기계설계실/Center for EAPap Actuator는 미래기계기술을 습득하고 고도의 부가가치를 창출할 수 있는 기계공학도의 배출에 역점을 두고 있다. 이러한 창의성 있는 교육은 종래의 경험에 의존한 설계에서 벗어나서 컴퓨터를 응용한 설계와21세기에 새롭게 대두되는 스마트재료를 응용한 기계공학 시스템의 설계를 통하여 더욱 발전할 수 있다. 본 실험실에서는 컴퓨터를 이용한 기계시스템의 설계와, 스마트재료를 응용한 미래에 요구되는 기계시스템의 설계에 연구방향을 맞추고 있다. 스마트재료 연구는 압전재료, Electro-Active Polymer, 셀룰로오스기반 하이브리드 나노복합재 등과 이에 대한 응용연구를 하고 있다.

- Piezo Paper

셀룰로오스의 압전 효과를 일으키기 위해 셀룰로오스 결정영역을 배열하여 압전성을 극대화하고 셀룰로오스의 이온을 제거함으로써 Piezo Paper를 만들 수 있다. 이 압전 종이의 압전 상수(d31)는30-50pC/N으로 압전성이 우수하며, 친환경적이고 가격이 저렴한 장점이 있다.

- Ionic EAPap

셀룰로오스 기반의EAPap는 온습도에 민감하고 높은 습도에서는 내구성이 낮다. 낮은 주파수에서 큰 변형을 내고 상온 상습 조건에서 내구성을 향상시키기 위하여, 셀룰로오스의 이온전이 효과를 극대화 하였다. 셀룰로오스는 결정영역 뿐만아니라 비결정영역이 있어, 비 결정영역의 수산기들이 쉽게 다른 이온들과 결합할 수 있다. PEO/PEG, 키토산, 알긴산 나트륨, 전도성 고분자, 이온 유체 등을 셀룰로오스에 삽입 또는 도포시켜 이온 이동성 효과를 최대화한다. 이렇게 만들어진 셀룰로오스-전도성 고분자-이온성 유체 복합재(CPIL)는 상온상습 조건에서 큰 변형을 내며 내구성이 매우 우수하여, 생체모방 작동기에 사용할 수 있다. 또한CPIL은 높은 정전용량을 가지므로, 슈퍼 캐퍼시터, 연료전지의 분리 이온막으로 사용될 수 있다.

- Hybrid EAPap

셀룰로오스의 재생성, 생분해성은 최신 어플리케이션에 필수적인 특성이다. 이러한 환경 친화적인 특성을 토대로 일회성 기기들을 만들 수 있다. 탄소나노튜브, 산화아연(ZnO) 이산화 티타늄(TiO2), 이산화 주석(SnO2)같은 기능성 무기물 재료들은 넒은 밴드갭, 화학적 안정성, 전기 전도성, 광촉매성, 감광성이라는 뛰어난 특성들을 가지고 있기 때문에 하이브리드EAPap 복합재를 만들 수 있다. 이러한 나노복합재는 각종 센서재료 및 전자재료로 사용 가능하다. 

- Biomimetic Actuators

에너지 소모가 적고 반응성이 뛰어난 셀룰로오스EAPap를 높은 압전성 및 이온 전이효과를 갖도록 개질하여 성능을 개선하고, 이를 이용하여 생체의 움직임을 모사한 생체 모방 작동기를 제작 및 작동성능, 내구성, 내환경성을 연구한다.

- Film type Haptic Actuator

가상의 감촉을 생성하여 기기 사용의 몰입감을 높이기 위하여 셀룰로오스 기반의 정전기력 구동 필름타입 햅틱 액추에이터를 제작한다. 정전기력으로 구동하는 필름타입 햅틱 액추에이터는 얇고 에너지 소모가 적어 소형, 고효율을 지향하는 모바일 기기에 활용이 기대된다.

- Chemical/Physical/Bio Sensor

금속 산화물은 생 적합성과 비독성, 나노 구조, 기능성, 촉매 특성, 전기적 전도성, 강한 흡수가능성, 마이크로 환경에 대한 적합성 등 바이오센서 재료로 많은 장점을 갖는다. 이 연구에서는 이러한 금속산화물의 장점에 셀룰로오스가 갖는 취득의 용의성, 유연성, 생분해성 및 생 적합성을 적용하여 유연하고 생 친화적이며 생 분해가 가능하여 환경 친화적인 저가의 일회용 바이오 센서의 제작을 목표로 하고 있다.

- Reconfigurable Lens Actuator

셀룰로오스를 비롯하여 리그닌, 키틴, 키토산, 젤라틴, 폴리락타이드, 폴리글라이코라이드 및 전분 등 친환경 지속가능 원료 확보 기술, 이들의 고도화 기술인 나노셀룰로오스 및 재생 셀룰로오스 제조, 개질 및 성형 기술, 기능성 물질과의 하이브리드화 등 초소형 가변초점 렌즈 어레이에 활용될 수 있는 고성능의 맞춤형 바이오 소재 개발 및 내구성, 내환경성을 연구한다.

Joo-Hyung Kim, Seongcheol Mun, Hyun-U Ko, Gyu-Young Yun and Jaehwan Kim
Disposable chemical sensors and biosensors made on cellulose paper
Nanotechnology,  2014, Vol. 25, No. 9, pp. 92001~ 0

Seongcheol Mun, Yi Chen and Jaehwan Kim
Cellulose-titanium dioxide-multiwalled carbon nanotube hybrid nanocomposite and its ammonia gas sensing properties at room temperature
Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, Vol. 171, No. 0, pp. 1186~ 1191

Yi Chen, Nayak Jyoti, Ko Hyun-U and Jaehwan Kim
Effect of annealing temperature on the characteristics of ZnO thin films
Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2014, Vol. 73, No. 11, pp. 1259~ 1263

Sungryul Yun and Jaehwan Kim
Mechanical, electrical, piezoelectric and electro-active behavior of aligned multi-walled carbon nanotube/cellulose composites
Carbon, 2011, Vol. 49, No. 2, pp. 518~ 527

Jaehwan Kim, Sungryul Yun and Zoubeida Ounaies
Discovery of cellulose as a smart material
Macromolecules, 2006, Vol. 39, No. 12, pp. 4202~ 4206