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다결정 및 단결정 재료 극한 변형 메커니즘 규명
우리 대학 항공우주공학과 연구팀 (익스트림역학 및 멀티피직스 연구실; https://continuum.kaist.ac.kr)이 미국 로스앨러모스국립연구소, 오크리지국립연구소 및 위스콘신대학과의 공동연구를 통해 초고온 및 초고압용 체심입방 결정재료의 극한 변형 메커니즘을 실험 및 이론적으로 규명했다.
주기율표의 Group V 및 Group VI에 속한 체심입방 금속재료 (그림 1-a)는 높은 용융점, 우수한 기계 및 내화학적 성능 및 가공성으로 인해 항공우주, 원자력 및 초전도체 등 다양한 극한 환경에서 주로 사용돼왔으며 최근엔 의료기기용 재료로도 큰 주목을 받고 있다.
체심입방 금속재료의 극한 환경 하의 변형 및 흐름에 관한 예측은 원자미끄러짐 기반 비탄성 변형 메커니즘 특유의 물리 및 수학적 복잡성으로 인해, 대부분 경험적 방법론에 의존해왔다. 또한 기존에 제시된 대부분의 이론 모델들은 단결정 또는 다결정 상태의 극한 거동을 부분적으로만 예측할 수 있었지만, 본 연구에서는 체심입방 단결정 및 다결정 재료의 극한 거동을 다양한 온도 및 속도 조건에서 동시에 설명할 수 있는 연속체역학 기반 이론 모델을 제시하였다. 연구팀은 새롭게 제시된 이론 모델을 통해 대표적 체심입방금속재료인 단결정 및 다결정 탄탈럼의 극한의 기계적 변형, 전위 결함 및 미세 구조 발달을 정확하게 예측하고 (그림 1-b 및 1-c) 이를 로스앨러모스국립연구소가 보유한 Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE)의 중성자 디프랙션 장비를 통해 실험적으로 검증했다 (그림 1-d). 또한 기존의 경험론적 이론 모델에서는 설명할 수 없었던 체심입방 단결정 구조체에서 주로 발견되는 원자 미끄러짐의 불안정성을 수리적으로 규명하였으며, 이는 향후 극한 환경용 재료 및 구조체 설계에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
본 연구 결과는 이론 및 실험에 관한 국제협력을 통해 얻어졌으며, 우리학교 항공우주공학과의 조한솔 교수 연구실과 위스콘신-매디슨 대학 기계공학과의 커트 브롱크홀스트(Curt Bronkhorst) 교수 연구실 및 오크리지국립연구소에서 이론 정립 및 단결정 및 다결정 거동 경계값 문제에 관한 수치 계산을 수행하고, 로스앨러모스 국립연구소에서 검증 실험을 수행했다.
우리 대학 항공우주공학과의 이승현 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 고체 및 응용역학 분야 최상위 학술지인 인터내셔널 저널 오브 플라스티시티 (Int. Journal of Plasticity) 에 연속 출간됐다.
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103529
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102903
https://arxiv.org/abs/2303.06743
한편 본 연구에 참여한 박사과정 이승현 학생은 로스앨러모스국립연구소의 여름 프로그램에 지원 및 선정돼 이번 6월 로스앨러모스국립연구소의 이론부에 방문하여 후속 연구를 진행할 예정이다.
본 연구는 한국연구재단 신진과제 (2020R1C1C101324813), 기초연구실 (2021R1A4A103278312) 그리고 미국립과학재단 (CMMI 2118399)의 지원을 통해 수행됐다.
2023.05.02 조회수 4906 -
누리호 발사 큐브위성 랑데브(RANDEV) 지상국 교신 성공
우리 대학 항공우주공학과 항공우주시스템 및 제어연구실(방효충 지도교수) 팀에서 개발한 큐브위성이 지난 6월 21일 누리호에서 발사한 성능 검증위성에서 7월 1일 오후 4시 38분에 우주로 성공적으로 전개되어 7월 2일 새벽 3시 42분에 KAIST 지상국과 첫 교신에 성공했다고 밝혔다.
랑데브(RANDEV)로 명명된 큐브위성은 가로 10cm, 세로 10cm, 높이 30cm 크기의 직육면체 형상으로 무게는 3.2kg인 초소형 인공위성으로 연구실의 대학원생들이 주도해 개발했다.
이번 큐브위성의 주요 임무는 소형 지구관측 카메라를 활용해 지상 촬영을 수행하고 촬영된 영상을 지상국으로 전송하는 것이다. 또한 인공위성의 3축 자세제어 기능을 검증하고 지상국과 UHF/VHF(극초단파/초단파) 주파수를 활용한 통신 및 S 밴드의 고속 영상 전송을 포함한 큐브위성 시스템의 임무와 본체의 정상적인 운용을 검증하기 위한 목적이다.
이번 성과는 큐브위성의 임무 설계, 탑재 S/W, 지상국등 주요 임무를 학생 연구진들이 직접 참여함으로써 우주기술 역량을 확보하고 향후 큐브위성을 실용적인 임무 목적으로 활용할 수 있는 계기를 마련할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구팀은 2017년과 2019년 각각 2차례에 걸쳐 큐브위성을 발사하였고 특히 2017년 발사한 LINK 큐브위성은 지상국과의 성공적인 교신과 운용 성과를 통해 큐브위성 경연대회 대상을 수상한 경험이 있다.
KAIST는 대한민국 인공위성 개발 역사의 시작이다. KAIST 인공위성연구소가 대한민국 첫 번째 국적 위성인 우리별 1호를 개발했기 때문이다. 국내 우주 연구를 주도하고 있는 KAIST는 올해 8월 우리별 1호 발사 30주년을 앞두고 있으며 이번 누리호 발사체를 이용한 큐브위성의 성공적인 전개와 교신을 통해 KAIST가 국내 우주 연구와 교육을 선도하고 나아가 글로벌 우주 교육 기관으로서 위상을 확립할 것으로 예상된다.
연구팀은 당분간 큐브위성 시스템의 안정적인 운용을 위성 본체 데이터를 통해 확인하는 절차를 밟을 예정이며 위성체가 안정화된 이후 탑재 카메라를 이용한 영상 촬영 및 지상국 전송 임무를 수행할 예정이다.
이번 누리호를 통해 발사된 성능 검증위성을 통해 4기 큐브위성이 우주로 전개되는데 다수의 큐브위성을 동시에 궤도에 투입하는 기술을 확보하는 새로운 시도로서 국내 우주개발의 중요 성과로 여겨질 수 있다.
2022.07.02 조회수 7204 -
KAIST-서울대 공동 연구팀, 하이브리드 과학로켓 발사
〈 권 세 진 교수 〉
우리 대학 항공우주공학과 권세진 교수 연구팀이 서울대학교 로켓 동아리 하나로(지도교수 윤영빈)팀과 공동으로 개발한 소형 하이브리드 과학로켓 SNUKA-Ⅱ를 발사한다.
발사 시험은 28일(금) 열리는 제22차 고흥군 우주항공산업발전협의회 행사의 일환으로 오후 5시 20분 발사돼 오후 6시까지 약 40분간 진행된다.
이 과학 로켓은 총 길이 3.5미터, 직경 0.2미터, 무게 58킬로그램으로 과산화수소를 주 추진체로 사용하는 친환경 과학 로켓이다. 발사 시 엔진이 10초간 작동 후 20여 초 간 관성 비행을 해 최대 고도 3킬로미터까지 도달한 뒤 낙하산을 이용해 지상에 착지한다.
로켓의 비행 데이터는 모두 지상국으로 전송되고 로켓 내부의 데이터 저장 장치에 저장된다. 연구팀은 이번 발사를 위해 상세 설계를 끝낸 뒤 추진기관 지상연소시험, 낙하산 사출장치 시험, 기체구조해석 등을 수행했다.
과학 로켓은 저고도에서 준궤도 수준 고도 범위에서 운용된다. 개발 과정을 통해 로켓 추진기관 기술, 대기권 재진입 기술 등 우주발사체 관련 기반 기술을 확보할 수 있다.
또한 무중력 실험 공간 확보, 대기 측정, 천체 촬영 등의 임무를 수행하며 과학 기술 발전에 기여할 수 있다.
이로 인해 미국이나 유럽 등 우주기술 선진국도 과학 로켓 개발 프로그램에 지속적으로 투자하고 있다.
권 교수 연구팀의 과학 로켓은 최대 2천 500 뉴턴(N)의 추력을 낼 수 있는 하이브리드 로켓 엔진이 장착됐다. 하이브리드 로켓 엔진은 구조가 간단해 취급이 편하면서도 성능이 뛰어나 과학 로켓의 추진기관으로 적합하다.
이 엔진은 ㈜스페이스솔루션에서 개발한 고성능 추진체 밸브가 장착돼 로켓 발사 후에도 지속적 전력 공급 없이 엔진 작동이 가능하다.
촉매반응기를 포함한 모든 부품은 순수 국내 기술로 제작됐고 경량화를 위해 추진제 탱크를 복합 재료로 제작했다. 탄소섬유 튜브를 동체로 활용해 무게를 획기적으로 줄이면서 높은 기계적 성능을 확보하는 설계 기법을 적용했다.
권 교수는 “이번 개발 경험을 토대로 저비용 캔위성(CanSAT)을 우주 궤도에 진입시킬 수 있는 로켓을 구상 중이다”며 “성공적으로 개발한다면 우리나라 위성 및 발사체 기술이 획기적으로 발전할 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. SNUKA-Ⅱ
그림2. 로켓 엔진 지상시험
2017.07.27 조회수 11137 -
방효충 교수 연구팀, 지구 저궤도 관측 큐브위성 궤도진입 및 교신 성공
우리 대학 항공우주공학과 방효충 교수 연구팀이 큐브위성 궤도진입 및 첫 교신을 성공적으로 수행했다.
방 교수 연구팀에서 개발한 LINK(Little Intelligent Nanosatellite of KAIST)는 4월 18일에 발사돼 국제우주정거장으로 배송된 바 있다.
궤도진입은 5월 18일 오전 10시에 NRCSD(NanoRacks CubeSat Deployer)를 통해 이뤄졌으며 한국 시각으로 같은 날 23시 5분 첫 교신에 성공했다. 지상국에서 확인한 큐브위성의 상태는 양호하다.
LINK는 벨기에 Von Karman Institute에서 주관하는 QB50 프로젝트의 일환으로 개발됐다.
QB50는 큰 대기항력 때문에 관측이 덜 이루어진 200~400km 구간의 지구 저궤도 대기를 개발비용이 저렴한 큐브위성을 다수 발사해 관측하고자 하는 국제 공동 프로젝트로 전 세계 23개 이상의 국가에서 참여하고 있다.
LINK는 2unit(20x10x10cm3) 크기로 무게가 약 2kg이며 지구관측을 위해 이온-중성자 질량 분광기 및 랑뮈어 탐침을 탑재하고 있다. 랑뮈어 탐침은 우리 대학 물리학과 민경욱 교수 연구팀이 개발했다.
궤도진입을 마친 큐브위성은 초기 한 달 동안 지상국을 통해 시스템 점검을 수행한 뒤 두 달에 걸쳐 저궤도 대기관측 데이터를 수집할 예정이다.
LINK 큐브위성의 개발은 항공우주연구원 '2012년 큐브위성대회'의 지원을 받아 이뤄졌다.
□ 그림 설명
그림1. NRCSD(NanoRacks CubeSat Deployer) 큐브위성 사출 장면
그림2. LINK 비콘신호 수신
2017.05.24 조회수 12151 -
방효충 교수, 지구 저궤도의 관측 위한 큐브위성 발사
우리 대학 항공우주공학과 방효충 교수 연구팀이 지구 저궤도 관측을 위한 초소형 큐브위성을 발사했다.
방 교수 연구팀에서 개발한 큐브위성인 LINK(Little Intelligent Nanosatellite of KAIST)를 포함한 총 28개의 큐브위성이 아틀라스 V(Atlas V) 발사체(NASA CRS-7 미션)에 탑재돼 미 동부시간 4월 18일 오전 11시 11분에 미국 Space Launch Complex 41에서 성공적으로 발사됐다.
큐브위성들은 국제우주정거장에서 보관 후 약 한 달 뒤에 궤도 진입 예정이며 이후 약 3달 동안 과학임무를 수행한다.
LINK는 벨기에의 Von Karman Institute에서 주관하는 QB50 프로젝트의 일환으로 개발됐다.
QB50 프로젝트는 큰 대기항력 때문에 관측이 덜 이뤄진 200~400km 구간의 지구 저궤도 대기를 개발비용이 저렴한 큐브위성을 다수 발사해 관측하는 국제 공동 프로젝트이다. 2012년에 시작된 이 프로젝트는 전 세계 23개 이상의 국가가 참여하고 있다.
LINK는 2유닛(20x10x10㎤) 크기로 무게는 2kg 정도이며 지구 관측을 위해 이온-중성자 질량 분광기 및 랑뮈어 탐침을 탑재했다. 랑뮈어 탐침은 우리 대학 물리학과 민경욱 교수 연구팀이 개발했다.
방 교수는 “QB50 프로젝트는 교육용으로만 쓰이던 큐브위성이 의미있는 과학임무를 수행하기 위한 도구로 도약하는 계기가 될 것이다”며 “다수의 큐브위성을 이용해 저궤도 대기 관측을 한 첫 사례로 의미있는 데이터를 얻을 것으로 기대한다”고 말했다.
또한 “이 노하우를 이용해 앞으로 위성을 추가 개발해 연구 내용을 우주에서 직접 검증할 수 있을 것이다”고 말했다.
현재 큐브위성을 실은 Cygnus 모듈이 궤도에서 대기 중이며 미 동부시간 4월 22일 오전 8시 39분 국제우주정거장과 도킹을 완료했다.
2017.04.24 조회수 14248 -
항공우주공학과 권세진 교수, 달착륙선 개발 및 시험성공
- 우주 선진국의 기술이전 기피 핵심기술 자체개발 성공
- NASA 국제 달탐사 네트워크용 달착륙선의 절반비용으로 개발가능
항공우주공학과 로켓 연구실의 권세진(權世震, 49) 교수 연구팀이 (주)스페이스솔루션(대표 이재헌)과 공동으로 달착륙선을 개발하고 시험에 성공했다.
이번에 개발된 달착륙선은 무게가 25kg이고, 엔진은 최대 350N(Newton) 까지 출력을 제어할 수 있어 중력이 지구의 1/6에 불과한 달 표면에 약 20kg 이상의 무게를 착륙시킬 수 있다. 달착륙선은 달 탐사를 위해 필수적인 장치이지만, 로켓기술과 함께 우주 선진국이 원천적으로 기술이전을 기피하고 있는 우주핵심 기술이다. 權 교수의 로켓 연구실에서는 6년여의 연구 끝에 추력조절이 가능한 우주선 엔진 개발에 성공하였으며, 이를 달착륙선에 장착한 시험에 성공하였다. 달착륙선의 성공적인 개발로 현재 논의 중인 우리나라의 달 탐사를 획기적으로 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
權 교수가 개발한 달착륙선에는 최대 350N의 추력을 낼 수 있는 액체추진제 로켓 엔진이 장착되어 있다. 이 엔진은 (주)스페이스솔루션에서 개발한 고성능 추진제 밸브가 장착되어 추력제어가 가능하다. 엔진의 추진제로 친환경 액체 추진제를 사용하였으며, 추진제에 독성이 없어 선진국의 달착륙선에 비해 개발 비용이 절반 수준으로 저렴하다.
權 교수에 의하면, NASA (미 항공우주국)에서 국제 달탐사 네트워크(ILN - International Lunar Network)용으로 개발 중인 달착륙선 한 기의 개발 비용이 1억 달러(1,500억원) 수준이지만, 이번에 개발된 엔진을 사용할 경우 그 절반 수준인 5,000만 달러(750억원)면 가능할 것으로 추정된다. 엔진 내부에 충진되는 촉매반응기를 포함한 모든 부품은 순수 국내기술로 제작됐다. 착륙선 경량화를 위해 추진제 탱크 및 가압용기를 복합재료로 제작하였고, 허니컴 샌드위치 판넬을 이용하는 등, 장치의 무게를 획기적으로 줄이면서도 강성을 높이는 최신 설계 기법을 사용했다.
한편, 단일추진제 로켓 엔진의 성공적인 개발과 더불어 權 교수의 로켓 연구실에서는 현재보다 효율이 2배 향상된 저장성 이원추진제 로켓엔진을 개발 중이다. 이 엔진은 1000N까지 추력을 제어할 수 있어서, 달 탐사를 위한 우주선의 엔진으로 사용할 수 있다.
2008.11.28 조회수 15429 -
항공우주공학과 권세진, 심현철교수, 연료전지 무인기개발
- 액상 수소화물에서 수소추출, 연료전지스택에 공급하는 시스템 개발- 액체연료로는 세계최초, 무인기의 임무한계 획기적 연장 가능성 열어
우리 학교 항공우주공학과 권세진(權世震, 48, 사진왼쪽) 교수, 심현철(沈鉉哲, 38, 사진오른쪽) 교수 연구팀이 연료전지로 구동하는 소형 무인기를 개발했으며, 장시간 시험비행에 성공했다.
이번 연구개발 결과는 기존의 소형 무인기 동력원으로 사용되던 2차 전지를 대체할 수 있는 새로운 동력장치인 연료전지를 이용, 무인기의 임무 한계를 획기적으로 확장할 수 있는 가능성을 열었다는 데 큰 의의가 있다. 감시정찰을 목적으로 하는 소형 무인기는 미국 등 기술 선진국에서 실용화 되었으나, 동력원인 배터리의 에너지 밀도가 낮아 제한적인 임무수행만이 가능했다. 權 교수 연구팀이 개발한 무인기의 연료전지 동력장치는 소음이 없고 효율이 높으며, 액상 수소화물로부터 수소를 추출하기 때문에 기존의 배터리에 비해 에너지 밀도를 10배 이상 향상시켰다. 이번에 개발된 연료전지는 무인기 뿐 아니라 로봇의 전원으로도 사용이 기대된다.
▣ 개발배경연료전지는 차세대 동력원으로 세계 각국에서 개발경쟁이 치열하다. 국내에서도 몇몇 전자 및 화학 업체에서 노트북 컴퓨터용 연료전지를 개발하여 시연한 바가 있고, 자동차 회사에서는 엔진을 대체하기 위한 연료전지를 연구 중에 있다. 그러나 연료전지의 우수성이 잘 나타날 수 있으며 연료전지가 아니면 구현 자체가 어려운 장치는 무인기나 로봇 등과 같은 소형 모바일 시스템이다. 미국의 해군연구소와 조지아공대(Georgia Tech)의 연구팀이 연료전지 무인기를 연구해 왔으나, 이들은 고압의 수소가스를 저장하여 사용하므로, 에너지 밀도를 높이는 데에는 실패했다. 또한 연료 재보급을 위한 시설 등 운용상의 문제점도 가지고 있다. KAIST의 權 교수 연구팀은 액상 수소화물에서 수소를 추출하여 연료전지 스택에 공급하는 시스템을 개발했으며, 이를 시험용 무인기에 탑재하여 장시간 안정적으로 시험비행 하는데 성공했다.
▣ 핵심기술의 내용權 교수팀에서 사용한 연료인 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 불연성이고 안정한 친환경 물질로써, 취급이 용이하고 수소 함량이 높다. 이 물질로부터 추출된 수소는 순도가 높기 때문에 연료전지 시스템 적용이 수월하다. <그림 1>은 프로펠러를 포함하는 전체 시스템의 구성도이다. 수화물을 가수분해하는 촉매 반응기, 전기를 발생하는 연료전지 스택, 동력을 충전 및 공급하는 동력제어장치, 프로펠러를 구동하는 전기모터로 이루어져 있다. 촉매 반응기에서 가수분해 과정을 통해 발생한 수소는 연료전지 스택에서 전기를 발생한다. 전기에너지는 동력제어장치에 충전되었다가 출력 요구 시 전동모터를 구동한다. <그림 2>는 동력발생 장치를 무인기에 탑재한 모습이다. 이번에 개발된 연료전지 무인기는 무게 2kg(연료전지시스템 750g 포함)으로써 500g의 연료를 싣고 10시간 이상 비행할 수 있다. 이는 배터리 동력원을 갖는 기존 무인기 항속시간의 10배에 달한다.
<그림 1> 동력계통의 구성
<그림 2> 동력 장치가 탑재된 무인기
<그림3> 무인기가 비행하는 광경
2007.10.12 조회수 21011 -
권세진 교수, 소형인공위성 추진기 국내 독자 개발
- 소형위성 추진기에 세계 최초로 고성능 액체추진제 사용 방식 적용
- 소형인공위성 최고 기술인 서리대학 냉가스 추진기의 약 4배 추진 성능- 소형인공위성 수명주기 연장과 임무 한계 확장에 획기적 기여 기대
KAIST(총장 서남표) 항공우주공학과 권세진(權世震, 47) 교수팀과 (주)스페이스솔루션(대표 이재헌)이 공동으로 소형인공위성 운동제어용 마이크로 추진기를 국내 독자 기술로 개발했다.
權 교수팀은 소형인공위성 추진기 시스템의 핵심 기술인 촉매 반응기와 추진체 공급 시스템을 통합, 위성 탑재가 가능한 일체형 추진기를 개발하는데 성공했다.
權 교수팀의 소형인공위성 추진기는 세계 최초로 고성능 액체 추진제를 사용했다. 액체상태의 과산화수소를 추진기 촉매층에서 수증기와 산소로 분해시키면 다량의 열을 방출하게 되며, 이 열이 가스의 운동에너지로 변환되어 추진력을 발생하게 된다.
이 추진 장치는 1뉴톤 미만의 추진력으로 수십 kg급 인공위성의 운동제어가 가능하며, 소형위성의 최고기술을 보유하고 있는 영국 서리(Surrey) 대학의 냉가스(Cold gas) 추진기보다 약 4배의 추진 성능을 가지고 있다.
權 교수는 “영국 서리 대학에서도 유사 시스템 개발을 추진해 왔으나, 촉매 반응기 베드 문제를 아직 해결하지 못하고 있다”며 “과학 위성급 소형인공위성의 수명주기 연장과 임무한계의 확장에 획기적인 기여를 할 것으로 기대된다. 또한 항공우주연구원에서 개발 중인 우주발사체의 상단부 자세 제어에도 활용이 가능하다”고 말했다.
<소형인공위성 탑재용 추진기 모듈>
<추진기 모듈의 시험 광경>
2006.08.25 조회수 17557