2, 실험예 1 순서임을 알 수 있다. 이는, 산란커브의 비간섭산란영역인 영역 4에서도 알 수 있는데, 영역 4는 그을음 입자에 포함되는 아교의 양과 관련되어 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 영역 4의 중성자 산란 강도가 도 6의 실험예 3이 가장 크고, 도 4의 실험예 1이 가장 작은 것을 알 수 있다. 이는 [표 1]의 결과와 일치한다. 시료 먹의 초기 아교의 양을 알고, 이를 calibation을 수행하면 정량적인 아교의 양도 구하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른, 중성자 극소각 산란 및 소각 산란을 이용한 그을음의 성분 분석방법을 통해, 탄소에 의해 형성된 그을음의 형태 분석을 통해 그을음 입자의 종류를 알 수 있고, 혼합된 아교의 양을 계산하여 탄소에 의해 형성된 입자의 성분 분석이 가능하다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (7)

  1. 그을음의 종류 분석방법으로서,
    (a) 탄소 및 아교가 혼합된 그을음 시료를 준비하는 단계;
    (b) 상기 시료를 극소각 산란 장치를 이용하여 상기 시료의 산란 강도를 측정하는 단계;
    (c) 상기 측정된 산란 강도와 산란 벡터를 피팅(fitting)하여 산란 커브를 도출하는 단계;
    (d) 상기 산란 커브로부터 상기 그을음의 입자의 형태를 판단하는 단계;
    (e) 상기 산란 커브로부터 상기 그을음의 입자의 회전반경(Rg)을 계산하는 단계;
    (f) 상기 그을음의 입자의 회전반경 및 상기 그을음의 입자의 형태로부터 상기 탄소의 종류를 판단하는 단계 및
    (g) 상기 산란 커브로부터 상기 아교의 양을 추정하는 단계
    를 포함하고,
    (f) 단계는
    (f1) 상기 그을음의 입자의 형태로부터 판상형의 광물성 탄소를 구별하는 단계; 및
    (f2) 상기 그을음의 입자의 회전반경을 비교하여 상대적으로 큰 값을 송연 그을음으로, 상대적으로 작은 값을 유연 그을음으로 구별하는 단계
    를 포함하는 그을음의 종류 분석방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그을음 시료는 입자의 형태가 구형, 원통형 또는 판상형 중 적어도 어느 하나는 포함하는, 그을음의 종류 분석방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 산란 벡터(Q)는 하기의 식(1)에 의해 도출되는, 그을음의 종류 분석방법.
    식(1):
    Figure 112017120015281-pat00017

    (여기서, Q는 산란벡터, θ는 산란각도/2, λ는 극소각 산란 장치에 사용되는 광원의 파장)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 산란 커브는 상기 산란 강도 및 상기 산란 벡터를 하기의 식(2) 및 식(3)에 따라 피팅(fitting)하여 도출되는, 그을음의 종류 분석방법.
    식(2):
    Figure 112017120015281-pat00018

    식(3):
    Figure 112017120015281-pat00019

    (여기서, I(Q)는 산란강도, G는 Guinier 인자, D는 Porod 인자, Q는 산란벡터, Rg는 회전반경(Radius of Gyration), s는 0 내지 2의 정수의 값을 가지는 차원수, c는 Porod 상수, n, m은 각각 Guinier 지수 및 Porod 지수(Power law index), I(Q)incoherent는 비간섭산란(Incoherent scattering), Q1은 측정된 중성자 산란 곡선이 Guinier 산란 곡선과 Porod 산란 곡선에서 미분 가능한 연속성을 갖는 경우, 하기의 식(4) 및 식(5)의 조건을 만족시키는 Guinier 산란과 Porod 산란의 전이점.)
    식(4):
    Figure 112017120015281-pat00020

    식(5):
    Figure 112017120015281-pat00021

    (여기서,
    Figure 112017120015281-pat00022
    은 Guinier 산란 곡선,
    Figure 112017120015281-pat00023
    은 Porod 산란 곡선)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (d)단계는,
    (d1) 상기 산란 커브에서 Guinier 산란 영역을 정의하는 단계;
    (d2) 상기 Guinier 산란 영역의 기울기 값을 계산하는 단계; 및
    (d3) 상기 계산된 기울기 값을 그을음의 입자의 형태에 따른 이론적인 계산값과 비교하여 상기 그을음의 입자의 형태를 판단하는 단계
    를 포함하는, 그을음의 종류 분석방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (g) 단계에서, 상기 산란 커브에서 비간섭산란(Incoherent scattering) 영역을 정의하고, 상기 비간섭산란 영역의 비간섭산란 강도를 측정하여 상기 아교의 양을 계산하는, 그을음의 종류 분석방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 극소각 산란 장치는 광원이 중성자 또는 x-선(x-ray)인, 그을음의 종류 분석방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP7221536B2 (ja) * 2019-12-27 2023-02-14 株式会社リガク 散乱測定解析方法、散乱測定解析装置、及び散乱測定解析プログラム
KR102528011B1 (ko) * 2021-06-10 2023-04-28 서울대학교 산학협력단 공간적으로 분해된 소각 x선 산란을 이용한 탄소나노튜브 함유 복합재료의 탄소나노튜브 분산도 정량화 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JP2017003387A (ja) * 2015-06-09 2017-01-05 住友ゴム工業株式会社 高分子材料の内部構造の応答特性を評価する方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3029453B1 (en) * 2011-11-01 2018-11-14 Sumitomo Rubber Industries, Ltd. Method for evaluating rebound resilience of polymer material

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017003387A (ja) * 2015-06-09 2017-01-05 住友ゴム工業株式会社 高分子材料の内部構造の応答特性を評価する方法
KR101681290B1 (ko) 2015-07-27 2016-12-02 한국과학기술연구원 중성자 극소각 산란을 이용하여 비정질 금속의 균일도를 판단하는 방법 및 밀도를 측정하는 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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김만호. 세라믹 과학에 중성자과학 (중성자극소각산란(USANS)및 중성자소각산란(SANS))의 적용. 세라미스트. 2013. 9., 제16권, 제3호, pp80-88*

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