사회공헌형 교과목 아카이브
| 수업주제 | 지능재료의 정의와 종류, 역할등에 대한 개략적인 고찰을 한 후 선형 이론을 적용하여 지능 구조물의 거시적인 거동을 기술하는 방법론을 제공한다. 구조물의 열-전기-기계의 완전 연성을 고려하여 주어진 환경하에서 거시적인 거동을 기술하는 능력을 습득하고, 실제 작동기로 사용되는 피에조 세라믹 계열의 재료(PZT, PLZT)와 형상기억합금(SMA;Shape Memory Alloy)의 미시적인 구성방정식을 다루고 이 미시적인 관점이 어떻게 거시적인 구성방정식으로 확장되는지에 대한 미시역학을 공부한다. 특히 PZT에서 발생되는 분극반전(polarization switching)에 대해 공부하고 SMA에서 발생하는 상 전이 현상(Phase transformation)에 관해 공부한다. 구성방정식을 공부한 후 실제 구조물에서 지능재료의 기능을 고찰하고 설계에 응용하기 위한 실제문제들의 해석과 설계 문제를 다룬다. |
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| 수업 목적 및 목표 | 본 수업에서는 오늘날 활발한 연구가 이루어지고 있는 복합재료, 형상기억재료 및 전기활성고분자의 해석, 설계 및 제조방법 등 기초적인 원리에 대해 학습한다. 이러한 지능재료를 응용한 그룹 프로젝트를 수행하며 이를 통해 기초적인 원리와 직접 제작할 수 있는 능력을 기르는 것을 목표로 한다. |
| 사회공헌 실천활동 분야 | 적정기술/제품개발 |
| 사회공헌 실천대상 | 아동/청소년/가족, 개발도상국, 기타 |
팀별활동내역
| 소속 | 공과대학/기계공학부 | 담당교수 | 안성훈 |
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| 활동기간 | 2020년 3월~6월 | 활동장소 | 서울대학교 313동 |
| 활동목적 | 지능재료 기술을 이용하여 이동형 vehicle 사고예방 장치 개발 - The traffic accidents related bicycles becomes a social issue amid the number of people enjoying riding is increasing over the countries. - To reduce the casualties and wounded, wearing helmet and hand signaling are recommend mostly. But, hand signaling is considered to be best practice, because it need for hand-off from the steering handle which could cause another danger of loosening the control ability. |
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| 활동내용 | Goal : To avoid the problem such as bicycle accident, a smart device will be made using the material (piezo-sensor) with simple electronic board (Arduino) embedded with software algorithm. The system will be made with low level price for cost-wise accessibility Piezo-sensor, Arduino, electronic device 등 지능재료 기술과 전자 기기를 이용하여 자전거와 경운기 등에 간단한 조작에 의해 브레이크등 표시와 좌, 우 회전의 방향 지시를 할 수 있는 장치를 개발한다. 이 장치를 통해서 자전거 이용자들과 농촌의 경운기 이용자 등이 안전한 운전을 가능하게 한다. 이를 통하여 교통사고를 예방하고 이로 인한 피해를 최소화 하며 나아가 이들이 사용하는 Vehicle에 시간과 장소에 구분 없이 설치가 가능하게 함으로서 이용자 모두가 안전하게 살 수 있는 행복한 사회를 구현하는데 도움이 되고자 한다. |
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| 활동소감 | 프로젝트 기간 안에 최종적으로 개발하고자 한 전동 관련 시스템의 모든 기능들을 성공적으로 구현해내었다. 자전거와 경운기 등 다양한 차량에 문제 없이 마운트할 수 있는 형태로 완전한 제품으로써의 마감 완성도에 대해서는 아쉬운 부분이 남아있다. | ||
활동자료
| 소속 | 공과대학/기계공학부 | 담당교수 | 안성훈 |
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| 활동기간 | 2020년 4월 ~ 6월 | 활동장소 | 서울대학교 301동 |
| 활동목적 | 평균적으로 사람들은 하루에 한번 꼴로 샤워를 한다. 샤워를 하며 원하는 물 온도 조절이 원하는 때에 되지 않거나, 원하는 온도에 맞춰지지 않아 화상을 입거나 불쾌한 경험이 많다. 이는 피부가 연약한 어린아이에게 매우 치명적이다. 우리는 이러한 점을 개선하기 위한 샤워헤드 발명품 개발을 함으로써, 많은 사람들이 느껴봤던 불쾌한 경험을 해결하고, 아이들의 화상위험성을 낮추고자 함에 목적이 있다. | ||
| 활동내용 | 공학적인 지식을 바탕으로 이 문제를 해결하기 위한 발명품 개발을 목적으로 접근하였다. 발명품 제작 단계는 기초설계, 재료선정, 세부설계, 제작의 단계로 나누어 진행되었다. shape memory alloy의 actuation test, CATIA를 이용한 actuating part 설계, 3D printer를 이용한 actuating part 제작 등이 수행되었다. 기존의 모양을 다른 형태로 변형하더라도 가열에 의하여 다시 변형 전의 모양으로 되돌아가는 성질을 가진 shape memory alloy(SMA)를 이용하여 고온의 뜨거운 물을 차단하는 샤워기를 제작하였다. 이 과정에서 shape memory alloy의 actuation test, CATIA를 이용한 actuating part 설계, 3D printer를 이용한 actuating part 제작 등을 통해 재료선정, 개념설계, 세부설계, 제작의 단계를 직접 실습하였다. 위에서 기술한 활동은 활동의 필요성과 목적에서 한번 언급했듯이, 노인과 어린아이를 주 대상으로 한다. 높은 온도의 물을 통해 샤워를 했을 때 화상을 입을 가능성이 높은 노인과 어린아이에게 화상 위험을 차단한다. 위에 기술한 제품이 프로토타입을 넘어 상업적으로 발전한다면 해당 대상 연령의 화상 발생률이 현저히 적어지게 될 것이다. |
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| 활동소감 | 팀원들이 가지고 있는 공학적 지식을 바탕으로 여러 단계를 거쳐 온도조절 장치의 일시적인 오류로 발생하는 뜨거운 물을 샤워기 외부로 방출되는 것을 막는 새로운 형태의 샤워기 헤드를 제작하였다. 아직 상용화가 되기에는 내구성, 신뢰성, 인체적합성 등의 다양한 검토가 필요하지만, 형상기억합금을 이용하여 짧은 시간 내에 샤워기 외부로 방출되는 뜨거운 물을 차단하는 원리는 샤워기로 인한 화상 발생률을 현저히 떨어지게 하는 효과를 만들어낼 것이라고 예상한다. | ||
활동자료
| 소속 | 공과대학/기계공학부 | 담당교수 | 안성훈 |
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| 활동기간 | 2020년 3월 ~ 6월 | 활동장소 | 서울대학교 신공학관 301동 |
| 활동목적 | 저소득국가에서 환기시설이 제대로 갖춰지지 않은 곳이 많다. WHO통계에 의하면 30억 명 정도가 나무나 숯, 석탄을 태워서 요리를 하고 한 해에 4백만 명 정도가 ‘가정 내 공기 오염’으로 숨지는 것으로 추산된다고 한다. 따라서 SMA 와이어를 이용해 전기가 필요 없는 환기시스템을 개발해 호흡기 질환을 예방하고 쾌적한 조리환경을 갖추는데 도움을 주고자 한다. | ||
| 활동내용 | 기계공학에서 배우는 전공 지식을 기반으로 저개발 국가에서 사용할 수 있는 전기가 필요 없는 환기시스템을 개발하는 것이었다. 여기에 핵심이 되는 소재는 SMA 와이어이다. SMA는 열을 가하면 원래의 형태로 돌아오는데 이를 이용하여 열원만 존재하면 간단한 풀리를 이용해 엔진을 만들 수 있었다. 실제로 제작하면서 여러 가지 공학적인 설계제한조건이 필요했고 원활한 팬 구동에 어려움이 많았다. 여러 설계 변경 및 실험을 통해 열원에 의해 회전하는 팬을 완성할 수 있었다. 추후 실제 부엌에 맞는 설계 및 실험을 할 수 있다면 사용 가능한 환기 시스템을 만들 수 있을 것이라 기대된다. SMA는 상당히 특이한 특성을 지니고 있는 재료이다. 이를 통해 다양한 공학적인 응용이 가능한 것을 알았다. 보통 전기를 사용하여 쉽게 제어가 가능하긴 하지만, 열원을 이용해 온도 변화만으로도 원하는 성능을 낼 수 있다는 점 또한 주목할 만 했다. SMA 와이어의 힘, 변형률, 장력 등 재료의 여러 특성에 따라서 결과가 상당히 다르게 나왔다. 열효율을 높이기 위해 여러 기구적인 설계를 진행하면서 설계 노하우를 얻을 수 있었다. 해당 기술은 전기를 사용하는 대부분의 기구와는 다르게 불의 열로 작동된다. 저개발 국가에서는 가스레인지 등이 없기 때문에 아직도 땔감을 사용하는 원시적인 방식을 많이 사용하고 있다. 여기서 환경의 오염, 호흡기 질환 등으로 많은 사람들이 부엌에서 고통을 받는데 이를 해결하는데 조금이나마 도움이 될 수 있는 환기 시스템을 개발해 사회에 공헌이 되고자 한다. |
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| 활동소감 | 실제로 SMA를 이용해 시스템을 제작할 때 처음부터 기대처럼 원활하게 작동하지 않았다. 또한 SMA재료의 선정에도 작동온도, 와이어의 굵기, 변형률, 가격, 길이 등 여러 가지 변수가 있어서 최적화된 SMA 와이어를 찾는 것이 어려웠다. 저개발국가에서 사용해야 하므로 가격이 최대한 저렴해야하는 제약조건을 맞추기 위해서 SMA와이어를 제외한 재료는 최대한 저렴하거나 일상에서 쉽게 구할 수 있는 나무나 철, 플라스틱을 선택했다. 아쉬운 점을 여건상 실제 부엌에 설치를 해서 테스트를 하지 못하고 간이테스트밖에 해볼 수 없었다. 추후 실제 부엌에 설치 후 테스트를 진행해보면 좋겠다. | ||
활동자료
| 소속 | 공과대학/기계공학부 | 담당교수 | 안성훈 |
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| 활동기간 | 2020.03~2020.06 | 활동장소 | 서울대학교 신공학관 301동 |
| 활동목적 | 의수/의족은 착용자의 환부와 맞닿는 소켓이 있음. 이 소켓은 착용자의 환부에서 의수/의족이 빠지지 않게 하기 위해서 꽉 조이거나 다른 관절에 연결하거나 어깨에 메는 등의 방법으로 착용됨. 스포츠 등의 빠른 움직임을 하려고 할 때는 조이는 것의 경우 매우 강한 압력으로 조여야 하기 때문에 환부에 피가 안 통하는 문제가 있고, 다른 관절에 연결하는 경우 움직임을 제한하는 문제가 있음. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 관절에 연결하는 것이 아닌, 압력을 움직임의 속도에 따라서 조절하여 착용자의 부담을 줄이면서도 의수/의족이 빠지지 않게 하는 스마트 소켓을 개발함. | ||
| 활동내용 | 가속도 센서를 이용하여 착용자의 움직임을 계산하여 착용자에게서 의수/의족이 빠져나가려는 힘을 실시간으로 계산하고 이에 필요한 마찰력을 내기 위한 압력을 환부에 가할 수 있는 메커니즘을 와이어와 스마트 재료인 게코 패드를 활용하여 개발함. 그리고 환부에 필요한 압력이 가해지면 더 이상 압력이 가해지지 않을 수 있도록 압력 센서를 활용하여 제어함. 개발된 소켓은 13 rad/s 의 각속도로 골프 스윙을 할 때 원심력을 90N 만큼 버틸 수 있음. 전공으로는 실시간 제어 및 소켓의 압력을 조절하기 위한 메커니즘, 스마트 재료 등을 학습함. 개발한 스마트 소켓을 활용하여 실시간으로 마찰력을 조절해서 빠른 속도에도 빠지지 않고 잡을 수 있는 소켓을 개발하였기에 처음의 기대와 비슷했음. 이 활동은 종전의 의수들이 절단 환자들의 스포츠 등의 과격한 움직임을 지원하지 못 했던 것을 가능하게 해주는 역할을 할 것으로 보임. 활동 계획 당시의 기대를 충족하였다고 생각함. |
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| 활동소감 | 수행한 활동은 기존 소켓이 할 수 없는 사용자의 움직임에 따른 마찰력 조절이 가능하다는 점에서 잘 되었고, 실제로 스윙 움직임을 소켓을 사용하여 해보고 원심력을 얼마나 버틸 수 있는지도 확인하였기에 잘 되었다고 볼 수 있음. 부족한 점은 골프 한 스포츠에 대해서만 확인했는데 여러 스포츠에 대해서도 가능한지를 보지 못했다는 점임. 향후에는 실제 의수에 이 소켓을 착용하고 성능을 평가하여 소켓의 개발을 발전시킬 수 있을 것으로 보임. | ||
