[논문자료] 비정질 파이로프의 저온 압축에 따른 구조 변화를 이용한 멀티 앤빌 프레스의 상온 압력-부하 보정

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지구 내부의 고압 환경을 실험실에서 재현하여 해당 환경에서 규산염 물질의 특성을 연구하는 것은 지진학을 기반으로 세워진 지구 내부 모델에 더해 지구를 이해하는데 필수적이다. 이러한 환경을 구현하기 위해서 사용하는 고압 실험 기기는 시료에 모든 방향에서 동일한 크기의 압력, 즉, 유체 정역학적인 (hydrostatic) 압력을 가하는 방법과 전단 변형력(shear stress)을 가하는 방법으로 나뉘어진다.

 

이 중 유체 정역학적인 압력을 가하는 실험 기기로 흔히 사용되는 멀티 앤빌 프레스(multi-anvil press, MAP)는, 약 2-140 mm3의 시료를 합성가능하며, 일반적으로 5-25 GPa의 압력 환경을 구현할 수 있어서 하부 맨틀의 상부에 해당하는 깊이(약 660 km)까지의 환경을 실험실에서 구현할 수 있도록 해준다(Bertka and Fei, 1997; Kim and Lee, 2018).

 

단축의 피스톤과 여러 개의 분리된 앤빌들을 통해서 시료에 유체 정역학적인 압력을 가하는 형식이 현재까지 이용되고 있으며(Liebermann, 2011), 최근 많이 이용되는 MAP는 6-8 타입으로, 단축의 유압 피스톤 사이에 6개의 1차 앤빌(first-stage anvil)과 8개의 2차 앤빌(second-stage anvil)이 시료에 유체 정역학적인 압력을 가하도록 설계되어 있다. 한편, MAP로 구현 가능한 최대 압력은 2차 앤빌로 사용되는 물질의 최대 전단 변형력으로 결정되는데, 일반적으로 많이 사용되는 텅스텐 카바이드(WC)는 앤빌은 최대 30 GPa의 압력 구현이 가능하며, 최근에는 소결 다이아 몬드(sintered diamond)를 앤빌로 이용하여 60-100 GPa까지 압력을 구현할 수 있게 되었다(Leinenweber et al., 2012; Ito, 2015; Yamazaki et al., 2019).

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO202211758831228

 

본 연구에서는 저온 압축에 따른 비정질 파이로프의 구조적인 변화를 27Al NMR 분광분석기법을 이용하여 조사하였다. 저온 상태에서 압축한 이후에 대기압 환경으로 감압하더라도 높은 압력 환경에서 형성된 고배위수의 알루미늄( [5,6]Al)은 사라지지 않고 남으며, 이를 통해 비정질 네트워크 구조의 영구적인 변화가 저온 압축에 따른 고밀도화의 기원이 됨을 확인하였다.

 

또한 저온 압축에 따른 알루미늄 배위 환경의 변화는 여오차함수 형태로 표현할 수 있으며, 본 연구에서는 이러한 관계를 이용하여 멀티 앤빌 프레스 장치의 상온에서의 압력-부하 보정을 수행하였다. 본 연구에서 이용한 방법은 상전이를 이용하는 기존의 방법과 달리 상온에서도 쉽게 적용이 가능하며, 또한 비정질 파이로프의 구조 변화가 발생하는 전이 영역 (5~12 GPa)의 넓은 압력 범위에 대해 효과적으로 적 용할 수 있다는 장점이 있다. 상온에서의 압력-부하 보정 곡선은 기존의 고온에서의 압력-부하 보정 곡선보다 같은 유압에서 더 낮은 압력을 시료에 전달하는 것으로 나타났다. 본 연구는 NMR분광분석을 이용하여 압력보정을 수행한 최초의 연구결과이며, 비정질 파이로프가 나타내는 압축-감압에 의한 비가 역적인 구조 변화를 통해 섭입대와 같은 저온-고압 환경에서 나타나는 해양 지각의 압축 변형 과정에 대 한 원자 단위에서의 기원을 추측할 수 있을 것이다.

 

 

정수압 프레스(Isotatic Press)의 사용분야 및 종류

정수압 프레스는 물리적인 힘을 유체(물)를 이용하여 동일한 모든 방향(전후·상하·좌우)에 균일한 힘이 전달되게 하는 원리를 이용한 것으로 내부 유체에 의해 발생된 압력으로 모든 면에 균일한 힘을 전달하는 것이 특징입니다. 정수압 프레스는 재료 공정에서 압축성형 및 적층성형, 식품공정에서는 살균 등에 사용되며 사용분야 및 목적, 온도사양에 따라 CIP, WIP, FIP 등의 다양한 종류로 구분합니다.

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