좌측부터 인천대 기계공학과 박형범 교수, 인천대 기계공학과 석박통합과정 Hoang Quang Ninh, KIST RAMP융합연구단 이성호 박사, 이소라 박사 후 연구원
인천대학교 기계공학과 박형범 교수와 한국과학기술연구원(KIST) RAMP융합연구단 이성호 박사 공동 연구팀은 탄소섬유의 제조공정에 따른 이방적 계면 물성을 규명하고, 이를 전산 역학적으로 정량 평가할 수 있는 새로운 방법론을 개발했다. 연구진은 원자힘 현미경(AFM) 이미지를 유한요소 시뮬레이션에 직접 적용하여 섬유의 종·횡·수직 방향 계면 거동을 체계적으로 분석할 수 있는 모델링 기법을 세계 최초로 제시했다. 이 연구는 복합소재의 기계적 맞물림과 화학적 상호작용을 정밀하게 규명함으로써, 고강도·고신뢰 복합재 설계에 새로운 방향성을 제시했다. 본 연구는 과기정통부와 산업통상자원부의 지원으로 수행되었으며, 주요 성과는 국제 저명 학술지 Composites Part B: Engineering과 Carbon에 각각 게재되었다.
인천대학교(총장, 이인재) 기계공학과 박형범 교수와 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) RAMP융합연구단1) 이성호 박사 연구진으로 구성된 공동 연구팀은 탄소섬유의 제조공정에 따른 이방적 계면 물성을 규명하였으며, 전산 역학을 통해 이를 정량 평가할 수 있는 방법론을 공동 연구를 통해 개발하였다.
본 연구팀은 실제 표면 지형을 반영하는 탄소섬유 표면의 원자힘 현미경(AFM) 이미지를 유한요소 시뮬레이션에 직접 도입하여, 섬유에 대해 종방향, 횡방향 및 수직 방향에서의 계면 거동을 체계적으로 분석할 수 있는 새로운 모델링 접근법을 최초로 개발하였다. 이러한 거동은 복합소재의 물성 결정에 중요하나, 일반적인 실험으로는 평가하기 어려운 부분으로, 본 연구는 이방적 표면 거칠기로 인한 기계적 맞물림과 계면 상호 화학 거동 사이의 복합적 상호작용을 밝혀내며, 구조용 복합재 설계에 새로운 통찰을 제공하였다.
공동 연구팀은 이번 연구 성과를 “전산 역학 방법론을 통한 복합소재 내 탄소섬유의 실용적 물성 평가 기술”이라고 강조하였으며, “보다 강하고 신뢰성 높은 복합재료 개발을 위한 명확한 방향성을 제공한다”고 설명하였다. 또한 “공정-구조-물성간의 복합적인 상호작용을 이해함으로써, 향후 복합재 응용을 위한 최적화된 설계 및 가공 전략을 수립할 수 있는 기회를 열었다”고 덧붙였다.
본 연구 결과는 과학기술정보통신부(장관 배경훈) 지원으로 KIST 융합연구단사업(CRC23013-000)과 나노 및 소재기술개발사업(2021M3H4A1A0304129), 산업통상자원부(장관 김정관) 지원 연구개발사업(RS-2024-00431920, RS-2025-19002973)의 일환으로 수행되었으며, 연구팀의 논문“Characterization of CFRP Interface Properties with Varying Fiber Surface Roughness Using AFM Measurements and Finite Element Modeling”과“Effect of Plasma Modification on the Anisotropic Surface Structure of PAN-based Graphitic Carbon Fiber”는 각각 다학제적 엔지니어링(Composites Part B: Engineering IF: 14.2; 2024 JCR 상위 0.3%)과 다학제적 재료과학 분야(Carbon IF: 11.6; 2024 JCR 상위 10.1%)의 저명 학술지에 26년 1월 (Vol. 308), 25년 7월 (Vol. 242) 일자로 각각 게재되었다.
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