Molecular Level Understanding of Chemical Erosion on Graphite Surface using Molecular ... · 2016-05-02 · nozzle throat using molecular dynamics simulations. The present erosion

54 Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Vol. 19, No. 6, pp. 54-63, 2015

Nomenclature

Research Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2015.19.6.054

분자동역학을 이용한 그래파이트 표면에서의 화학적

삭마현상에 관한 분자 수준의 이해

Ramki Murugesan a ․ 박경락 a ․ Valery I. Levitas b ․ 양희성 c ․ 박재현 d, * ․ 하동성 e

Molecular Level Understanding of Chemical Erosion on

Graphite Surface using Molecular Dynamics Simulations

Ramki Murugesan a ․ Gyoung Lark Park a ․ Valery I. Levitas b ․ Heesung Yang c ․

Jae Hyun Park d, * ․ Dongsung Ha e

a Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University, Koreab Department of Aerospace Engineering, Iowa State University, USA

c Research Division, Seyeon Engineering and System, Koread Department of Aerospace and Software Engineering and Research Center for Aircraft Parts Technology,

Gyeongsang National University, Koreae The 4th R&D Institute, Agency for Defense Development, Korea

* Corresponding author. E-mail: [email protected]

ABSTRACT

We present a microscopic understanding of the chemical erosion due to combustion product on the

nozzle throat using molecular dynamics simulations. The present erosion process consists of

molecule-addition step and equilibrium step. First, either CO2 or H2O are introduced into the system

with high velocity to provoke the collision with graphite surface. Then, the equilibrium simulation is

followed. The collision-included dissociation and its influence on the erosion is emphasized and the

present molecular observations are compared with the macroscopic chemical reaction model.

초 록

본 연구에서는 고온/고압의 연소가스에 의해 야기되는 노즐목 삭마현상의 분자수준 메커니즘을 분자

동역학 시뮬레이션을 이용하여 관찰한다. 노즐목은 두 개의 그래핀으로 구성된 그래파이트로 모델링하

고 분자동역학 시뮬레이션은 충분한 속도를 가지고 그래파이트에 충돌하는 H2O 분자와 CO2 분자가

지속적으로 생성되는 과정과 평형상태의 시뮬레이션으로 구성된다. 반응을 모사할 수 있는 ReaxFF 포

텐셜을 사용하며, 충돌에 의해 야기되는 H2O 및 CO2 분자의 해리와 화학적 삭마와의 관계에 중점을

두고 관찰하고자 하며, 거시적인 관찰결과들과 비교하고자 한다.

Key Words: Chemical Erosion(화학적 삭마), Graphite(그래파이트), Molecular Dynamics Simulation

(분자동역학시뮬레이션), Molecular Dissociation(분자해리), Collision-Induced Erosion

(직접타격 삭마)

Received 25 September 2015 / Revised 4 November 2015 / Accepted 10 November 2015Copyright Ⓒ The Korean Society of Propulsion EngineerspISSN 1226-6027 / eISSN 2288-4548

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org /licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

제19권 제6호 2015. 12.분자동역학을 이용한 그래파이트 표면에서의 화학적

삭마현상에 관한 분자 수준의 이해55

: pre-exponential factor

: temperature exponent

C(s) : carbon atom in solid phase

: activation energy

: universal gas constant, 8.314 J/mol‧K

: temperature

1. 서 론

고체로켓엔진은 구조가 간단하고 발사신속성

이 뛰어날 뿐만 아니라 액체로켓추진기관에 비

해 신뢰도도 높은 반면 가격도 저렴하기 때문에

유도무기의 추진기관, 위성발사체용 부스터로 많

이 사용되고 있다[1]. Fig. 1에 나타난 바와 같이

고체로켓은 여러 가지 부분품으로 구성되어 있

는데, 이 중 노즐은 연소실에서 생성된 연소가스

를 팽창시켜 열에너지를 운동에너지로 효율적으

로 변환시킴으로써 비행체에 추력을 공급하는

기능을 담당하는 부분으로 추진기관의 성능과

직결된다. 특히, 노즐목 부분은 직접적으로 분출

가스의 유량을 통제하는 부분으로 추진기관 성

능과 가장 밀접한 관계가 있는 부분으로, 비행

중 추진기관이 일정한 성능을 유지하기 위해서

는 비행 중에도 설계당시와 동일한 노즐목의 형

상 유지가 요구된다. 이를 위하여 고온/고압의

사출가스를 경험하는 노즐목은 많은 경우 고온/

고압 환경에서 매우 안정적이라고 알려진 탄소/

탄소 복합재를 이용하여 제작된다. 하지만 노즐

목이 경험하는 극심한 고온/고압 환경은 노즐목

에서의 삭마(erosion)를 피할 수 없게 하며, 추력

향상을 위해 고체연료에 포함되는 입자연료(주로

알루미늄) 등은 산화 후 노즐을 통해 외부로 사

출되면서 노즐목과의 직접 충돌하여 이로 인해

전체적인 삭마는 증가한다. 따라서 노즐목에서의

삭마현상을 정확하게 모델링하는 것은 고체로켓

의 성능을 정확하게 예측하는 필수적인 요소로

인식되어 많은 연구들이 있어 왔으며, 주로 실험

결과를 이용하여 화학적 삭마에 대한 거시적인

메커니즘에 대한 연구가 수행되어 왔다[2,3]. 하

지만 분자 수준의 미시적인 메커니즘을 이해하

기 위한 연구는 거의 수행된 적이 없다.

노즐목에서의 삭마는 뜨거운 분출가스가 노즐

목 표면과 화학적으로 반응하여 표면이 깎여 나

가는 화학적 삭마(chemical erosion)와 연소가스

에 포함된 입자의 직접적인 충돌 또는 연소가스

의 전단력에 의해 표면이 깎여 나가는 기계적

삭마(mechanical erosion)로 나누어진다[4,5]. 화

학적 삭마는 뜨거운 분출가스의 대부분을 구성

하고 있는 이산화탄소와 물분자가 탄소원자들로

구성된 노즐목 표면과 반응하는 것으로 주요 반

응식은 다음과 같은 것으로 알려져 있다[4].

C(s) + H2O → CO + H2 (a)

C(s) + CO2 → 2C (b)

C(s) + OH → CO + H (c)

(1)

Table 1에 나타난 바와 같이 각 화학반응의

반응률 은 H2O, CO2, OH의 부분압( )과 반응

상수( )의 곱으로 주어지며 반응상수는 다음과

같이 Arrhenius 식으로 표현된다.

exp (2)

Table 1에 따르면 Eq. 1(b)와 Eq. 1(c) 반응에

비하여 Eq. 1(a) 반응은 동일한 조건에서 100배

이상 빠른 속도로 진행됨을 보여주고 있으며, 이

는 화학적 삭마의 대부분이 물분자에 의해서 야

Fig. 1 Schematic of solid-propellant rocket.

56Ramki Murugesan ․ 박경락 ․ Valery I. Levitas ․

양희성 ․ 박재현 ․ 하동성한국추진공학회지

기됨을 의미한다. 산소 원자의 탄소에 대한 반응

성이 매우 강하다는 사실[6]을 고려하면 이는 상

당히 흥미로운 현상인데, 물분자는 산소원자를

한 개를 가지고 있는 것에 반하여 이산화탄소분

자는 산소원자를 두 개를 가지고 있어 분자들의

해리가 일어나는 경우 이산화탄소가 내어놓을

수 있는 산소원자의 수가 더 많아 반응성이 더

높을 것으로 예상되기 때문이다.

본 연구에서는 화학적 삭마의 메커니즘을 분

자동역학(molecular dynamics, MD) 시뮬레이션

을 이용하여 분자수준에서 살펴보고자 한다. 앞

서 살펴본 바와 같이 현재까지의 화학적 삭마

메커니즘에 대한 연구는 대부분 거시수준의 방

법을 사용하여 수행되었으며, 본 연구는 분자동

역학을 이용하여 화학적 삭마에 대한 연구를 수

행한 첫 번째 사례이며, 삭마현상에 대한 근본적

인 이해를 가능하게 할 것이다. 본 논문의 구성

은 다음과 같다. 2장에서는 본 연구에 사용된

ReaxFF 포텐셜에 대해서 간단히 기술하였다. 3

장에서는 화학적 삭마를 분자수준에서 모사하기

위하여 도입한 본 연구의 시스템과 분자동역학

시뮬레이션 기법에 대해서 기술하였다. 4장과 5

장에서는 삭마현상에 대한 분자동역학시뮬레이

션 결과들과 그에 관한 토의를 기술하였으며, 마

지막으로 6장에서는 3, 4, 5장의 연구결과들을

요약하고, 향후 연구에 대한 몇 가지 아이디어들

을 제시하였다.

2. ReaxFF 포텐셜

화학반응을 수반하는 분자동역학시뮬레이션을

수행하기 위해서는 기존의 고전적인 분자동역학

시뮬레이션 대신 화학반응을 고려할 수 있는 포

텐셜을 사용하여야 한다. 본 연구에서는 칼텍의

Goddard 그룹에서 개발된 ReaxFF 포텐셜을 사

용한다[7]. ReaxFF 포텐셜은 다양한 경우에 적용

되어 검증되고 파라미터들이 개발되었는데, 특히

탄화수소 연소현상에 대한 파라미터도 개발되어

있다[8]. ReaxFF에서 시스템의 포텐셜 은

다음과 같이 주어진다.

(3)

위 식에서 는 결합에너지, 는 원자주변

의 고립전자쌍에 의한 고립전자쌍 에너지, 는

주어진 원자쌍에 대한 굽힙에너지를 의미하며

각각 다음과 같이 주어진다.

⋅

⋅exp

⋅

⋅

(4)

exp⋅

⋅

(5)

⋅⋅⋅ exp

(6)

ReaxFF는 원자주변의 전자들의 수가 평형상태

의 경우와 다른 경우에 대한 보정에너지항을 포

함하고 있는데, 와 이다. 은 과포

화배위상태(over-coordination)를 의미하며, 결합

전자수와 주변원자들과의 결합차수(bond order)

의 차이가 0보다 큰 경우로 정의된다. 반대로 결

합차수가 결합전자수 보다 작은 경우에는 불포

화배위상태이며 만큼의 보정이 요구된다.

Surface Reaction , kcal/mol , kg/(m2‧s)

C(s) + H2O → CO + H2 4.8×105 kg/(m2‧s‧atm0.5) 0.0 68.8

C(s) + CO2 → 2CO 9.0×103 kg/(m2‧s‧atm0.5) 0.0 68.1

C(s) + OH → CO + H 3.61×102 kg‧K0.5/(m2‧s‧atm) -0.5 0.00

Table 1. Kinetic data for heterogeneous surface reactions[2-4].



와 은 각각 아래에 주어져 있다.

⋅⋅

⋅

⋅exp⋅

(7)

⋅exp⋅

exp⋅

⋅

⋅

(8)

탄화수소 중 알켄(alkene)과 같이 두 개의 이

중결합이 최외각전자를 공유하는 경우 시스템의

안정성을 표현할 수 있는 에너지 항이 필요하며

이를 penalty 에너지 로 고려하였다. 그리고

탄화수소 계열의 분자들에서 일어나는 공액탄화

수소(conjugated hydrocarbon) 현상을 포함하기

위하여 항을 도입하였다. 이 값은 네 개의

원자들에 의한 공액(conjugation)을 표현하는 항

이지만 탄화수소 분자들의 공액을 표현하기에는

충분한 것으로 알려져 있다. 그 외에 비틀림각에

의한 에너지를 표현하는 비틀림 에너지 와

분자들 사이에 존재할 수 있는 수소결합에 대한

에너지 또한 포함하고 있다. 위에서 설명

한 에너지들에 대한 관계식들은 다음에 주어져

있다.

⋅ ⋅exp⋅

⋅exp⋅

(9)

⋅cot⋅cos ⋅sin⋅sin

(10)

⋅sin⋅sin

⋅

⋅cos

⋅cos

⋅exp⋅

⋅cos

(11)

⋅exp⋅

⋅exp

⋅sin

(12)

또한 ReaxFF 포텐셜은 두 개의 탄소원자에 의

한 C2 분자의 에너지를 고려할 수 있도록 를

도입하며, 일산화탄소의 삼중결합을 모사할 수

있도록 항을 도입한다.

∙ ∙

i f ∆ ∙∆

i f ∙ ≤

(13)

exp

⋅⋅exp

⋅exp

≠

exp

≠

(14)

마지막으로 비결합(non-bonded) 포텐셜인 반

데르발스(van der Waals) 포텐셜 과 쿨롱

포텐셜 은 다음과 같이 표현된다.

⋅⋅exp

∙

⋅exp

⋅⋅

(15)

⋅⋅

⋅(16)

위의 Eq. 13-16에 나타난 파라미터들은 참고문

헌 [7,8]에 자세히 설명되어 있다.

3. 시뮬레이션시스템 및 MD 기법

본 연구에서는 탄소/탄소 노즐목의 화학적 삭



Fig. 2 Schematic of MD simulation for H2O addition.

The H2O molecules are formed in specified

region with negative z-velocity. Top boundary

of simulation box is bounded by a reflecting

wall to avoid the loss of particles.

마현상을 분자동역학기법을 사용하여 시뮬레이

션하기 위하여 Fig. 2에 주어진 바와 같이 x-방

향 길이와 y-방향 길이가 각각 = 3.4386 nm

와 = 3.4040 nm 인 그래핀 2장으로 구성된

이중층(2-layer) 그래파이트를 고려하였다. 본 연

구에서는 그래핀과 그래파이트의 용어를 구별하

여 사용하였으며, 육각의 탄소원자 링이 반복되

는 단일층 구조를 그래핀, 그리고 2개 이상의 그

래핀이 모여 층을 이룬 구조를 그래파이트로 구

별하여 기술하였다. 화학적인 삭마는 가장 바깥

쪽을 구성하는 위쪽의 그래핀에서만 일어나며

아래쪽의 그래핀은 위쪽 그래핀을 지지하고 그

래파이트의 물리적인 성질과 삭마현상에서 노즐

목 표면 온도를 할당해 주기 위한 구실만을 수

행한다. 본 연구에서 노즐목 표면 온도는 1000

K로 설정하였으며, 이는 아래쪽 그래핀의 온도

를 1000 K로 유지함을 의미한다.

계산영역(simulation box)의 z-방향의 길이는

= 10 nm으로 설정되었다. x-방향과 y-방향으

로는 주기적인 경계조건(periodic boundary

condition)을 사용하였으므로 무한대의 면적을

가진 그래파이트를 대표한다고 볼 수 있다. 무한

대의 면적을 이렇게 작은 크기의 시스템으로 대

표하는 경우 사이징 효과에 의해서 시뮬레이션

에 사용된 그래파이트의 강성이 실제보다 더욱

크게 나타날 수 있는데 본 연구에서는 그러한

것을 방지하기 위하여 Srinivasan and van Duin

[6]을 참고하여 아래쪽 그래핀 아래에 4개의 고

정된 원자들을 배치하고 그 원자들과 그래핀 사

이에 스프링 상수를 도입하여 연결하였다. 이렇

게 함으로써 그래파이트의 연성은 그대로 유지

하면서(over-rigidity 현상은 피하면서) 시스템의

flying icecube[9]는 피할 수 있다. 각각의 그래핀

은 448개의 탄소원자로 구성되어 있으며 총 그

래파이트를 구성하는 탄소원자수는 896개다. 그

래파이트는 아래쪽 그래파이트의 위치가 z = 3

nm이 되도록 위치시켰으며 z = 10 nm 인 곳에

는 반사벽면(reflected wall)을 위치시켜서 원자

들이 시스템의 외부로 유출되는 것을 방지하였

다.

본 연구의 분자동역학 시뮬레이션에 사용된

시간간격은 Δt = 0.1 fs이며, Verlet 알고리즘을

사용하여 속도를 적분하였다. H2O분자의 경우,

매번 1000번째 step 마다 하나씩 7.9 nm < z <

8.3 nm의 영역에서 z-방향으로 0.12 Å/fs의 속

도를 가지고 입사된다. 이 과정은 100 개의 H2O

분자 또는 CO2분자가 유입될 때까지 반복되었

다. CO2의 경우에는 H2O분자와 동일한 운동에

너지를 가지도록 생성되는 CO2분자에 H2O분자

속도의 만큼의 속도를 할당하였으며, 분자들이 생성되는 위치도 H2O분자와

동일한 시각에 그래파이트 표면에 충돌하도록

5.9 nm < z < 6.3 nm에서 생성되었다. 100 개

의 분자들이 유입되기까지는 10 ps의 시간이 걸

리며, 10 ps 이후에는 더 이상의 입자유입 없이

100000번의 시간간격동안 시뮬레이션을 계속하

였다(평형 단계).

분자동역학 시뮬레이션에서 다루는 영역은 현

실적으로 나노미터 길이, 나노초 정도의 시간스

케일이며, 마이크로초 이상의 특성시간 및 마이

크로미터 이상의 특성길이를 가진 현상의 분자

수준 메카니즘을 분자동역학을 이용하여 이해하

기 위해서는 물리적인 요소들은 유지하면서도

현상을 가속화할 수 있는 적절한 기법을 도입하

는 것이 요구된다. 이를 위하여 본 연구에서는

주입되는 분자에 높은 속도 0.12 Å/fs를 할당하



Fig. 3 Dissociation of H2O molecule into H and OH

due to the collision with graphene surface.

The red ball indicates oxygen atom while the

white one represents hydrogen atom.

였다. 이는 비록 분자 하나의 온도로는 106 K에

해당되는 온도이지만, 기체장의 온도는 기체분자

의 평균속도에 의해 결정되지 하나의 분자의 온

도에 의해 좌우되지 않는다는 점을 고려할 때

충분히 물리적인 의미를 가진 가속화 기법으로

사료된다.

삭마현상이 일어나는 노즐목 표면의 온도는

상당히 고온이다. 본 연구에서는 삭마현상이 일

어나는 노즐목 표면의 온도가 1000 K라고 가정

하였다. 분자동역학시뮬레이션에서는 삭마가 일

어나는 첫 번째 그래핀 내부에서는 탄소원자의

움직임에 대한 어떠한 제한도 없는 NVE 앙상블

을 사용하여야 하므로 이러한 온도효과는 아래

쪽에 위치한 그래핀에 적용하여야 한다. 본 연구

에서는 아래쪽 그래핀에 NVT 앙상블을 사용하

여 온도를 1000 K로 유지하였다. Thermostat은

Berendsen thermostat[10]을 사용하였으며, time

constant 는 0.1 ps를 적용하였다[8].

본 연구에서 분자동역학시뮬레이션을 위해 사

용한 소프트웨어는 미국의 샌디아 국립연구소에

서 개발된 LAMMPS(Large-scale Atomic/

Molecular Massively Parallel Simulator)[11]이

며, Xeon 프로세서 E5 2699 v3를 CPU로 탑재한

워크스테이션에서 수행되었다.

4. 분자유입단계

4.1 H2O분자 유입 MD 시뮬레이션

본 연구의 분자동역학 시뮬레이션에 따르면

Fig. 4 Molecular Configuration at t = 4.0 ps. The

marked oxygens (dashed red) and the

marked hydrogen (dashed white) are attached

on the surface.

H2O분자가 그래파이트 표면과 충돌하는 경우

물분자가 그 충격에 의해 해리되어 OH는 그래

핀 표면과 결합을 형성하고, H기는 그래핀 표면

에서 반사된다(Fig. 3 참조). 그래핀 표면과 결합

한 OH는 H가 추가적으로 더 해리되어 그래핀

표면에 산소원자만 그래핀의 탄소원자와 결합한

상태로 존재한다. 해리된 수소원자는 수소원자들

끼리 결합하여 수소분자를 형성하는 경우도 있

지만, 많은 경우 수소원자가 그래핀 표면에 흡착

된다(Fig. 4 참조). 흡착된 수소원자는 H2O분자

와의 충돌이나 그래핀 자체의 요동에 의해서 그

래핀 표면에 생성되는 구멍이나 어긋난

(dislocation) 탄소원자의 불포화 결합(dangling

bond)를 부동화(passivation)하여 그래핀 표면의

결합(defect)을 안정화한다. 해리된 OH는 그래핀

표면에 흡착될 뿐만 아니라 표면으로부터 이탈

하기도 하여, Fig. 5에 보이는 바와 같이 상당히

많은 OH가 기체상에 존재하게 된다. 기체 중의

OH들은 다시 그래핀 표면과 충돌을 통해 반응

하며 다시 흡착되기도 한다. 흡착된 OH의 산소

원자는 첫 번째 그래핀 층에 위치한 탄소원자와

매우 강한 결합을 형성하며, 탄소원자의 원자진

동(atomic vibration)과는 다른 특성을 가지며 진

동하게 되어 OH가 결합된 영역을 중심으로 추

가적인 결함(defect)이나 어긋나기(dislocation)를

그래핀 표면에 야기한다.

4.2 CO2분자 유입 MD 시뮬레이션

이산화탄소분자의 경우에는 Fig. 6에서 나타난



Fig. 5 OH groups in simulation box at the end of

addition stage. Other molecules are made

invisible for convenience. A hole near OH

group is also observed.

Fig. 6. Reflection of CO2 molecules. CO2 A is in the

reflecting process while CO2 B is in the

incident stage. The cyan balls indicates the

carbon atoms in CO2 initially.

바와 같이 충돌이 일어나더라도 탄소와 산소 사

이의 강한 이중결합 때문에 분자의 해리가 잘

일어나지 않고, 이산화탄소의 형상을 유지한 상

태로 그래핀 표면에서 반사된다.

5. 평 형 단 계

5.1 H2O―그래파이트 평형MD 시뮬레이션

앞서 설명한 바와 같이 10 ps 이후에는 분자

가 더 이상 생성되지 않고, 유입된 100개의 기체

분자와 2개의 그래핀 층으로 구성된 그래파이트

를 포함한 평형상태(equilibrium state) 시뮬레이

션을 10 ps 동안 수행하였다. 본 연구에서 평형

상태란 다른 외력이 존재하지 않는 경우를 의미

한다. 평형상태 시뮬레이션 동안에도 H2O 및

CO2분자는 그래파이트 표면과 지속적으로 충돌

/반사를 반복한다. 실제로 그래핀 표면에서의 반

응은 기체분자들로부터 에너지가 충분히 전달되

어 반응의 활성화에너지장벽(activation energy

barrier)을 넘어야 하므로, 실제적인 삭마는 평형

단계에서 일어난다. Fig. 7은 H2O분자에 대한 평

형상태 시뮬레이션 결과를 보여준다. 평형상태가

시작되는 시점인 t = 10 ps에서는 그래핀으로부

터 떨어진 탄소원자가 전혀 존재하지 않는다. 하

지만, 시간이 t = 12, 14, 15, 17, 20 ps로 진행됨

에 따라, 점점 더 많은 양의 탄소원자들이 그래

핀에서 떨어져 나온다. 이때 그래핀으로부터 탄

소원자가 떨어지는 영역은 산소원자 또는 OH기

가 결합되어 있는 지역으로 앞서 언급한 바와

같이 OH와 탄소원자 사이의 상이한 진동특성이

이를 야기한다. Fig. 7에서는 이러한 현상을 대

비적으로 관찰하기 위하여 각각의 time-step에서

탄소원자만으로 그린 그림과 H2O분자까지 포함

한 그림을 함께 표현하였다.

5.2 CO2―그래파이트 평형MD 시뮬레이션

CO2분자는 평형단계에서도 그래파이트 표면에

삭마를 거의 야기하지 못하며 100,000 단계 즉

10 ps 동안 단 1개의 탄소만이 CO를 형성하면

서 그래핀에서 이탈된다. 5.1절의 내용과 비교할

때 H2O분자의 경우에는 H2O분자에서 해리되어

생성되는 OH와 탄소원자 사이의 화학반응에 의

하여 그래파이트 표면에서 쉽게 삭마를 야기하

는 반면에, CO2의 경우에는 CO2 자체의 결합이

매우 강해서 기계적인 삭마와 유사하게 직접적

인 타격에 의해서만 삭마를 야기할 수 있다. 하



지만, 이산화탄소의 크기 및 속도가 기계적인 삭

마를 야기하기에는 충분하지 않으므로, 삭마가

잘 생성되지 않는 것으로 생각할 수 있다. 따라

서 이러한 분자동역학 시뮬레이션 결과는 Table

1에서 H2O분자-그래파이트 화학반응 계수가 100

배 정도 크다는 거시적인 관찰결과와 일치하는

결과로 사료된다.

6. 결 론

본 연구에서는 고온/고압의 연소가스에 의해

야기되는 노즐목 삭마현상의 분자수준 메커니즘

을 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 관찰하였

다. 노즐목은 2-layer 그래파이트로 모델링하였으

며 그래파이트의 온도는 NVT 앙상블을 이용하

여 아래쪽 그래핀의 온도를 1000 K로 유지하는

방법을 통하여 1000 K로 유지하였다. 이에 반해

위쪽 그래핀은 NVE 앙상블이 적용되어 삭마에

의해 야기된 탄소원자의 이탈(detachment)을 모

사하였다. 연소가스의 주성분인 CO2와 H2O는

10 ps 동안 그래파이트 표면에서 일정한 높이가

떨어진 거리에서 생성되어 그래핀의 표면으로

입사되었다. 100개의 분자들이 입사된 이후의 시

스템은 외부교란 없이 다시 10 ps 동안 평형상

태 시뮬레이션을 수행하였다. 분자동역학 시뮬레

이션에 의하면 H2O분자는 그래핀과 충돌하여 H

와 OH로 해리되며, OH는 산소원자의 반응성

Fig. 7 Visualization of MD simulation for H2O-graphite equilibrium stage. At each time step, in the left plot only

the carbon atoms are presented while in the right plot all the participating atoms are shown together. The

marked carbon atoms with dashed red circle indicates the atoms detached from the graphene surface.



때문에 쉽게 그래핀과 결합한다. 결합된 OH는

주변의 탄소원자와 다른 원자진동 특성을 가지

므로, 탄소원자가 그래핀에서 쉽게 떨어져 나가

도록 한다. 해리된 H원자 또한 그래핀에서 생성

되는 불포화 결합을 부동화하여 그래핀의 특징

적인 자기치유(self-healing) 현상이 일어나는 것

을 방지한다. 이와는 달리 CO2분자는 C와 O 사

이의 이중결합이 매우 강하여 그래핀과 충돌하

더라도 해리가 일어나지 않는다. 대신 CO2는 분

자자체의 모멘텀에 의한 직접타격으로 삭마를

야기하는데, H2O가 야기하는 반응성 삭마에 비

해 그 효과가 매우 적다. 최종적으로 한 개의 탄

소원자만이 그래핀에서 떨어지는데, 이를 열유속

을 삭마율로 나눈 값으로 표현하면 대략 1.53

×10-3 m3/MW‧s에 해당된다. 분자동역학으로 관

찰된 이러한 분자수준의 메커니즘은 “탄소 재질

의 삭마는 대부분 H2O와 그래핀의 탄소원자와

의 반응에 의해 일어난다”는 거시적인 관찰결과

와 매우 잘 일치한다. 본 연구는 노즐목에서 일

어나는 화학적인 삭마현상을 분자동역학을 이용

하여 분자수준에서 이해하고자 하는 첫 번째 시

도로, 우선 고온의 반응열유동장 효과를 무시할

수 있을 정도로 낮은 온도의 고온 한계인 1000

K를 선택하여 해석을 수행하였으며 실제 노즐목

에 근사한 온도인 2000 ~ 3000 K의 표면온도를

고려한 분자동역학 해석연구가 수행 중이다. 이

와 함께 분자수준의 정보에서 거시적인 정량 물

성치를 획득하기 위한 연구 또한 진행 중이다.

후 기

이 논문은 국방과학기술원(ADD)의 지원을 받

아 수행된 연구이며, 이에 감사드립니다.

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Vol. 19, No. 6 Dec. 1, 2015

Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers

RESEARCH PAPERS

1. Zero-Dimensional Modeling of Plasma Generator in Electrothermal GunKyoungjin Kim, Joong-Youn Park ----- 1

2. Performance Requirement Analysis and Weight Estimation of Reusable Launch Vehicle using Rocket basedAir-breathing Engine

Kyung-Jae Lee, ? Inyoung Yang, Yang-Ji Lee, Chun-Taek Kim, Soo-Seok Yang ----- 10

3. Study on Flow Analysis of Hot Gas Valve with PintleKyungwook Lee, Seonuk Heo, Sejin Kwon, Jongkwang Lee----- 19

4. Evaluation of Crack Resistance Properties on Particulate Reinforced Composite Propellant using DigitalImage Correlation

Seonghyeon Na, Hoonseok Choi, Kwangkeun Oh, Jaehoon Kim ----- 26

5. Design Study of a Dual-Mode Ramjet Engine with Large Backward-Facing StepInyoung Yang, Yang-ji Lee, Kyung-jae Lee ----- 33

6. Prediction of the Mechanical Erosion Rate Decrement for Carbon-Composite Nozzle by using the Nano-SizeAdditive Aluminum Particle

Prashant Tarey, Jaiho Kim, Valeny I. Levitas, Dongsung Ha, Jaehyun Park, Heesung Yang ----- 42

7. Molecular Level Understanding of Chemical Erosion on Graphite Surface using Molecular DynamicsSimulationsRamki Murugesan, Gyoung Lark Park, Valery I. Levitas, Heesung Yang, Jae Hyun Park, Dong Sung Ha ----- 54

TECHNICAL PAPERS

8. Developing Trends of Spinning Process for Manufacturing Thrust Chamber of Launch VehicleKeumoh Lee, Chulsung Ryu, Hwanseok Choi, Seongchan Heo, Junyoung Kwak, Younho Choi ----- 64

9. A Study of the Boron Combustion for the Purpose of the Application for the Ramjet FuelTae Ho Lee, Chang-Hoan Lee ----- 72

10. A Study on the Hypersonic Air-breathing Engine Ground Test Facility Composition and CharacteristicsYang-Ji Lee, Sang-Hun Kang, Soo-Seok Yang ----- 81

11. A Study on the Mechanical Properties Optimization of Solid PropellantYongkyu Choi, Taeha Ryu, Nakhyun Kim, Jeongeun Kim ----- 91

12. Thrust Estimation Acting on Rotor for Liquid Rocket EngineDae-Jin Kim, Chang-Ho Choi ----- 98

■ 硏究論文1. 전열포 플라즈마 생성장치의 영차원 해석모델

김경진, 박중윤 …………………………………………………………………………………………………… 1

2. 로켓기반 공기흡입추진 엔진이 적용된 재사용 발사체의 요구 성능 및 중량 분석이경재, 양인영, 이양지, 김춘택, 양수석 …………………………………………………………………… 10

3. 핀틀이 적용된 고온 가스 밸브 유동장 해석 기법에 관한 연구이경욱, 허선욱, 권세진, 이종광 ……………………………………………………………………………… 19

4. DIC에 의한 입자강화 복합재 추진제의 균열저항 특성평가나성현, 최훈석, 오광근, 김재훈 ……………………………………………………………………………… 26

5. 큰 후향 계단이 있는 이중 모드 램젯 엔진의 설계 연구양인영, 이양지, 이경재 ………………………………………………………………………………………… 33

6. 나노 알루미늄 입자 첨가 추진제에 의한 탄소복합재 노즐의 기계적 삭마 감소 특성 예측Prashant Tarey, 김재호, Valery I. Levitas, 하동성, 박재현, 양희성 ………………………………… 42

7. 분자동역학을 이용한 그래파이트 표면에서의 화학적 삭마현상에 관한 분자 수준의 이해Ramki Murugesan, 박경락, Valery I. Levitas, 양희성, 박재현, 하동성 ……………………………… 54

■ 技術論文8. 발사체 연소기 제작에서 스피닝 공정 개발 동향

이금오, 유철성, 최환석, 허성찬, 곽준영, 최윤호 …………………………………………………………… 64

9. 램제트 연료 적용을 위한 보론의 연소에 대한 고찰이태호, 이창환 …………………………………………………………………………………………………… 72

10. 극초음속 공기흡입식 추진기관 지상 시험설비의 구성 및 특성에 관한 연구이양지, 강상훈, 양수석 ………………………………………………………………………………………… 81

11. 고체 추진제의 기계물성 최적화 연구최용규, 류태하, 김낙현, 김정은 ……………………………………………………………………………… 91

12. 액체로켓엔진용 산화제펌프 회전체의 하중 예측김대진, 최창호 …………………………………………………………………………………………………… 98

한국추진공학회지Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers

제19권 제6호 (Volume 19, Number 6)2015년 12월 1일 (December 1, 2015)

ISSN 1226-6027(Print) ISSN 2288-4548(Online)

한국추진공학회지

제

권

제

호6

19

2015·12

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Molecular Level Understanding of Chemical Erosion on Graphite Surface using Molecular ... · 2016-05-02 · nozzle throat using molecular dynamics simulations. The present erosion