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스피리컬 조인트를 이용하여 다중 쿼드로터를 결합한 공중조작시스템의 모델링 및 제어
김주혁(Juhyeok Kim),뉴엔하이뉴엔(Hai-Nguyen Nguyen),이동준(Dongjun Lee) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2015 No.11
We introduce a new aerial manipulator system that consists of an airborne base actuated by spherically-connected multiple quadrotors and a manipulator rigidly connected to that base. We first model the dynamics of the system and show that attitude dynamics of each quadrotor is decoupled from the base-manipulator dynamics. We then use Lyapunov approach to design a pose-tracking control for the end-effector of the manipulator and optimally distribute that control input to each quadrotor on the base and each joint rotor of the manipulator. The simulation of a system of three quadrotors and a 2 degree-of-freedom(DOF) manipulator is presented to support the theory.
토도로카이트 내 Mg<sup>2+</sup> 배위구조에 대한 고전분자동력학 연구
김주혁 ( Juhyeok Kim ),이진용 ( Jin-yong Lee ),권기덕 ( Kideok D. Kwon ) 한국광물학회 2019 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.32 No.3
토도로카이트(todorokite)는 3 × 3 망간 팔면체로 이루어진 상대적으로 큰 나노공극(nanopore)을 가지는 터널구조의 산화망간광물로 나노공극에 다양한 양이온 함유가 가능하기 때문에 금속이온 거동에 큰 역할을 할 수 있다. 주로 결정도가 낮고 다른 산화망간광물들과 함께 집합체로 발견되어 나노공극 내부 양이온의 배위(coordination)구조는 실험만으로 여전히 규명하기 매우 어렵다. 이번 논문에서는 고전분자동력학(classical molecular dynamics, MD) 시뮬레이션을 이용하여 토도로카이트 터널에 함유된 Mg<sup>2+</sup> 이온의 배위구조에 대한 연구결과를 처음으로 소개한다. 기존 실험에서는 토도로카이트 내부에 함유된 Mg<sup>2+</sup>가 공극의 중앙에 우세하게 자리한다고 알려져 있다. MD 시뮬레이션 결과, Mg<sup>2+</sup> 이온의 약 60 %가 나노공극의 중앙에 위치하지만, 약 40 %의 Mg<sup>2+</sup>는 광물의 표면에 해당하는 공극의 코너에 위치하였다. 공극 중앙의 Mg<sup>2+</sup>는 수용액에서처럼 물 분자와 6배위수를 보였다. 공극 코너의 Mg<sup>2+</sup> 역시 6배위수를 보였는데, 물 분자 이외에도 망간 팔면체 표면 산소와 배위를 보였다. Mg<sup>2+</sup> 이온의 동적 거동을 파악하기 위해 계산한 평균 제곱 변위(mean squared displacement) 결과에서는, 수용액 벌크(bulk) 상태에서 갖는 물 분자와 양이온의 동적 성질이 토도로카이트 1D 나노공극에서는 유지되지 못하고 잃어버리는 것을 확인할 수 있었다. Todorokite, a tunnel-structured manganese oxide, can contain cations within the relatively large nanopores created by the 3 × 3 Mn octahedra. Because todorokite is poorly crystalline and found as aggregates mixed with other phases of Mn oxides in nature, the coordination structure of cations in the nanopores is challenging to fully characterize in experiment. In the current article, we report the atomistic coordination structures of Mg<sup>2+</sup> ions in todorokite tunnel nanopores using the classical molecular dynamics (MD) simulations. In experiment, Mg<sup>2+</sup> is known to occupy the center of the nanopores. In our MD simulations, 60 % of Mg<sup>2+</sup> ions were located at the center of the nanopores; 40 % of the ions were found at the corners. All Mg<sup>2+</sup> located at the center formed the six-fold coordination with water molecules, just as the ion in bulk aqueous solution. Mg<sup>2+</sup> ions at the corners also formed the six-fold coordination with not only water molecules but also Mn octahedral surface oxygens. The mean squared displacements were calculated to examine the dynamic features of Mg<sup>2+</sup> ions in the one-dimensional (1D) nanopores. Our MD simulations indicate that the dynamic features of water molecules and the cations observed in bulk aqueous solution are lost in the 1D nanopores of todorokite.
알루미늄 규산염(Al<sub>2</sub>SiO<sub>5</sub>) 광물의 결정구조와 안정성에 대한 계산광물학 연구
김주혁 ( Juhyeok Kim ),손상보 ( Sangbo Son ),권기덕 ( Kideok D. Kwon ) 한국광물학회 2018 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.31 No.1
알루미늄 규산염(Al2SiO5) 광물은 온도와 압력 환경에 따라 남정석, 홍주석, 규선석으로 상전이가 일어나는 동질이상(polymorph)으로 변성암의 변성정도를 유추하는 데 사용되는 중요한 광물이다. 이번 연구에서는 고전분자동력학 시뮬레이션(classical molecular dynamic simulations)과 양자역학 계산방법인 밀도범함수이론(density functional theory)을 이용하여 압력에 따른 알루미늄 규산염 광물의 결정구조와 엔탈피를 계산하고, 상대적인 안정성을 평가하였다. 격자상수 계산결과, 분자동력학과 밀도범함수이론 계산 모두 압력에 따라 부피가 줄어드는 기존의 실험결과와 동일한 경향을 보였다. 특히, 밀도범함수이론으로 얻어진 격자상수는 실험과 약 1% 이내의 오차로 매우 정확한 결과를 보였다. 그러나 엔탈피 계산 결과, 분자동력학에서는 압력에 따른 엔탈피의 변화가 거의 없어 광물 간 안정성이 역전되는 상전이 압력을 구할 수 없었다. 밀도범함수이론 계산 결과는 실험과 동일한 경향을 보여주었지만, 전자의 교환-상관 관계를 나타내는 범함수에 따라 상전이 압력이 크게 다른 결과를 보여주었다. 밀도범함수이론 계산 결과는 결정구조와 엔탈피에 대해서 모두 높은 수준의 정확도를 보여주지만, 동질이상의 상도표 작성에는 정량적으로 큰 오차를 보여주었다. Aluminum silicates (Al<sub>2</sub>SiO<sub>5</sub>) undergo phase transitions among kyanite, andalusite, and sillimanite depending on temperature and pressure conditions. The minerals are often used as an important indicator of the degree of metamorphism for certain metamorphic rocks. In this study, we have applied classical molecular dynamics (MD) simulations and density functional theory (DFT) to the aluminum silicates. We examined the crystal structures as a function of applied pressure and the corresponding stabilities based on calculated enthalpies at each pressure. In terms of the lattice parameters, both methods showed that the volume decreases as the pressure increases as observed in the experiment. In particular, DFT results differed from experimental results by much less than 1%. As to the relative stability, however, both methods showed different levels of accuracy. In the MD simulations, a transition pressure at which the relative stability between two minerals reverse could not be determined because the enthalpies were insensitive to the applied pressure. On the other hand, in DFT calculations, the relative stability relation among the three minerals was consistent with experiment, although the transition pressure was strongly dependent on the choice of the electronic exchange-correlation functional.
토양-지하수내 미세플라스틱 거동 연구를 위한 수정진동자미세저울 기술 소개
김주혁 ( Juhyeok Kim ),명현아 ( Hyeonah Myeong ),손상보 ( Sangbo Son ),권기덕 ( Kideok D. Kwon ) 한국암석학회·(사)한국광물학회 2020 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.33 No.4
최근 토양과 지하수에서도 미세플라스틱이 발견되어 미세플라스틱 환경오염 관련 연구의 중요성이 크게 대두되고 있다. 주로 μm - nm의 작은 입자로 존재하는 점토광물과 금속산화광물은 표면적이 넓어 미세플라스틱에 대한 흡착력 등 화학 반응도가 매우 높기 때문에, 광물표면 상호작용은 토양과 지하수 환경 내 미세플라스틱의 거동을 결정하는 중요한 역할을 할 수 있다. 따라서, 광물과 미세플라스틱 간의 상호작용에 대한 환경광물학 연구는 미세플라스틱 거동 예측 기술개발 및 오염대책 마련에 핵심이 되는 연구분야라 할 수 있다. 광물표면과 미세플라스틱(특히, 나노플라스틱) 연구에는 분자-나노수준의 분석기술이 요구된다. 이번 기술보고에서는 나노그람(=10<sup>-9</sup> g) 수준의 질량 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 초정밀 분석기기로, 광물 표면에 흡·탈착되는 미세플라스틱 및 나노플라스틱의 미세한 질량 변화를 측정할 수 있는, 수정진동자미세저울(quartz crystal microbalance, QCM)을 소개한다. QCM 작동원리를 소개하고, 대표적인 QCM 연구결과와 기존 컬럼 실험과의 장단점을 비교하여 미세플라스틱 연구에 QCM 활용 가능성을 논의한다. Presence of microplastics in soil and groundwater has recently been reported and environmental concerns are raised as to the plastic pollution. In the subsurface environment, clay minerals and metal oxide minerals are commonly found as finely dispersed states. Because the minerals have high sorption capacities for diverse pollutants, interactions with mineral surface play an important role in the transport of microplastics in groundwater. Accordingly, environmental mineralogy investigating the interactions between microplastics and mineral surfaces is the essential research area to understand the fate and transport of microplastics in the subsurface environment. The microplastic-mineral surface research requires molecular- to nano-scale analyses to be able to probe the relatively weak interactions between them. The current report introduces a nano-scale analysis tool called quartz crystal microbalance (QCM) that can measure the sorbed/desorbed mass of nanoplastics on mineral surfaces at the level of a few nanograms (~10<sup>-9</sup> g). This report briefly reviews the main principles in the QCM measurement and discusses applications of QCM to the environmental mineralogy research.