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    신진연구자인터뷰는 기계및 건설분야의 세계적인 과학 학술지에 논문을 게재한 한국인 연구자들의 연구성과와 연구자 정보를
    여러 연구자와 기관 등에 소개하고자 기획되었습니다. 대상은 주로 대학원 석사이상의 최근 5년이내 관련분야의
    대표 학술지나 학술대회에 논문을 투고한 사람입니다. 대상문의(ariass@naver.com)

    • 국정환(JungHwan Kook)
      위상 최적화 기법의 개발 및 마이크로 구조체 설계 연구
      국정환(JungHwan Kook)(Technical University of Denmark)
      이메일:junko at elektro.dtu.dk
      503 1 2

    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁드립니다.

    저는 덴마크 공대의 위상최적화 연구 그룹(Top Opt Research Group)과 마이크로 구조-음향시스템 연구소 (CAMM – Centre for Acoustic-Mechanical Micro Systems)에 소속되어 있으며, 위상최적화기법을 개발하고 보청기에 적용하기 위한 마이크로 구조체의 설계에 대해 연구하고 있습니다.

    연구 목표는 폭넓은 연구 스펙트럼과 축적된 기술을 바탕으로 밴드갭*  물질의 다양한 가능성을 발견함으로써 실제 우리 생활에 적용하는 것입니다. 먼저, 파동에너지 전파 특성들을 제어하고 있는 인자들의 본질적인 원리에 대한 심도 있는 탐구를 하고  있습니다. 파동 에너지의 소산, 비등방성의 특성을 가지는 복잡한 소재의 기계적인 특성의 이해, 마이크로스케일에서의 구조, 음향, 구조-음향 연성계의 동적 시스템 해석을 등을 아우르고 있습니다. 또한 밴드갭 물질은 어떻게 설계하느냐에 따라 물성이 구현되는 인공 물질인 만큼 활용을 위한 설계 기술과 제조 기술이 매우 중요한 분야입니다. 이를 위해 진보된 생산 기술과 연계한 고도의 과학화된 해석과 최신의 최적 설계 기술에 관한 연구하고 있습니다.



    저는 현재 덴마크 정부로부터 지원받은 연구과제로 "초소형 음향-기계 장치를 위한 밴드갭 물질의 마이크로구조의 창의적이고 체계적인 설계 기법에 관한 연구 (Systematic Design of Bandgap Microstructure for Miniaturized Acoustic-Mechanical Devices(AMD))"를 수행하고 있으며, 새로운 연구에 대한 도전을 하고 있습니다. 밴드갭 물질은 첨단 나노/마이크로 기술, 재료 공학이 총 집결한 융합 기술로서 최근 여러모로 각광받고 있는 기술이지만, 소형화 되고 있는 AMD의 성능 향상과 발전하고 있는 소형/경량 부품 기술과 접목하기 위해서는 AMD 설계에 통합적으로 적용 가능한 체계적이고 효율적인 설계 기법이 절실한 실정입니다. 이에 본 연구과제를 통해 고도로 과학적인 수치모델링 기법인 멀티스케일 해석과 이를 바탕으로 한 위상 최적화 설계기법을 개발하여 밴드갭 물질의 창의적이고 실용적인 설계에 활용하고자 합니다.
    구체적 접근으로 소형화/경량화 되고 있는 AMD의 실용적인 설계가 가능하도록 밴드갭 물질의 강력한 구조-음향 연성 효과 특성을 연구하고 밴드갭 물질의 마이크로스케일에서의 최적설계와 더 큰 스케일에서의 구조/형상/배열의 최적설계가 가능한 컴퓨터 기반 자동 설계 기술을 제공하는 것입니다. 본 연구는 구체적인 사례 연구로서, 개발된 기술 플랫폼과 최적 설계 방법으로 보청기 내의 피드백 문제에 대한 최적의 해답을 제시하고자 합니다.


    2. 본인의 대표 논문을 소개해 주세요.  

    전통적으로, 음향 문제의 최적설계를 하는 목적은 음압과 음향 파워 등과 같은 물리적 음향 특성들을 최소화 하는 것입니다. 하지만 이러한 값들은 인간의 지각 판단과 물리적 음향 자극의 관계를 제시하기에는 충분하지 않기 때문에, 음향 장치를 최적화하기 위한 적절한 인자들이 아닙니다. 제 박사 학위 논문에서는 인간의 소리에 대한 주관적인 개념을 고려한 음향 위상 최적설계법을 최초로 제시하였습니다 [1, 2].

    최근 빠르게 발전하고 있는 최신의 제작 기술 중 하나인 Selective Laser Melting Possess로 제작된 다공성 기계 구조의 경우, 균질 재료로 제작된 같은 형상의 일반 기계 구조와 비교했을 때 2배 정도 높은 진동 감쇠율을 보입니다. 이는 초경량의 구조물에서 높은 강도를 지니는 동시에 높은 진동 흡수율을 가지는 독특한 기계소재 개발의 가능성을 열어주는 것입니다. 다공성 재료로 제작된 구조물이 보이는 높은 진동 흡수율 특성에 관한 새로운 접근으로서, 음향 공동 내부에서 공진하고 있는 마이크로 빔 공진기가 삽입되어 있는 구조물의 진동흡수율 향상에 대한 연구입니다 [3]. 이와 관련한 후속 연구로서, High Stiffness & High Damping 의 특성을 가지는 마이크로 스케일 복합재료의 설계를 위한 위상최적화 기법의 개발하였습니다 [4].


    [1] J. Kook, et al, Acoustical topology optimization for Zwicker’s loudness model - Application to noise barriers, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2012, Volume 237-240, Page 130-151.

    [2] J. Kook, et al, Acoustical topology optimization of Zwicker’s loudness with Padé approximation, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2013, Volume 255, pp 40-66.

    [3] J. Kook, J, Jensen, Analysis of enhanced modal damping ratio in porous materials using an acoustic-structure interaction model, 2014, AIP Advance, Volume 4, issue 12.

    [4] J. Kook, J, Jensen, Topology optimization of periodic microstructures for enhanced loss factor using acoustic-structure interaction, 2016, International Journal of Solids and Structures


    3. 덴마크공과대학교 조교수가 되기까지 과정, 한국과 덴마크대학교육에 차이점 등을 알려주세요.

    전남대 기계공학부를 졸업 후, 다른 대학원에서 짧은 석사 생활을 마치고, 광주과기원 기전공학부(현 기계공학과) 왕세명 교수님 연구실에서 새로운 도전을 시작했습니다. 돌이켜보면, 광주과학기술원의 우수한 교수진과 연구 지원 시스템 덕분에 지금의 연구 역량을 키웠다고 할 수 있습니다.

    지금 덴마크 공대와 인연을 맺은 시작은 왕세명 교수님께서 보내주신, 덴마크공대의 위상최적화 특별 강좌가 아닌가 싶습니다. 그곳에서 저의 연구인생이 완전히 달라졌습니다. 여러 산학과제에 참여하고 있는 고년차 박사 과정 학생이 연구실을 떠나 해외에 특별 강좌에 참여하는 것은 당시 어려운 상황이었습니다. 그런데, 지도교수님께서 이 강좌는 저의 박사 연구에 꼭 필요하고, 덴마크공대의 전문가들과 연대할 수 있는 좋은 기회라고 말씀해 주셨고 참가를 적극 지원해 주셨습니다.  특별강좌에서 만난 Jakob S. Jensen 교수가 나중에 저의 박사학위 논문의 외부 심사위원을 맡게 되었고, 자연스럽게 박사학위를 마친후, Jakob 교수의 초청으로 덴마크 공대 기계과로 포닥을 가게 되었습니다. 포닥 생활 중에 DTU펀드, 덴마크 정부펀드, 유럽펀드 등 많은 기관에 연구비 신청을 했습니다. 그중에서 현재 하고 있는 연구에 대한 지원을 받으면서, 조교수로 채용이 되었습니다.

    덴마크의 경우 대학 입학율이 한국에 비해 매우 낮습니다. 대부분 고등학교 이후, 직업 전문학교에 진학하고 이 후에 안정적인 직장을 잡을 수 있기 때문입니다. 또한, 산업 현장에서 대학으로의 재입학, 석사로의 진학이 비교적 쉬운 편입니다. 그래서인지, 대학교에 입학한 학생들의 공부에 대한 열의는 상당히 높은 편이고, 이 때문에 교육 여건 강화와 그 내용을 충족 시키기 위한 학교당국과 교수들이 많은 노력을 하고 있습니다.

    덴마크공대의  석사 박사의 경우, 석사는 처음 입학 할 때 한국과 같이 지도 교수가 정해지는 것이 아니라, 석사 과정수업을 이수하면서 각자가 선택한 주제에 따라 지도교수가 결정 되는 구조입니다. 거의 3학기정도에 주제를 정하고, 그와 관련된 더 심도 있는 수업을 듣고, 석사주제를 선택하게 됩니다. 이때 지도교수는 학생의 석사논문 연구를 위해 적극적인 협력 관계를 유지하게 됩니다. 이 때문에 학생들이 스스로 연구를 주도하게 되고, 교수의 역할은 논문을 지도 한다기보다는 그 분야에 좀더 많이 알고있는 사람으로서 그 연구을 질을 높이기 위한 파트너로의 역할이 중요하게 여겨집니다.

    박사의 경우는 학생이기 보다는 프로젝트에 고용되어 있는 직장인 개념이 더 강합니다. 물론 수업을 듣고, 지도 교수의 지도를 받지만, 대우는 일반 직장인과 비슷한 수준에있습니다. 보통 3년에서 길게는 3년 반 정도 박사 과정 자신에게 주어진 프로젝트를 수행하게 되고, 그 결과가 바로 박사학위 논문이 됩니다. 박사과정 입학은 비교적 까다롭고, 전세계에 공고를 내서 입학 신청을 받습니다. 온전히 자기에게 주어진 프로젝트만 수행하면 되기 때문에 비록 3년이라는 짧은 기간이지만, 그 연구의 질은 상당히 높다고 할 수 있습니다. 주목해야할 부분은 덴마크 공대에 소속되어 있는 많은 교수들이 덴마크 공대에서 박사학위를 받고, 포닥을 거쳐 교수직을 하고 있다는 것입니다. 덴마크 공대가 자신들이 배출한 박사인력의 우수성을 알려주는 좋은 예라고 할 수 있습니다.


    4. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

    마이크로 구조-음향 시스템 연구소(Center of Acoustic-Mechanical Micro Systems, CAMM)는 DTU의 전기공학과에 있는 DTU의 기계공학과와 전기공학과가 덴마크의 3대 보청기 회사(GN-Resound, Widex, Oticon)와 협력하여 세운 초소형 마이크로 구조와 음향 문제에 대한 전문적 인력을 양성하고, 직면 하고 있는 공학적 문제를 해결하고자 2014년 1월 설립되었습니다.
    Jakob S. Jensen 교수가 이끌고 있는 CAMM의 핵심 연구 분야는 가청주파수 대역의 음향 현상을 포함한 마이크로시스템에서의 다양한 형태의 기계, 음향, 기계-음향 연성문제를 다루는 있습니다. CAMM의 연구 목표는 마이크로 음향 시스템의 특성들을 제어하고 있는 인자들의 본질적인 원리에 대한 심도 있는 탐구로서, 이는 비선형성, 에너지의 소산, 비등방성의 특성을 가지는 복잡한 소재의 기계적인 특성의 이해, 마이크로스케일에서의 구조, 음향, 구조-음향 연성계의 동적 시스템 해석을 위해 수치 기법 개발 등입니다. 이에 더하여, 위상 최적화와 마이크로 몰딩 공정(Micro-Moulding process)등과 같은 진보된 생산 기술과 연계한 최신 설계 기술에 관한 연구도 CAMM의 핵심 연구 입니다.

    CAMM은 각각의 세밀한 연구 분야에 대한 전문적인 그룹을 두고 있는 다음과 같은 3개 분야 가 긴밀하게 연결되어 있습니다.: 1. Acoustic-mechanical Interaction & Microacoustics, 2. Advanced Optimization & Material Mechanics, 3. Micro Manufacturing & Material / Process Technology.



    DTU 기계공학과의 Ole Sigmund 교수가 이끄 는 위상 최적화 연구 그룹(TopOpt Group. www.topopt.dtu.dk)은 위상 최적화 연구에 관한한 세계 최고 수준의 연구 기관으로서 DTU의 기계공학과와 수학과가 협력하여 위상 최적화 기법의 실제적인 적용과 이론적인 확장을 도모하고 있습니다. TopOpt Group의 위상 최적화 기술은 국내 기술보다 2, 3년 이상을 앞서가고 있다고 할 수 있습니다. 기존 위상 최적화 기법을 공학 전반에 활용할 수 있도록 구조, 열, 음향, 전자, 체의 시스템과 같은 고전 역학에 기반을 둔 공학 문제에 적용하는 것을 넘어서 마이크 로/나노스케일에서의 각종 시스템과 광학, 미소 유체와 메타물질 등 최근 과학 기술계의 관심 분야로 위상 최적화 기술을 확장·적용 하고 있습니다. 지난 수년 동안 신소재의 위상 최적설계에 관한 많은 연구를 진행에 오고 있고, 최근에는 다공성 물질의 유체와 구조의 연성 효과를 고려한 정적인 문제와 시간변이 문제에 대한 멀티스케일 위상 최적화 기법을 제안하였습니다. 이는 제가 하고있는 연구와 아주 밀접한 관계가 있습니다.


    5. 이 분야로 진학하려는 후배(또는 유학 준비생)에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

    한계에 좌절하거나 얽매이지 않고 항상 꿈과 희망을 가지고 일단 부딪쳐 보시길 바랍니다. 또, 역경을 부정하고 숨기는데 공을 들이기 보다 그 안에 감추어진 기회를 찾는 자세를 가지라고 말씀드리고 싶습니다. 연구라는 것은 언제나 원하는 내용과 결과를 얻는 것은 아닙니다. 실제로 얻은 결과가 가설과 맞지 않아도 그안에 꼭 다른 연구의 방향과 혁신의 기회가 있다고 믿으시길 바랍니다. 이는 자신의 성장과 자신이 속한 연구 조직의 발전을 위해서 중요한 자세입니다. 이러한 성격과 가치관은 창의적 사고를 바탕으로 혁신적인 연구성과를 추구하는 모든 연구/개발 관련 기관의 목적과 잘 부합하는 것이라고 생각합니다.

    주변의 연구자들과 비교하여 소위 말하는 스펙이 좋지 않은 저는 가끔 이로 인해 의기소침해지는 경우가 있었습니다. 학회에서 전 세계에서 온 정말 뛰어난 연구자들과 어깨를 나란히 하고 있을 때도 종종 위축되는 기분을 느껴야 했습니다. 이러한 감정은 자칫 열등감으로 이어질 수도 있는 만큼 생각의 전환이 필요했습니다. 사람마다 출발선은 다르지만 결승점에 먼저 도달하는 것은 창조적 열정을 가진 연구자 일 거라고 생각합니다.  연구에 대한 창조적 능력, 그리고 열정과 성실함으로 마지막 결승점에서는 당당히 웃을 수 있기를 바랍니다.


    6. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

    소형화되고 있는 음향 장치들에 구조적인 설계 변경을 통해 성능 향상 시도할 경우에, 가청 주파수대역이라는 물리적 한계에 직면하게 됩니다. 지금 연구하고 있는 밴드갭 물질의 경우, 단위 구조체의 주기적 배열이 많을 수 록 성능이 좋아지는데, 보청기나 헤드셋과 같은 소형 음향 장치의 경우, 배열을 할 만큼의 많은 공간이 존재 하지 않는 한계가 있습니다.  그래서2~3개의 배열만으로도 성능을 확보할 수 있는 방법을 모색 중에 있습니다.

    지금껏 주로 위상최적화 기법을 개발하고 그 기법을 새로운 물리현상에 적용하여 좀더 체계적인 설계를 도출해가는 것이 저의 연구의 주된 방향이었습니다. 과거에는 위상 최적화기법 개발에만 초점을 맞추었다면, 최근의 연구에서는 기법의 제안보다는 효과적인 설계법으로서 새롭게 발견된 물리 현상에 더 초점을 맞출 예정입니다. 한 예로 주기적인 물질이나 기하형상의 배열로 특정한 주파수 대역에서 진동과 소음을 저감할 수 있는 밴드갭 물질(구조)에 더 깊은 연구를 하고, 이를 토대로 위상최적화 기법을 통한 밴드갭 성능의 극대화 방안을 모색합니다.

     

     * 밴드갭(Bandgap): 특정한 형태의 구조물이나 물질이 격자형으로 주기적으로 배열되어 있을 때, 이를 지나는 파동은 구조물의 형상이나 격자크기에 따라 결정되는 특정 주파수 밴드에서 서로 간섭효과를 일으키게 되어 전파되지 않는 현상을 말한다. 어떤 장치나 기계 구조가 이러한 밴드갭 현상을 가지는 물질이나 구조로(이하 밴드갭 물질) 만들어져 있고, 밴드갭 주파수 범위에서 가진될 때, 밴드갭 물질의 특성으로 인해 매우 낮은 진동 혹은 진동이 거의 발생하지 않게 된다. 이러한, 밴드갭 물질의 물리적 특성은 단위 셀의 기하학적 형상, 크기, 위치, 밴드갭 물질을 구성하는 기본 재료의 물성, 배열 등의 통합 설계를 통해 향상시킬 수 있다.

     

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    전체댓글 2

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    |2017.05.16
    덴마크의 교육과정에 대해 조금이나마 알게 되었네요. 나만이 들을 수 있는 음향 장치 제작에 밴드갭의 특성을 이용할 수 있을까요? 재밌는 분야인 거 같습니다. 좋은 연구 결과와 실제 반영 되는 성과가 나오면 좋겠네요.
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    |2017.05.12
    밴드갭의 특성을 이용하여 실 생활에 반영해 볼 수 있는 영역이 어떤게 있을까요?
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