KOSEN 한인과학기술자네트워크

인하대학교 기계공학과 첨단수송기계설계 및 제어(Advanced Vehicle Design & Control : AVDC) 연구실은 2007년 9월에 설립되어 부품설계 및 최적화 기술개발, 기계부품 트라이볼로지(Tribology) 공학, 스마트 기계시스템 제어 및 동역학 연구, 동력전달계 부품설계 및 진동해석, 신재생 에너지 미래 자동차 연구 등 다양한 분야에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 현재 BK21 차세대 수송기계 부품 산학공동사업단에 참여하고 있으며 지식경제부의 전략기술인력양성사업에도 가입되어 산업체에서 실질적으로 필요한 인력을 양성하고 있습니다. 또한 연구실은 두산인프라코어, 현대자동차, GM 대우자동차, 대한항공 등과 같은 수송기계 관련 산업체와의 연구뿐만 아니라 학술진흥재단과의 햅틱의료기기 연구 등 다양한 관련 분야에서 연구를 수행 중에 있습니다. 저희 연구실의 지도 교수님이신 이철희 교수님은 인하대학교 기계공학과를 졸업(1994)하고, 동 대학에서 석사(1996) 학위를 받았으며 미국 University of Illinois at Urbana-Champaign에서 박사(2006) 학위를 받으셨습니다. ㈜현대자동차 연구소 연구원(샤시 설계)과 미국 Caterpillar Inc. 중앙연구소 선임연구원(중장비 설계 및 해석)의 경력이 있으시며 현재 인하대학교 기계공학부 조교수로 재직 중에 있습니다. 또한 국내의 한국자동차공학회, 한국소음진동공학회, 한국윤활학회와 국외의 SAE 및 ASME 등과 같은 학회에서 활발한 활동을 하고 계십니다.

최적설계라는 개념은 손익분기점 같은 것을 계산할 때 해답을 빨리 얻기 위한 목적으로 경영분야에서 먼저 개발된 것입니다. 기계분야에서 최적설계라고 할 때는, 기계나 기계 부품 등의 제원에 관하여 성능, 재료, 가공방법, 코스트, 납기 등의 설계조건이 규정되어 있는 경우, 그 범위 내에서 정해진 목적에 따라서 최적화를 도모하는 설계를 말합니다. 설계 제원을 결정할 때는 주요한 파라미터를 설계변수로 하여 안전성, 유효성의 제약조건 내에서 기능, 성능, 코스트 등의 설계 목적이 적절하게 실현되도록 설계변수를 최적화합니다. 즉, 어떤 기계부품이 최적화 되었다는 것은 모든 부분에 군더더기 없이 부품에 사용된 재료가 견딜 수 있는 최대하중이 모든 곳에 작용하는 상태라고 볼 수 있습니다. 저희 연구실에서는 기계 부품의 설계 방법론 개발, 다영역(Multi-disciplinary) 최적화 및 유한요소 해석, 최적화 설계 및 DOE(실험계획법)를 통한 프로세스 연구, 위상(Topology) 최적화 기법을 이용한 구조물 최적화 및 형상 최적화 등을 연구하고 있습니다.

그리스어의 "트라이보스(tribos: 문지른다는 뜻)"에서 유래한 "트라이볼로지(tribology)"는 상대적으로 운동하면서 서로 영향을 미치는 두 면 및 그와 관련된 제반 문제를 다루고 있는 과학 기술의 한 분야로 마찰(friction), 윤활(lubrication), 마모(wear) 분야를 대표로 포함하고 있습니다. 모든 기계들은 여러 부품으로 구성되어 있으며 서로 상대운동을 하며 접촉하는 부분이 반드시 존재합니다. 이러한 부분에는 필수적으로 마찰, 마멸이 일어나 기계를 손상시켜 파괴에 이르게 합니다. 또한 마찰에 의한 에너지 손실은 기계 장치의 운전 효율에 큰 영향을 미치게 됩니다. 1966년에 영국의 Jost에 의해 작성된 보고서에는 마찰, 마모로 인한 경제적 손실이 GNP의 4%에 해당하고, 산업계에서 생산되는 총 에너지의 30%가 마찰과정에서 소실되어 없어진다고 보고되었습니다. 때문에 기계의 신뢰성, 내구성과 생산비용 절감을 위해서는 마찰, 마모 현상을 최대한 방지하고 적절히 이용할 수 있어야 하며, 이런 과정에서 트라이볼로지는 많은 복잡한 문제들을 해석하고, 해결법을 도출하는데 있어서 중추적인 역할을 담당하고 있습니다. 저희 연구실에서는 트라이볼로지 관련 마찰(Friction), 접착(Adhesion), 마모(Wear), 윤활(Lubrication) 연구와 동역학 분야의 마이크로슬립(Micro-slip), 컨택 강성(Contact Stiffness) 연구를 수행하고 있으며 최근에 자원순환사업의 일부로 부품 재사용을 위한 수명 예측 기법 연구, 에너지 효율을 높이기 위한 저 마찰 기술 연구 등을 연구하고 있습니다.

동역학은 운동을 야기하는 원인에 대한 설명 없이 위치, 속도, 가속도 시간의 개념만을 이용하여 운동의 기하학을 다루는 운동학과, 어떤 주어진 임의의 운동을 위해 요구되는 힘을 결정하거나 가해진 힘에 의해 발생되는 움직임을 예측하기 위해 물체의 운동과 질량, 힘들 사이의 관계를 탐구하는 동역학, 두 부분으로 나누어집니다. 이러한 동역학은 진동 및 제어시스템, 자동제어, 유압시스템설계, 메카닉스 응용, 메카트로닉스 개론, 자동차공학 등의 기계시스템을 이해하는데 중요한 학문이며 저희 연구실에서 주로 연구하는 제어기술에서의 동역학적 해석은 더욱 중요합니다. 저희 연구실에서는 수송기계 시스템의 동역학 특성 해석뿐만 아니라 스마트 재료(Smart Material)를 이용한 능동 제어 시스템 구조물 개발, 그리고 차량 전체 부품(엔진, 변속기, 구동장치, 브레이크, 타이어, 서스펜션, 스티어링, 유압 시스템)을 포함한 다물체 유연 동역학(Multi-body Flexible Dynamics) 해석 등의 연구를 수행 하고 있습니다.

동력전달계란 자동차 엔진 출력을 구동 바퀴에 전달시키는 각종 장치로 구성된 시스템입니다. 이 시스템을 구성하는 요소인 클러치, 변속기, 추진축, 종감속 장치, 동력 인출 기구, 프리 휠 허브 등의 기능과 구조를 해석하는 것이 중요합니다. 클러치는 발진기능, 변속기는 엔진특성과 동력 성능의 적합, 종감속 장치는 회전력의 적합, 차동장치는 회전력 분할, 유니버셜 조인트는 회전축의 방향전환과 신축을 담당합니다. 또한 이런 장치들의 배치에서는 동력 전달계의 진동과 소음특성에도 크게 영향을 미치는데, 각각의 요소에 대한 진동 문제에 대해서는 계동적인 계량이 되고 있으나, 엔진과 구동축을 포함한 동력 전달계의 굽힘 진동, 비틀림 진동 해석과 유효한 진동 저감 기술의 개발은 특히 앞으로 고속 차량에서는 빠트릴 수 없는 과제입니다. 저희 연구실에서는 차량 구동축의 다물체(Multi-body) 유한 요소 해석, 비틀림(Torsional) 및 휨(Bending) 진동 현상 분석, 차량 엔진과 구동축(Driveshaft), 커플링(Coupling), 조인트(Joint) 등을 포함한 부품에 대한 설계 및 해석 연구를 수행하고 있습니다.

생활수준의 향상과 더불어 우리나라의 자동차 등록대수 또한 매년 증가해 2007년 기준 1,600 만대로 세계 13위의 자동차 보유국입니다. 그러나 현재 전 세계적으로 급격한 산업화의 결과로 자원 고갈상태가 심화되고 있으며 이는 곧 자원 가격 상승으로 이어져 고유가 시대를 초래하게 하였습니다. 또한 화석연료의 특성상 오염원을 배출하기 마련이다. 대표적인 연소생성물인 CO2는 지구온난화의 주범이며, 일산화탄소, NOx, 탄화수소계열의 연소생성물은 광화학 스모그, 다양한 호흡기 질환과 발암물질의 원인이 되고 있습니다. 최근 이러한 문제점을 해결하고자 EU 등 선진국가들은 녹색기술 육성과 환경규제를 통해 관련 산업의 성장을 이끌어내는 것은 물론, 새로운 시장을 선점하고, 동시에 일자리까지 창출하는 등 발 빠른 움직임을 보이고 있다. 특히 자동차 분야의 경우 이미 하이브리드 자동차, 전기차량, 수소차량 등 저탄소 차량 제작을 위한 연구가 많이 진행 중에 있습니다. 저희 연구실에서는 이러한 '저탄소 녹색성장'에 발 맞추어 태양광 자동차, 무공해 연료 전지 차량 개발, 미래 자동차 설계, 최적설계기법을 이용한 자동차의 초경량화 기술 개발, 트라이볼로지 윤활 성능 극대화를 통한 연비 향상 기술, AVL 소프트웨어를 이용한 연비 예측 기술 개발 등과 같은 미래 수송기계, 친환경, 에너지 절약, 신재생 에너지 분야 등에 대한 연구를 수행하고 있으며 앞으로도 적극적으로 참여할 계획입니다.

이제 3년차에 접어든 신생실험실이지만 저희 AVDC LAB은 다양한 분야에서 열린 마음으로 연구하고 있습니다. 현재 저희 연구실은 본교 최승복 교수님의 지능 구조 시스템 및 제어 연구실과의 긴밀한 협력 관계 하에 여러 연구들을 공동으로 수행하고 있으며 또한 정부 기관인 인하대 자동차 동력계부품 지역혁신센터(RIC)와도 공동 연구 및 업무 공조를 하고 있습니다. 따라서 저희 실험실은 학문과 연구에 열정을 가진 분들에게 항상 열려있으니 주저 말고 연락 주시기 바랍니다. 마지막으로 끝까지 읽어봐 주신 KOSEN 회원 분들과 관계자 여러분께 감사의 말씀 드립니다.

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