Introduction to Mechanical Engineering Introduction to Mechanical Engineering

Introduction to Mechanical Engineering

기계공학개론기계공학개론

기계공학개론기계공학개론

2 장 사회적 욕구에 따른 기계의 발전과정

Introduction to Mechanical Engineering Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론기계공학개론

2 장 사회적 욕구에 따른 기계의 발전과정

2.1 서론

   2.2 성능 및 경제적 ( 고효율 ) 욕구

   2.3 환경적 욕구

   2.4 인간적 욕구

2.5 문화적 욕구

      

Development Process of Machines According to Social Needs

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2.1 서론

기계공학

– 기계 또는 장치를 구상하고 이를 분석 , 설계 , 생산 , 관리 → 인간의 사회적 욕구 충족

– 사회적 욕구 : 성능 및 경제적 ( 고효율 ) 욕구 , 환경적 욕구 , 인간적 욕구 , 문화적 욕구 등

– 사회적 욕구를 충족시키는 제품개발 → 삶의 질 향상 , 기계공학 발전

– 혁신적인 제품개발 과정 → 엔지니어의 역할을 알고 사명감 및 자부심을 가지고자 함

                                                            

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성능 및 경제적 ( 고효율 ) 욕구

2.2 성능 및 경제적 ( 고효율 ) 욕구

고효율 욕구에 따른 기계의 발전

– 인간의 고효율 욕구를 충족하고 부를 창출하기 위해 다양한 종류의 제품개발

– 제품개발의 방향 : 지속적인 성능 및 경제성 ( 고효율 ) 향상 → 높은 부가가치 획득

– 대표적 사례 : 열기관 , 포드자동차의 컨베이어 시스템 등 열기관 (heat engine)

– 초기 증기기관의 효율 : 8% → 최근 차량에 사용되는 내연기관의 효율 : 30 ~ 40%,

화력발전 시스템의 열기관의 효율 : 50%

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2.2 성능 및 경제적 ( 고효율 ) 욕구

현대 쏘나타 엔진

– 연료분사기술 , 엔진전자제어기술 등으로 엔진의 성능 및 효율 지속적으로 개선

그림 그림 2.1 2.1 쏘나타 엔진의 연비와 출력의 쏘나타 엔진의 연비와 출력의 변천변천

그림 그림 2.2 YF 2.2 YF 쏘나타 쏘나타 엔진엔진

표 표 2.1 2.1 쏘나타 엔진 제원쏘나타 엔진 제원

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2.2 성능 및 경제적 ( 고효율 ) 욕구

포드자동차의 컨베이어 시스템

– 1913 년 모델 T 생산에 적용 → 대량생산 시스템 구축

– 컨베이어를 따라 움직이는 차량에 조립순서에 맞추어 작업자들이 차례대로 작업

→ 분업을 통해 생산성 크게 향상됨

– 1927 년까지 약 1500 만대 생산 → 대량생산을 통해 가격 인하 ($950 → $260)

– 대량생산의 근원적인 요인 : 분업과 상호 교환 가능한 부품 사용 ( 부품의 표준화 )

그림 그림 2.3 2.3 포드자동차의 최종 포드자동차의 최종 조립공장조립공장

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사회발전과 환경문제

2.3 환경적 욕구

농경사회에서 산업사회로의 발전

– 18 세기 산업혁명을 통해 인간의 생활환경 획기적으로 바뀜 → 질 높은 삶 영위

– 화석연료 과다 사용 → 약 120 년 후 화석연료 고갈 , 지구온난화

– 환경적 욕구 충족 절실함

→ 환경문제 ( 발전 시스템 , 자동차산업 , 세탁기 등 ) 해결을 위한 다양한 방안 필요

썩어가썩어가는 는

지구지구

무분별한 자원남용무분별한 자원남용- 이상 기온이상 기온- 해수면 상승해수면 상승- 자연생태계 변화자연생태계 변화

산업 ?그것이 뭣이여 ?

산업 ?그것이 뭣이여 ?

AD 1AD 1년년

17601760년년

18401840년년

20102010년년

BC 1000BC 1000년년

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발전 시스템과 환경

2.3 환경적 욕구

전기에너지

– 산업현장과 일상생활에서 사용하는 주요 에너지원

– 편리하고 안전한 이상적인 에너지

→ 다른 형태의 에너지로 쉽게 변환 가능 , 매우 빠르게 수송 가능

발전 시스템

– 수력발전 , 화력발전 , 원자력발전 , 신재생에너지발전 등

→ 때로는 심각한 환경문제를 수반하는 기술위험 발생

전기에너지전기에너지생산생산

삶의 풍요삶의 풍요편의성편의성

환경 문제환경 문제

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화력발전

2.3 환경적 욕구

특징

– 석유 , 석탄 , 가스 등의 연소를 통해 생성된 열에너지를 전기에너지로 변환

– 단기간 내에 원하는 장소에 설치가능 , 건설비 저렴 , 대기오염문제 발생

그림 그림 2.4 2.4 에디슨과 그가 설립한 에디슨과 그가 설립한 중앙화력발전소중앙화력발전소

그림 그림 2.5 2.5 런던 스모그 당시 대낮의 어두운 런던 런던 스모그 당시 대낮의 어두운 런던 시내시내

대기오염

– 연료자원의 고갈과 많은 온실가스 배출

→ 산성비 , 지구온난화 , 스모그 현상 , 오존층 파괴

→ 대표적인 예 : 런던 스모그 (1952 년 ), LA 스모그 (1954 년 ), 멕시코시티 스모그(1987 년 )

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원자력발전

2.3 환경적 욕구

특징– 화석연료의 무분별한 사용으로 인한 대기오염을 막기 위한 대안

– 전력생산량 (2010 년 ) / 국내 : 40%(2030 년 59% 예상 ), 세계 : 17%

– 대기오염을 야기하는 유해물질 배출되지 않음 , 연료비용 저렴 → 경제적임

그림 그림 2.6 2.6 아인슈타인과 원자력발전소아인슈타인과 원자력발전소 그림 그림 2.7 2.7 원전사고 직후의 체르노빌과 방사선원전사고 직후의 체르노빌과 방사선 유출에 의한 피해유출에 의한 피해

방사선 유출– 방사선 유출로 인한 다양한 피해 발생

→ 갑상선 질환 , 백혈병 , 암 , 임산부의 기형아 출산 및 유산 등

→ 대표적인 예 : 소련의 체르노빌 원자력발전소 사고 (1986 년 )

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신재생에너지발전

2.3 환경적 욕구

특징

– 환경문제 ( 대기오염과 방사선유출 등 ) 해결하기 위한 대안 → 저탄소 녹색성장

– 친환경성 , 경제성 , 가용성 , 기술성 , 신뢰성을 충족시키는 에너지원 개발이 요구됨

→ 화석연료를 대체할 수 있는 에너지 : 신재생에너지

– 신재생에너지발전 : 태양광발전 , 풍력발전 , 지열발전 , 해양에너지발전 등

화력발전화력발전-대기오염대기오염-온실효과온실효과

원자력발전원자력발전-방사선 유출방사선 유출

저탄소저탄소

녹색성장녹색성장

친환경성친환경성

경제성경제성

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대표적 신재생에너지발전

2.3 환경적 욕구

태양광발전– 태양전지셀로 구성된 축전지 및 전력변환장치로 구성→ 태양광을 전기에너지로 변환– 소음 , 진동 , 환경오염 없음 , 수명 20 년 이상으로 비교적 오랫동안 사용 가능– 에너지 밀도 낮음 → 넓은 공간 ( 원자력발전의 100 배 이상 ) 이 필요함 , 발전단가 비쌈

그림 그림 2.9 2.9 국내 풍력산업의 세계시장 점유율 국내 풍력산업의 세계시장 점유율 목표목표

그림 그림 2.8 2.8 복합적 신재생에너지발전 시스템복합적 신재생에너지발전 시스템 (( 태양광태양광 , , 풍력풍력 ))

풍력발전– 공기유동에 의한 운동에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 풍차를 회전

→ 기계에너지를 전기에너지로 변환– 친환경 , 저비용 , 고효율 발전방식 , 설치장소 제한 받음 , 전력생산량 소규모

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자동차산업과 환경

2.3 환경적 욕구

표 표 2.2 2.2 국내 차종별 대기오염물질 국내 차종별 대기오염물질 배출량배출량

자동차산업의 환경문제

– 이산화탄소 ( 지구온난화의 주범 ) 발생량 : 전체 발생량의 20%

→ 자동차의 편리성과 더불어 친환경 관련 기술개발 절실함

– 승용차와 화물차의 대기오염물질 배출량 : 전체 차량의 70%

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자동차산업의 에너지 문제

– 석유자원 : 약 45 년 후 고갈 될 것으로 예측

– 친환경 자동차 및 대체에너지를 이용한 자동차 기술 개발 필요

2.3 환경적 욕구

그림 그림 2.10 2.10 세계 자동차산업의 세계 자동차산업의 발전방향발전방향

미래형 자동차

– 하이브리드자동차와 연료전지자동차

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무세제세탁기와 환경 물의 소중함

– 세계인구의 40% 만성적인 물 부족 (2010 년 )

– 우리나라 : 물의 과소비 방치 시 2025 년경 물 기근 국가로 전락할 위기

2.3 환경적 욕구

무세제세탁기

– 비누와 합성세제의 보급으로 깨끗하고 위생적인 생활 영위

→ 합성세제의 무분별한 남용으로 심각한 수질오염 초래

– 무세제세탁기 : 합성세제 대신 탄산나트륨 수용액 사용

– 자외선세탁기 : 강한 자외선을 이용하여 직물 속의 박테리아와 바이러스 퇴치

그림 그림 2.11 2.11 세제를 사용하지 않는 무세제세탁기와 자외선세탁기세제를 사용하지 않는 무세제세탁기와 자외선세탁기

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편리성

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.12 18002.12 1800 년대 중국 세탁소와 드럼식 년대 중국 세탁소와 드럼식 세탁기세탁기

강가에서손 빨래

세탁통+ 휘젓는 막대

손으로 돌리는수동세탁기

전기세탁기

편리성 : 편리하고 이용하기 좋은 특성 – 기계 , 장치 ( 예 : 세탁기 , 청소기 , 자동차 등 ) 를 설계 제작할 때 일반적으로

편리성 추구 세탁기

– 세탁의 역사 : 인간이 옷을 입기 시작한 선사시대부터 시작

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청소기

– 가사노동을 줄여주는 대표적 가정용품

– 주거환경 , 근무환경 등 생활환경을 청결하게 유지

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.13 2.13 무인로봇청소기무인로봇청소기

빗자루+걸레

전기청소기 로봇청소기

로봇청소기

– 각종 센서들과 제어프로그램 , 구동기 등 장착

– 모든 청소과정과 청소상태까지 스스로 판단하여 처리

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자동차

– 운전기기 조작의 자동화 → 이동에서의 편의성 향상 ( 지능형 운전 시스템 ,

차량항법장치 , 자동주차 시스템 등 )

– 전자화 , 지능화 , 무인화 , 인간공학 및 감성공학 기술 접목

→ 사무실 기능을 갖춘 생활공간으로서의 편의성 향상 (마사지 시트 등 )

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.14 2.14 자동차의 편의성 향상을 위한 장치자동차의 편의성 향상을 위한 장치

하늘을 나는 자동차

– 제한된 도로와 지속적인 자동차의 증가로 인한 불편

→ 수 km 상공에 설치된 하늘 도로를 주행하는 하늘을 나는 자동차 개발

그림 그림 2.15 2.15 하늘을 나는 자동차하늘을 나는 자동차

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안전성 안전성

– 외부의 위협으로부터 생명을 지키고 안전하기를 바라는 욕구

– 제품개발 시 안전성 문제 최우선적으로 고려 ← 인간의 고귀한 생명과 직결

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.16 2.16 적응순항제어 시스템과 세라믹 브레이크 디스크적응순항제어 시스템과 세라믹 브레이크 디스크

자동차의 안전성

– 교통사고에 의한 물적 피해 : 18 조원 (2000 년 )

– 지능수송 시스템 (ITS) 의 개념 적용 → 자동차의 안전성 향상

– 적응순항제어 시스템 , 세라믹 브레이크 디스크 , 에어백 , 차량자세제어 시스템 ,

차선이탈방지 시스템 등 개발

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2.4 인간적 욕구

차량 안전성 동영상 ( 전자주행안전 , 능동현가장치 , ABS)

동영상동영상 3 3 동영상동영상 1 1 동영상동영상 2 2

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쾌적성 쾌적성

– 쾌적한 환경에서 생활하고자 하는 욕구

– 선풍기 , 에어컨 , 석빙고 , 아이스박스 , 냉장고 등 개발

2.4 인간적 욕구

에어컨

– 에어컨 개발 역사 : 천연동굴 , 죽부인 → 부채 → 선풍기 → 에어컨

– 지구온난화 → 에어컨의 수요 증대

– 윌리스 캐리어 ( 에어컨의 아버지 ) : 냉수가 순환하는 냉각코일에서 물을 압축 ,

기화시켜 공기로부터 증발열을 빼앗아 온도를 낮춘 후 바람으로 내보내는 방식 개발

발전 발전 단계단계

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냉장고

– 음식물을 오랜 시간 동안 쾌적한 상태에서 유지하고 신선하게 먹고 싶은 욕구

– 중국 : BC 10 세기경부터 지하실에 얼음과 같이 음식물 보관

– 우리나라 : 신라시대 / 석빙고 , 조선시대 / 동빙고와 서빙고에서 얼음 보존 관리

– 14 세기 중국 , 17 세기 이탈리아 : 소금물 증발에 의한 기화열을 이용한 원시적인 냉장고 원리 터득 → 1834 년 영국의 퍼킨스 : 에테르를 이용한 냉동압축기 개발

→ 1926 년 미국의 GE : 밀봉된 냉장고 압축기 개발 및 대량생산

– 냉장고 덕분에 변질되지 않은 음식 ( 푸른 야채 , 소금에 절이지 않은 생선 등 )을 먹음으로 건강한 생활 영위

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.17 2.17 석빙고와 냉장고석빙고와 냉장고 냉장고의 쾌적함냉장고의 쾌적함

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속도감 속도감의 욕구

– 많은 사람들이 빠른 속도와 급 가속에서 쾌감을 느낌

– 놀이동산의 놀이기구 , 스키 , 스노보드 , 고속 수송 시스템 등 개발

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.18 2.18 부가티 타입 부가티 타입 1313

그림 그림 2.19 2.19 부가티 베이론 부가티 베이론 16.416.4 슈퍼스포츠슈퍼스포츠

그림 그림 2.20 2.20 블러드하운드블러드하운드 슈퍼소닉카슈퍼소닉카

자동차

– 경주용 자동차 생산시작 : 부가티 타입 13 (1914 년 )

– 가장 빠른 상용차 : 부가티 베이론 16.4 슈퍼스포츠 ( 최고속도 시속 431km )

– 가장 빠른 차 (2012 년 예정 ) : 블러드하운드 슈퍼소닉카 ( 최고속도 시속 1610km )

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철도열차

– 산업화가 되면서 이루어낸 가장 큰 업적

– 최초의 증기기관차 ‘블러처’ ( 스티븐슨 1814 년 ) : 시속 6 ~ 8km

– ‘ 로켓호’ ( 스티븐슨 1826 년 ) : 최대속도 시속 47km

→ 이후 철도는 산업화 시대의 최대 수송수단

– 초고속 열차시대 / 일본 : ‘ 신간선’ , 프랑스 : ‘TGV’, 독일 : ‘ICE’ 실용화 ,

우리나라 : ‘KTX’ 실용화 및 지속적인 개발 진행 중

→ 최고속도 시속 210km ~ 400km 로 물자의 이동과 인력의 이동 실현

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.21 2.21 스티븐슨의 증기기관차스티븐슨의 증기기관차‘‘ 로켓호로켓호’’

그림 그림 2.22 2.22 국내에서 운행중인 초고속열차 국내에서 운행중인 초고속열차 KTXKTX 와 개발 와 개발 중인중인

동력분산형 초고속열차 동력분산형 초고속열차 HEMU-400XHEMU-400X

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속도감 동영상 ( 영암 F1, KTX)

동영상동영상 1 1 동영상동영상 2 2

2.4 인간적 욕구

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미래열차

– 자기부상열차 : 초전도 현상 이용 , 바퀴를 사용하지 않음 , 레일 위를 1cm 정도 부상 ,

최고속도 시속 500km ( 일본 , 독일 이미 실용화 )

– 극초음속 지하철 ‘튜브트레인’ : 미국 MIT 매크로 엔지니어링 연구팀 개발 중

→ 진공상태에 가까운 튜브 속을 달림 , 저항이 없기 때문에 작은 동력으로 빠른 속도

→ 미국 대륙 횡단 (LA → 뉴욕 ) 21 분만에 주파 / 최고속도 시속 2 만 8 천 km

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.23 2.23 초전도 튜브트레인초전도 튜브트레인

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2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.24 2.24 위그선의 개념위그선의 개념

위그선

– 위그 (wig in ground) 선 : 수중 양력이 급증하는 해면효과를 이용한 선박 + 항공기

→ 항공기보다 경제적이고 기존의 선박보다 빠름 ( 시속 100 ~ 550km)

– 3 면으로 둘러 쌓인 우리나라의 경우 차세대 해양교통 수단으로 각광 예상

→ 수많은 섬과 섬 사이를 빠르게 이동 → 섬과 육지를 일일 생활권으로 만듦

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탐험심 미지의 세계에 대한 열망

– 탐험의 역사 곧 과학기술 발전의 역사

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.25 2.25 산타마리아호에 의한 신대륙 탐험산타마리아호에 의한 신대륙 탐험 그림 그림 2.26 2.26 아폴로 아폴로 1111 호에 의한 달 탐사호에 의한 달 탐사

인류의 이동

– 의식주 문제 해결을 위한 인류의 이동

– 새로운 세계에 대한 동경과 정복욕에 의한 인류의 이동 ( 예 : 신대륙 탐험 )

– 지상의 모든 곳을 섭렵한 인류는 불가능에 대한 도전으로 심해와 우주로 진출

( 예 : 아폴로 11 호의 달 탐사 )

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탐험심 동영상 ( 아폴로 11 호 , 이소연 소유즈호 발사 )

동영상동영상 2 2 동영상동영상 1 1

2.4 인간적 욕구

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바닷속으로 바닷속의 탐험에 대한 열망

– 물속에서 숨을 쉴 수 없는 인간이 바닷속을 자유롭게 유영하고 싶은 욕구

– 1897 년 프랑스 ‘나르발’ 잠수함 개발 : 증기기관과 배터리 사용 , 항해거리 160km

– 1954 년 미국 ‘노틸러스호’ 개발 : 가압수형 원자로 장착 , 시속 20km, 항해거리

28 만 km 인 무한잠항 원자력잠수함

– 2009 년 우즈홀해양연구소 ‘네레우스’ 개발 : 해저탐사 목적의 로봇 잠수정 ( 무인

잠수정 ), 챌린저 해연 ( 수심 10,902m) 에 도달 심해 탐사 활동

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.27 2.27 미 해군 잠수함 미 해군 잠수함 노틸러스호노틸러스호

그림 그림 2.29 ‘2.29 ‘네레우스네레우스’ ’ 로봇 로봇 잠수정잠수정

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하늘 너머로 하늘을 날 수 없는 인간이 비상을 꿈꾸다

– 고대 그리스신화 ‘이카루스’ : 새의 깃털과 밀랍으로 하늘을 날지만 밀랍이 녹아 추락

→ 미지의 세계에 대한 인간의 동경

– 15 세기 레오나르도 다 빈치 : 날개가 있는 항공기 ‘오르니톱터’ 스케치

→ 제작에 실패 하였으나 항공기를 개발하려는 최초의 과학적인 시도

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.30 2.30 태양을 향해 나는 이카루스태양을 향해 나는 이카루스 그림 그림 2.31 2.31 오르니톱터오르니톱터

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하늘을 넘어 우주로 우주를 개척하고 싶은 욕망인 탐험심의 실현

– 19 세기 프랑스의 쥘 베른 : 우주개발의 꿈을 과학소설로 표현

– 1926 년 미국의 로버트 고다드 : 액체 연료로켓 발사 성공

– 1942 년 독일의 베르너 폰 브라운 , 오베르트 : 로켓 병기 (V2 로켓 ) 개발 성공

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.32 2.32 독일의 독일의 V2 V2 로켓로켓

그림 그림 2.33 2.33 국제 국제 우주정거장우주정거장

우주개발에 대한 미국과 소련의 경쟁 구도로 많은 발전

– 1960 년대 국제 우주정거장 및 행성탐사 등 국제협력을 통해 효율적으로 발전

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건강과 생명 우리 삶에서 무엇보다 중요한 생명

– 건강과 생명에 대한 욕구는 어떠한 욕구보다도 기본적이고 강함

– 20 세기 중반까지 : 인간의 일상생활에 필요한 제품의 성능향상에 전력

– 20 세기 후반부터 : 인간의 건강증진을 위한 기술발전에 관심을 가짐

→ 레포츠 기구 , 첨단 의료기기 등 개발

2.4 인간적 욕구

그림 그림 2.34 18802.34 1880 년대 년대 자전거자전거

그림 그림 2.35 2.35 산악자전거와 안전 헬멧산악자전거와 안전 헬멧

레포츠 기구

– 타고 다니기 힘든 1880 년대 자전거 → 인체공학적 설계에 맞춘 현대 자전거

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첨단 의료기기

– 새로운 시장을 선점하기 위해 첨단 의료기기 산업으로의 진출 가속화 → 경쟁 치열

– 과거 : 2 차원 영상화 , 단순한 의료기기 개발

→ 2010 년 : 3 차원 영상진단 , 인공장기 , 의료 로봇 등 첨단 의료기기 개발 중

– ‘유비쿼터스 - 헬스’ 기술 개발 및 상품화

→ GE, Siemens, Philips 기업 : 의료사업을 대표 슬로건으로 내걸고 사업 집중

→ 우리나라 : IT강국의 이점 , 기계 + 바이오 + 정보기술 융합 의료기술 우위확보 계획

2.4 인간적 욕구

“ 헬스케어”를 인프라금융과함께 6대 글로벌 사업에 포함

GEGE SiemensSiemens PhilipsPhilips 우리나라우리나라

“ 요람에서 실버까지 건강을 지킨다” 슬로건 내걸고 환자 중심의 진료 및 치료 사업을 핵심사업으로 재편

“ 가전 , 조명 , 헬스케어”를 3대 축으로 삼는 사업구조 및 사업방향 수립

“ 기계 + 바이오 + 정보”기술 접목 세계경쟁력 우위확보 계획

GE 사의초음파진단시스템

Siemens 사의초음파진단시스템

Philips 사의초음파진단시스템

개발 중인복강 수술로봇

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2.4 인간적 욕구

동영상 동영상

건강과 생명 동영상 ( 다빈치 로봇 )

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문화적 욕구 김치냉장고

– 김치의 감칠맛을 원하는 한국사람들의 욕구 충족

– 1993 년 위니아 만도 김치연구소 : 김치냉장고 개발 착수

– 김치냉장고의 대표적 기술 : 직접냉각방식 , 상부개폐방식 적용

→ 일반냉장고 (3 ~ 4°C) 보다 낮은 온도 -1°C 유지 , 온도변화 최소화

2.5 문화적 욕구

그림 그림 2.36 2.36 김치냉장고김치냉장고

그림 그림 2.37 2.37 김치냉장고와 일반냉장고의 김치냉장고와 일반냉장고의 온도변화온도변화

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2.5 문화적 욕구