재료역학및통합설계실험실
기계공학부 박성훈
재료역학 및 통합설계실험실은 기계공학을 기반으로 다양한 기계 및 생체 재료의 역학적 특성, 구조 해석, 최적 설계, 그리고 실제 응용에 이르기까지 폭넓은 연구를 수행하고 있습니다. 본 연구실은 인체 관절 및 임플란트의 생체역학적 해석과 설계, 기계 및 생체 재료의 피로·마모·윤활 특성 연구, 그리고 해상풍력 및 복합재 구조물의 최적 설계 등 첨단 융합 연구를 선도하고 있습니다.
특히, 인체 척추, 무릎, 고관절 등 주요 관절의 운동 특성 해석과 이를 바탕으로 한 인공 관절 및 임플란트의 구조적 안정성, 생체 적합성, 내구성 향상에 중점을 두고 있습니다. 전산 해석(FEA), 실험적 평가, 그리고 의료진과의 협업을 통해 환자 맞춤형 임플란트 개발, 최소 침습 수술용 삽입물 설계, 치과용 임플란트의 응력 분포 최적화 등 다양한 의료기기 연구를 진행하고 있습니다.
또한, 기계 및 생체 재료의 피로 수명, 마모 거동, 표면 특성, 윤활 환경 등 미세한 변수들이 재료의 내구성과 신뢰성에 미치는 영향을 정밀하게 분석합니다. 원자힘현미경(AFM), 만능재료시험기, 회전 굽힘 피로 시험기 등 첨단 장비를 활용하여, 미세 스케일에서의 마찰 및 마모 특성, 윤활제의 농도 변화가 인공 관절 및 임플란트의 마찰·마모에 미치는 영향 등을 체계적으로 규명하고 있습니다.
해상풍력발전 시스템, 특히 spar-type 부유식 하부구조물의 구조 해석 및 최적 설계, 복합재 항공기 구조물 및 UAM 붐 구조의 RVE 기반 해석 등 미래 에너지 및 모빌리티 분야의 첨단 구조물 연구도 활발히 진행 중입니다. 유체-구조 연성 해석, 동적 응답 해석, 피로 및 부식에 의한 강도 저하 예측 등 다양한 해석 기법을 적용하여, 경량화와 내구성 향상, 비용 절감 등 실질적인 성능 개선을 달성하고 있습니다.
이처럼 본 연구실은 기계공학, 생체공학, 재료공학, 에너지공학 등 다양한 학문 분야의 융합을 통해, 학술적 성과와 더불어 산업 및 의료 현장에서 실질적으로 활용 가능한 기술 개발에 앞장서고 있습니다. 앞으로도 재료역학 및 통합설계실험실은 첨단 융합기술 연구를 바탕으로 미래 산업과 의료기술 발전에 지속적으로 기여할 것입니다.
Material Surface Properties
MR Damper Design
CNC High-Speed Spindle Design
인체 관절 및 임플란트의 생체역학적 설계와 해석
본 연구실은 인체 관절의 운동 해석과 임플란트 설계 분야에서 선도적인 연구를 수행하고 있습니다. 특히 척추, 무릎, 고관절 등 주요 관절의 운동 특성을 전산 해석 및 실험적 방법을 통해 정밀하게 분석하며, 이를 바탕으로 인체에 삽입되는 인공 관절 및 치과 임플란트의 구조적 안정성과 생체 적합성을 극대화하는 설계 기법을 개발하고 있습니다. 이러한 연구는 환자의 해부학적 특성과 질환 상태를 반영한 맞춤형 임플란트 설계로 이어지며, 임상적 성공률을 높이는 데 기여하고 있습니다.
연구실에서는 다양한 생체 재료(예: PVAH, 금속, 세라믹 등)의 기계적 특성 평가와 함께, 인공 디스크, 척추 극돌기 고정장치, 치과용 임플란트 등 다양한 삽입물의 최적화 설계를 진행합니다. 전산 해석(FEA)과 실험적 검증을 병행하여, 삽입물의 구조적 안정성, 피로 수명, 표면 특성, 윤활 및 마찰 거동 등을 종합적으로 평가합니다. 특히, 최소 침습 수술에 적합한 척추 임플란트의 개발, 인공 디스크의 생체역학적 특성 평가, 치과 임플란트의 나사선 설계 및 응력 분포 해석 등 다양한 주제를 다루고 있습니다.
이러한 연구는 실제 임상 현장에서의 적용 가능성을 높이기 위해 의료진과의 협업을 통해 진행되며, 환자 맞춤형 의료기기 개발, 수술 후 합병증 감소, 임플란트의 장기적 내구성 향상 등 실질적인 의료 혁신에 기여하고 있습니다. 앞으로도 본 연구실은 인체 관절 및 임플란트의 생체역학적 이해를 바탕으로, 환자 삶의 질 향상과 의료기술 발전에 이바지할 것입니다.
기계 및 생체 재료의 피로, 마모, 윤활 특성 연구
재료역학 및 통합설계실험실은 기계 및 생체 재료의 피로, 마모, 윤활 특성에 대한 심층적인 연구를 수행하고 있습니다. 다양한 금속 및 복합재료, 생체 재료를 대상으로 반복 하중, 마찰, 환경 변화(온도, 습도 등)에 따른 피로 수명과 마모 거동을 실험 및 해석적으로 분석합니다. 특히, 인공 관절 및 임플란트의 장기적 내구성 확보를 위해 표면 거칠기, 윤활제의 농도, 마찰 계수 등 미세한 변수들이 재료의 피로 및 마모 특성에 미치는 영향을 체계적으로 규명하고 있습니다.
연구실에서는 원자힘현미경(AFM), 만능재료시험기, 회전 굽힘 피로 시험기 등 첨단 장비를 활용하여 미세 스케일에서의 마찰 및 마모 특성을 정량적으로 측정합니다. 또한, 실제 인체 관절의 활액 환경을 모사한 실험을 통해, 윤활제(알부민, 히알루론산, 감마글로불린 등)의 농도 변화가 인공 관절 표면의 마찰 및 마모에 미치는 영향을 분석합니다. 이를 바탕으로, 인공 관절 및 임플란트의 표면 코팅 기술, 최적 윤활 환경 설계, 내마모성 향상 방안 등을 제시하고 있습니다.
이러한 연구는 의료기기뿐만 아니라 항공, 자동차, 에너지 등 다양한 산업 분야의 기계 부품 내구성 향상에도 적용되고 있습니다. 재료의 피로 및 마모 특성에 대한 정밀한 이해와 예측 기술은 제품의 신뢰성 향상과 유지보수 비용 절감에 크게 기여하며, 미래 첨단 산업 및 의료기술 발전의 핵심 기반이 되고 있습니다.
부유식 해상풍력 및 복합재 구조물의 최적 설계 및 해석
본 연구실은 해상풍력발전 시스템, 특히 spar-type 부유식 하부구조물의 구조 해석 및 최적 설계 분야에서 활발한 연구를 수행하고 있습니다. 극한 해양 환경에서의 구조적 안정성 확보를 위해, 유체-구조 연성 해석, 동적 응답 해석, 피로 및 부식에 의한 강도 저하 예측 등 다양한 해석 기법을 적용합니다. 이를 통해 해상풍력 구조물의 경량화, 내구성 향상, 비용 절감 등 실질적인 성능 개선을 목표로 하고 있습니다.
복합재 항공기 구조물 및 UAM(도심항공모빌리티) 붐 구조 등 첨단 복합재 구조물의 설계에도 RVE(대표체적요소) 기반 해석 기법을 도입하여, 미시구조 특성을 반영한 정확한 물성 예측과 최적화 설계를 실현합니다. 실험적 검증과 전산 해석을 병행하여, 실제 제조 및 운용 환경에서의 구조적 신뢰성을 확보하고, 기존 금속 구조물 대비 경량화 및 성능 향상을 달성하고 있습니다.
이러한 연구는 신재생에너지, 항공우주, 미래 모빌리티 등 다양한 산업 분야에서 요구되는 첨단 구조물의 설계 및 해석 기술을 선도하고 있습니다. 해상풍력 및 복합재 구조물의 최적 설계 연구는 에너지 전환 시대의 친환경 기술 개발과 산업 경쟁력 강화에 중요한 역할을 하고 있으며, 본 연구실은 관련 분야의 학술적·산업적 발전에 지속적으로 기여하고 있습니다.
1
Structural integrity of a 2.5-MW spar-type floating offshore wind turbine under extreme environmental conditions
WIND AND STRUCTURES, 2023
2
Optimization of a lumbar interspinous fixation device for the lumbar spine with degenerative disc disease
PLOS ONE, 2022
3
Biphasic Properties of PVAH (Polyvinyl Alcohol Hydrogel) Reflecting Biomechanical Behavior of the Nucleus Pulposus of the Human Intervertebral Disc
MATERIALS, 2022
1
빅데이터/인공지능 기반 기계시스템 설계 기술 연구회
2
혼합체 이론과 보로노이 셀에 의한 다공성 구조 모델 생성 기법과 연성해석 기술 개발
3
(RCMS) 산업용 7인치 에어그라인더 핵심부품에 대한 신뢰성향상 기술개발
