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[국립창원대] 2025 신진교원 연구지원 사업

연구 책임자

2025

 본 연구는 전기 자극에 반응하여 탈착이 가능한 기능성 복합소재(Debonding-on-Demand, DOD)를 개발하고, 해당 소재의 탈착 거동을 분자 규모(Molecular Dynamics, MD 시뮬레이션)부터 구조 부품 수준(Finite Element Method, FEM 해석 및 실험)에 이르기까지 멀티스케일 분석을 통해 규명하는 것을 목표로 한다. 특히, 전기 자극에 반응하는 에폭시 기반의 DOD 복합소재 시스템을 설계하고, 전기 자극 조건에서 계면 물성이 어떻게 변화하며 이에 따른 구조 응답이 어떻게 나타나는지를 예측할 수 있는 통합 시뮬레이션–실험 체계를 구축하고자 한다. 궁극적으로는 전기 자극 기반 DOD 시스템의 설계 원리와 최적 적용 조건을 도출하여, 향후 실용화에 필요한 기반 기술을 마련하는 것을 지향한다.

 현재 산업 현장에서 널리 사용되는 기존의 에폭시 접착제는 우수한 접착 성능에도 불구하고, 일단 접착된 후에는 분리가 어렵고 재활용이 불가능하다는 한계가 있다. 이러한 이유로, 접착력을 유지하면서도 필요 시 탈착이 가능한 스마트 접착 기술에 대한 산업계의 수요가 증가하고 있다. 지금까지는 열, 광, 화학 반응 등을 기반으로 한 DOD 기술이 주로 연구되어 왔으나, 전기 자극을 기반으로 한 DOD 시스템은 공간 선택성이 높고 에너지 효율이 뛰어나며 제어가 용이하다는 장점을 가짐에도 불구하고, 관련 기술은 아직 초기 단계에 머물러 있으며 응용 및 이론적 정립 또한 미비한 실정이다.

 기존 연구들은 대부분 거시적 실험에 국한되어 있어, 실제 탈착이 발생하는 계면 수준의 미시적 기작에 대한 체계적인 이해가 부족하다. 이에 본 연구는 전기 자극 조건 하에서 분자 수준에서의 접착력 저하 메커니즘을 MD 시뮬레이션을 통해 분석하고, 이 결과를 기반으로 FEM 해석 및 실험을 연계하는 멀티스케일 통합 연구를 수행함으로써, 학문적 기여는 물론 실질적인 기술 응용 가능성까지 함께 모색하고자 한다.

[BK21] 지역혁신 성장주도 스마트산업단지 선도인력 교육연구단

참여 연구실

2025~2027

[RISE] 에어컨 Spoke Type BLDC Motor 진동/소음 저감 설계

(LG전자 글로컬대학기술센터 산학연구과제)

연구 책임자

2025

 본 연구는 에어컨용 Spoke-Type BLDC 모터를 대상으로, 운전 중 발생하는 진동 및 소음을 저감하기 위한 구조 해석 중심의 통합 해석 및 설계 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 기존 가전용 모터 소음 연구는 주로 전자기 소음 해석에 집중되어 있었으나, 실제 저속 운전(800rpm 수준)에서는 구조 소음이 주요한 체감 소음으로 작용하고 있음에도 불구하고 이에 대한 체계적인 분석 및 저감 설계 기술은 부족한 상황이다. 특히, Spoke-Type 구조는 경량화와 고출력을 위해 설계되어 있는 만큼 기계적 강성이 저하되기 쉽고, 이에 따라 특정 주파수 대역에서 구조적 공진이 발생하여 소음이 급격히 증가하는 문제가 있다.

 따라서 본 과제에서는 먼저 ANSYS Mechanical을 기반으로 Spoke-Type BLDC 모터의 3D 모델을 구축하고, 고유진동수 및 모드 해석을 수행하여 주요 공진 주파수와 구조 소음 발생 메커니즘을 규명한다. 운전 조건은 800rpm을 기준으로 설정하며, 구조 해석을 통해 100Hz~5kHz 대역의 진동 및 소음 특성을 정밀 분석할 예정이다. 특히 spoke 자석 배치, 슬롯 오프닝 형상, 백아이언(Back-Iron) 두께 등 설계 변수가 소음 특성에 미치는 영향을 체계적으로 평가하고, 추가적으로 stator tooth와 back-iron 사이의 미세 에어갭이 소음 특성에 미치는 영향도 분석할 계획이다.구조 해석 완료 후, ANSYS Maxwell을 이용한 전자기 해석을 추가로 수행한다. 이를 통해 맥스웰 응력 기반의 전자기 소음을 구조 모델에 하중으로 적용하여 재해석하고, 구조 소음과 전자기 소음의 주파수별 기여도를 정량적으로 비교 분석한다. 이를 통해 전체 소음에서 구조 소음과 전자기 소음이 각각 차지하는 비율을 구체적으로 도출하고, 소음 저감을 위한 우선 설계 방향을 설정할 수 있도록 한다.

 본 연구를 통해 800rpm 운전 조건에서 Cogging Torque를 기존 4.4mNm 대비 4.0mNm 이하로 감소시키고, 모터 단품 소음을 40dB에서 36dB 이하로 저감하는 것을 정량적 목표로 설정한다. 또한, 구조 해석 및 소음 해석 통합 가이드를 작성하여 향후 유사 제품에 적용 가능한 사내 표준 해석 프로세스를 구축하는 것을 정성적 목표로 한다. 최종 결과물로는 구조 개선된 CAD 모델 및 해석 파일, 소음 저감 설계 가이드, 국내외 학술논문 발표, 그리고 LG전자 프리미엄 가전제품 개발에 직접 적용 가능한 소음 해석 매뉴얼을 포함한다. 이를 통해 LG전자 에어컨, 공기청정기, 무선청소기, 세탁기 등 생활가전 제품군의 소음 품질을 획기적으로 향상시키고, 프리미엄 시장에서의 경쟁력 확보에 기여할 수 있을 것이다.

[한국연구재단] 멀티스케일 전산역학 기반 신체 삽입 심박동기용 효소 기반 바이오 연료전지의 신뢰성 향상을 위한 최적 설계 연구

(세종과학펠로우십)

연구 책임자 / 연구비 총액 : 6억원

2024 ~ 2029

본 연구의 목적은 심박동기 구동을 위한 고신뢰성, 고효율, 소형의 생체적합 효소기반 바이오 연료전지를 개발하는 것이다. 연구 대상은 고환원 전위 특성을 가진 혈당 산화효소와 라카아제 같은 효소와 그래핀 합성 전극이다. 연구는 두 단계로 진행되며, 1단계(1~3차년도)에서는 바이오 연료전지의 신뢰성을 향상시키기 위한 멀티스케일 전산역학 시뮬레이션과 실험을 수행한다. 이를 통해 효소 개량 및 전극 구조 설계, 양극/음극의 효소-전극 계면 시스템을 분석한다. 2단계(4~5년차)에서는 심박동기 구동용 연료전지의 prototype을 개발하고 전임상 실험을 진행한다. 혈액 샘플을 기반으로 신뢰성을 평가하고 전임상 실험을 통해 직경 3cm 이하의 상용 제품 적용을 목표로 한다. 또한 바이오 연료전지의 최적 설계 기술을 확보하고, 심박동기 기술 이전 및 창업, 부정맥 치료를 위한 새로운 의료 기술 개발에 기여할 것이다. 고령화 시대에 맞춰 부정맥 환자 예방과 환경 오염 문제를 해결하는 데도 기여할 수 있을 것이다.