项目来源

韩国国家科技基金

项目主持人

김정환

项目受资助机构

원광대학교 산학협력단

项目编号

未公开

财政年度

2024,2023,2022

立项时间

未公开

研究期限

未知 / 未知

项目级别

国家级

受资助金额

72360000.00韩元

学科

未公开

学科代码

未公开

基金类别

개인기초연구(과기정통부)

关键词

未公开

参与者

未公开

参与机构

未公开

项目标书摘要：연구내용본 연구자는 우수 국제학술지에 해당 과제를 주제로 한 원고를 작성하고 게재하는 것을 목표로 한다.열-탄성 감쇠에 있어서 비국소 탄성이론 및 MCS 이론에 대한 효과를 각 형태별 모델에 있어서 시뮬레이션하고 그 결과를 실제 상황에 적용할 수 있는 기반을 마련하여 장래 실제 모델 개발 시에 참고가 될 자료를 구축함을 목표로 한다.이후 그래핀이나 CNT 등에 적용 가능한 원통형 셸에 대한 해석,주파수 도메인에 의한 랜덤진동 해석으로 확장하여 연구 진행이 가능하도록 이론을 수립한다.a.나노스케일 MEMS 구조물의 진동수 해석에 있어서 고진동수이거나 초전도체 수준의 극저온에 있어서 열-탄성 감쇠(thermoelastic damping)현상에 대한 해석적 고찰을 주 목표로 한다.b.분자 수준 내부 마찰력에 의해 생기는 열-탄성 감쇠는 진동수의 함수로 수립되는 모델로 구조물의 크기가 중요한 인자로 작용한다.c.일반적인 매크로 스케일의 구조물과 비교하여 나노스케일 구조물은 매우 높은 진동수를 가지며 또한 열유속과 온도구배의 시간지연을 충분히 반영할 수 있도록 해석하여야 한다.그리고 원자 크기 규모 해석 도중 필요한 여러 가지 물성 파라미터가 요구된다.d.1상 지연 열전도 방정식의 경우 열유속과 에너지 전달 관계 규명은 가능하나,온도구배에 대한 시간지연이 없어 온도구배와 에너지 전달 사이의 관계 규명을 완벽하게 설명하기 어렵다.특히 본 모델은 열유속과 온도구배의 경우 둘 중 어느 하나가 선행할 수 있음도 탐구한다.e.열유속에서의 시간지연은 열관성의 빠른 전달 효과로 인한 이완 시간이며,온도구배의 시간지연은 음향양자(음자,phonon)의 산란과 같은 미세구조 상호작용에 의한 열 활성화에 필요한 시간이다.2상 시간지연 모델은 열역학 2법칙과 더불어 볼츠만 수송방정식으로 수립된다.시간지연 현상에 대해서 시각적 표현이 필요할 경우 그에 대한 해석도 동시에 수행하여 직관적으로 이해할 수 있도록 한다.f.극저온에서는 물성치에 따른 함수인 제2음장(second sound)현상의 영향이 특히 중요해지며 이로 인해 열유속과 온도구배에 대한 시간지연 현상을 연구한다.g.비국소 탄성이론은 나노 구조물에 있어서 응력장이 연속체 상 다른 점들과 연결된다는 실제 상황을 단순화하여 적분형 응력텐서 또는 3차원 미분형 연산자를 2차원 미분형 연산자로 바꾸어 운동방정식을 수립한다.원자간 힘과 길이가 재료적 특성으로서 적용되어 해석의 정확성을 높인다.h.수정커플응력이론 역시 미소 구조물의 거동을 모사하는 데 있어서 추가적인 물성 파라미터의 수를 줄여 계산에 대한 부담을 크게 감소시키는 데 기여하고 있다.변형에너지에 회전구배의 대칭항,비대칭항이 존재함에 있어서 커플응력텐서의 모멘트 평형 가정을 이용한 고차방정식 단순화로 비대칭항을 제거하여 1개의 파라미터 추가만으로 나노 스케일에서 커플 응력에 의한 포텐셜 에너지 성분을 유도할 수 있다.i.불균일 질량은 주파수 분열을 일으켜 자이로의 정밀도를 떨어뜨린다.이러한 현상을 보완하기 위한 방법으로 고유진동수에 대한 트리밍 개념을 도입할 수 있으며,새로운 질량 추가로 두 주파수의 갈라짐을 통일시켜 주파수 분열을 상쇄시킨다.j.랜덤 진동에 대한 스펙트럼 분석을 진행할 예정이며 이는 불균일 질량이 있는 보와,불균일 질량이 없는 링에 대해서 각각 수행할 예정이다.a.열전도 방정식을 수립한다.일반적인 푸리에 열전도 방정식에 열유속의 시간지연과 온도구배의 시간지연을 동시에 반영한다.b.지배방정식에 대해서 각 구조물의 형상에 맞는 좌표계를 반영한다.원형단면 링에서는 원통형 좌표계가 가장 적합한 방안이다.c.구조물의 일반적인 고유진동수는 DMV 가정을 사용하여 구한다.또한 2상 시간지연 모델을 도입하여 운동방정식을 수립한다.d.구조물의 형상에 따라 열-탄성 감쇠 모델을 개발하고,복소수 형태의 고유진동수를 도출하여 지배방정식의 해를 구한다.e.시간지연 현상을 적용하지 않은 경우와의 결과를 비교하고,극저온이나 초고진동수 환경에서 어떤 양상을 보이는지 고찰하여 논문을 최종 작성한다.특히 관련 실험 자료가 있는 경우,그 경향성을 파악하기 위해 적극 인용하고 현재 논문의 결과와 일치하는지 분석한 후 유사 경향성을 본 논문에 적용한다.또한 각각의 사례별로 불균일 질량의 영향에 대해서도 분석한다.f.랜덤 진동에 있어서는 스펙트럼 해석을 수행하고,또한 반공진 상황에 있어서 필수적인 교차 스펙트럼 해석에 대한 내용을 추가한다.g.또한 구조적 반응에 있어서 극값 분석을 추가하여 응력 극값의 작은 오차가 구조물 피로 수명에 영향을 줌을 증명하고 이를 토대로 시뮬레이션한 결과를 예측하도록 한다.a.우선 크게 나누면 불균일 질량이 없는 원형단면 링,불균일 질량이 있는 사각단면 링,불균일 질량이 있는 원형단면 링,불균일 질량 트리밍이 포함된 사각단면 링 등 총 4가지의 형상에 대해서 논문 작성이 가능하다.또한 파생된 결과를 토대로 사각판,원통형 셸 등 다른 단면에 대해서도 확장이 가능할 것으로 예측한다.b.그 이외에도 진동해석과 비슷한 방법으로 접근 가능한 좌굴안정성 해석 방법이 있으며 경사기능성재료(FGM smart skin structure)에 있어서 층박리(delamination)현상으로 확장 가능하다.특히 상기 모델의 경우는 본 지배방정식 전개와 비슷한 원리로서 접근 가능하여 수학적 해결은 어렵지 않을 것으로 예측한다.2)연구과제의 기대효과 a.열-탄성 감쇠는 보통 매크로 스케일에서는 무시되나 진공상태 등으로 인해 내부 감쇠의 효과가 극대화되면 mm 단위의 매크로 스케일에서도 중요해진다.또한 수정커플응력이론과 비국소 탄성역학적 모델 개발은 이후 멀티스케일 유한요소 접근법에 있어 분자동역학 시뮬레이션과 매크로 스케일 연속체 유한요소해석법 간의 연결에 적극 활용될 가능성이 높다.b.나노 스케일 구조물은 기존 전통적 구조 재료 대비해서 더욱 수준 높은 역학적,열적 특성을 갖고 있고 또한 더욱 세심한 조작을 통해 인류 산업 발전에 기여할 가능성이 높다.대표적으로 항공우주공학,미세 메카트로닉스 공학 등의 분야에서 그러한 발전 가능성이 돋보인다.나노 구조물에 대해 수준높고 정확한 이해는 거동 중의 신뢰도 향상에 있어서 반드시 필요하며 이로 인해 나노 기능성 소자 또는 생체기능소자 등을 개발함에 있어서 정확성을 담보할 가능성도 높여줄 것이다.c.이후 실제 센서,액추에이터 등 개발 시에 있어서 본 연구과제와 연관된 이론을 적용하면 초전도체 개발 등에 필요한 가혹조건에 있어서 반드시 고려해야 할 사항을 빠짐없이 적용하여 이론에 더욱 가까운 상황을 도출할 가능성을 증대시켜 나노 기술에 대한 대체 불가능한 국내 과학기술력 발전에 이바지할 것이다.d.이러한 기술개발은 경쟁국가가 빠른 속도로 기술 개발에 박차를 가하는 상황에서 군사 안보적 문제로 무역이 금지된 기술에 대해 독자적인 연구를 수행하여 기술 자주 실현을 성취할 것이며 또한 파생기술을 통해 국가적 연구역량,기술역량을 확보할 수 있는 방안으로 활용될 가능성이 크다.