안녕하세요. 장준원 전문가입니다.
기계공학
Q. 마찰 교반 용접(FSW)은 어떤 원리로 작동하며, 어떤 산업에 적용되나요?
용접 기술의 혁신은 레이저 용접, 초음파 용접 등 고정밀 기술과 3D 프린팅과의 융합으로 이루어져 있습니다. 경량 소재인 알루미늄 합금, 티타늄, 복합 재료는 항공우주와 자동차 산업에서 주로 활용되고 있으며 항공우주에서는 동체와 날개의 경량화를 위해 마찰교반용접 기술이 사용되고 자동차 산업에서는 배터리 팩과 샤시 조립에 레이저 용접과 초음파 용접이 적용됩니다. 이러한 기술들은 연료 효율을 높이고 구조적 안정성을 강화하며 제조 공정의 속도와 정밀성을 크게 개선합니다.
기계공학
Q. 환경 친화적 로봇 제조 공정에서의 기계적 개선 사항
환경 친화적 로봇 제조 공정은 에너지 효율성과 자원 절약을 목표로 보통 개선되게 됩니다. 경량 소재와 재활용 가능한 부품을 사용해 자원 낭비를 줄여주고 제조 과정에서 탄소 배출 감소 기술을 적용하게 됩니다. 모듈화 설계로 부품 교체를 용이하게 하여 수명을 연장하고 3D 프린팅과 같은 기술로 원소재 낭비를 최소화해줍니다. 또한 제조 설비에 재생 에너지를 활용하고 폐기물 관리를 통해 환경 영향을 줄입니다. 이런 개선들은 로봇 제조가 환경에 미치는 부정적 영향을 줄이고 지속 가능한 제조를 실현합니다.
기계공학
Q. 로봇 팔에서 사용하는 역기구학(Inverse Kinematics)의 원리는 무엇인가요?
역기구학은 로봇의 끝단 위치를 기반으로 각 관절의 각도와 위치를 계산하는 기법으로 정밀 제어에 필수적인데요. 이를 위해 행렬 연산과 삼각법을 활용해 각 관절의 회전과 변위를 계산하고 다자유도 시스템에서 복잡한 계산이 요구되게 됩니다. 로봇 공학에서 역기구학은 모션 플래닝과 제어 알고리즘에 적용되어 목표 위치를 정확히 따라가도록 하고 센서와 제어 시스템이 관절의 피드백을 실시간으로 제공해 오차를 보정합니다. 이는 정밀 제조, 수술 로봇, 물류 자동화 등 다양한 응용 분야에서 로봇의 효율적 동작을 가능하게 합니다.
기계공학
Q. 전기자동차의 냉각 시스템이 내연기관 차량과 어떻게 다른가요?
전기차의 냉각 시스템은 공랭식과 액랭식으로 나뉘는데요. 공랭식은 단순하고 비용이 낮지만 효율이 떨어지고 액랭식은 열 전달 효율이 높아 고성능 전기차에 적합합니다. 배터리 온도 관리는 성능과 안전성에 핵심적 역할을 하며 적정 온도(25~40°C)를 유지해야 효율과 수명을 극대화할 수 있습니다. 만약 과열하게 된다면 화재 위험이 증가하게 되고 저온에서는 출력과 충전 성능이 저하됩니다. 열관리 기술은 냉각수, 열교환기, 히트펌프 등을 활용해 열을 효과적으로 분산시키고 전기차의 안정성과 성능을 유지합니다. 적절한 온도 관리는 배터리의 신뢰성과 사용자 안전을 보장하기에 매우 중요하다고 할 수 있겠습니다.
기계공학
Q. 풍력 터빈 블레이드의 형상은 어떻게 효율에 영향을 미치나요?
풍력 터빈 블레이드는 공기역학적 설계를 통해 바람 에너지를 전기에너지로 변환하게 됩니다. 블레이드는 양력과 항력의 균형을 최적화해 회전 속도를 극대화하여 길이와 각도, 곡률이 에너지 효율에 큰 영향을 주게 되는데요. 블레이드 재질은 경량화와 강도를 고려해 설계되며 복합 재료가 주로 사용됩니다. 터빈 설계는 베츠의 한계를 고려하며 흐름 제어 기술과 회전 제어 기법을 추가로 사용해 효율을 높입니다. 재생 에너지는 기계 설계와 밀접히 연결되어 있으며 설계 최적화를 통해 에너지 변환 효율과 구조적 안정성을 동시에 달성합니다.
기계공학
Q. 열역학 제2법칙이 냉장고 및 에어컨에 어떻게 적용되는지 설명해주세요.
열역학 이론은 냉장고, 자동차 엔진, 발전소 등 일상 기기에 응용되고 있습니다. 엔트로피 증가는 에너지가 사용 가능 상태에서 무질서한 상태로 변한다는 것을 의미하는 것이고 이는 에너지 손실과 효율 한계를 설명합니다. 예를 들어보자면 자동차 엔진은 연료의 화학 에너지를 열과 일로 변환하지만 일부 에너지는 폐열로 손실됩니다. 열기관의 효율은 카르노 사이클에 의해 제한되며 온도 차이를 최대화할 때 효율이 높아집니다. 이러한 원리는 냉장고에서도 반대로 적용되어 열을 한쪽에서 흡수하고 다른 쪽으로 방출합니다. 열역학은 에너지 변환을 최적화하고 기기의 효율성을 높이는 데 필수적입니다.
화학공학
Q. 화학 공정 안전에서의 위험 분석은 어떻게 이루어지나요?
화학 공정의 안전을 위한 위험 분석은 HAZOP, FTA, FMEA 등의 기법으로 이루어져 있습니다. 하나씩 설명드리자면 HAZOP은 공정의 각 단계에서 이상 상황을 시나리오로 검토하고 FTA는 특정 사고의 원인을 논리적으로 추적하며 FMEA는 개별 장치의 고장 모드가 공정에 미치는 영향을 분석합니다. FMEA는 제조업에서도 활발히 사용되고 있습니다. 추가로 QRA는 사고 확률과 피해 규모를 수치화해 위험을 평가합니다. 이러한 분석을 통해 안전 대책을 수립하고 사고를 예방하고 공정의 신뢰성과 안전성을 높입니다.
기계공학
Q. 비행기 엔진의 작동 원리는 무엇인가요?
비행기 엔진은 공기를 흡입해 압축하고 연료를 혼합해 연소시켜 고온 & 고압의 가스를 생성하게 되고 이 힘으로 비행기를 날 수 있게 추진력을 보태주게 됩니다. 이 가스가 엔진의 터빈을 회전시키며 추진력을 만들어내느데 주로 사용되는 터보제트 엔진은 고속 비행에 적합하고 터보팬 엔진은 효율성과 저소음으로 상업용 항공기에 많이 사용됩니다. 비행기 엔진은 고도에서의 낮은 산소 농도와 극한 환경에서도 안정적으로 작동하도록 설계되었고 또한 경량화와 연료 효율성을 중시해 특별한 재료와 공학 기술이 적용됩니다.
기계공학
Q. 3D 프린팅이 금속 가공 산업에 미치는 영향과 장단점은 무엇인가요?
3D 프린팅의 장점은 복잡한 형상 제작과 디자인 자유도로 전통 공정으로 어려운 부품도 아주 편리하게 제작을 가능하게 해줍니다. 소량 생산에서 금형이 필요허지 않기 때문에 비용을 절감할 수 있고 빠른 프로토타이핑으로 개발 시간을 단축합니다. 또한 재료 낭비가 적어 친환경적인 편입니다. 하지만 단점으로는 대량 생산에서 생산 속도가 느리고 재료 선택이 제한적이면서 품질이 일관되지 않을 수 있습니다. 특히나 금속 3D 프린팅은 초기 장비 비용이 높은 편이고 대형 부품 제작이 어려울 수 있습니다.
기계공학
Q. 진동 감쇠 시스템이 고층 건물에 왜 필요한지 설명해주세요.
고층 건물의 진동 감쇠 시스템은 지진이나 강풍으로 인한 구조적 흔들림을 줄여 안정성과 거주자 안전을 보장하기 위해 반드시 필요합니다. 대표적으로는 동조질량감쇠기(=TMD), 액체 감쇠기(=TLD), 수동 에너지 소산 장치 등이 있는데요. TMD는 건물 꼭대기에 무거운 질량을 설치해 진동에 반대되는 힘을 생성하며 흔들림을 줄여주게 됩니다. 유명 사례로는 타이페이 101과 같은 초고층 빌딩이 있겠습니다. TLD는 물의 움직임을 활용해 에너지를 소산시키는데 이 기술들은 구조물의 피로를 줄이고 사용자의 심리적 안정감도 높이며 현대 건축에 필수적입니다.