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  • 신진연구자 인터뷰

    신진연구자 인터뷰는 기계공학과 건설공학 분야의 젊은 연구자들의 연구성과를 알리고자 기획되었습니다.
    대상은 박사과정 이상 40세 미만의 연구자로 뚜렷한 연구성과가 있으면 언제든 참여 가능합니다.
    또한 주변에 추천할 만한 연구자가 있으면 추천을 부탁드립니다. (ariass@naver.com)

    • 도재혁(Jaehyeok Doh)
      불확실성을 고려한 폴리머 소재의 설계 최적화 및 피로손상예지연구
      도재혁(Jaehyeok Doh)(Singapore University of Technology and Design)
      이메일:jaehyeok_doh at sutd.edu.sg
      862 7 0

    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    - 저의 연구 분야는 확률통계 기반 설계 최적화와 건전성관리 및 예측 기술에 중점을 두고있습니다. 우리 자연계에는 다양한 불확실성 근원이 존재하는데 시스템 성능에 대한 변동, 형상에 대한 치수 공차, 재료 물성의 내재적 불확실성, 시스템 구동 환경의 변동 등이 대표적인 예로 들 수 있습니다. 이러한 요인에 대하여 확률통계기법을 이용한 불확실성 정량화가 필요하며, 이를 고려한 설계 최적화 및 건전성 관리와 예측이 수행되어야 현실을 반영한 설계와 유지보수를 수행할 수 있습니다. 이를 바탕으로 수행한 대표적인 연구로는 폴리머 나노복합재 설계 변수의 물리적 불확실성을 고려한 신뢰성 기반 강건최적설계, 차량용 폴리머 부품의 열화 물성을 고려한 신뢰성 기반 설계, 폴리머 소재의 피로 손상 기반 잔존수명예측연구가 있습니다.



    2. 실제 여러 제품의 수명 예측과 설계 최적화를 진행 중인걸로 알고 있습니다. 주로 어떤 제품의 수명 예측과 설계 최적화를 진행하셨는지 예를 들어 설명을 부탁드립니다.

    - 먼저 수명예측과 관련하여 수행한 연구로 라디에이터(radiator)는 냉각수와 대기와의 열교환을 통해 엔진을 냉각시키는 장치이며, 열교환을 촉진시키기 위한 냉각팬 이 추가로 적용됩니다. 여기에 장착된 팬 & 슈라우드 파트에 적용되는 기존 폴리머(PA 66) 소재의 비용절감을 위해서 구동 조건(온도, 진동)에 대한 변동을 고려한 팬과 슈라우드 파트에 대하여 신뢰성 평가 및 파손 확률을 예측함으로써 대체 후보 폴리머 소재의 적용 가능성을 정량적으로 제시하는 연구를 수행하였습니다.


    또 다른 수명예측 연구로는 저의 박사학위논문 주제로 피로 하중에 따른 변성 폴리페닐렌 수지(Modified Polyphenylene Oxide, MPPO) 폴리머 소재에 대하여 피로 손상 모델 기반 건전성 예지를 통한 잔존수명예측 연구를 수행하였습니다. 이 연구를 통해서 상위레벨(high-level) 시스템에 적용하는 건전성 관리 및 예지 기술을 하위레벨(low-level) 시스템에 적용하여 건전성 기반 설계 프레임웍을 제시하고, 설계 초기 단계에서 고장에 대한 유지보수와 불확실성을 고려하여 예지 정비가 가능하도록 다양한 부품 및 기계 요소와 같은 하위 시스템 설계에 적용하고자 하였습니다.


    설계 최적화 연구로는 SUTD에서 진행했던 구조 건전성 모니터링에 적용되는 센서 소재로 폴리머 나노복합재 설계에 관한 것인데, 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNTs)는 전기적, 열적, 기계적 특성이 우수한 소재로 알려져 있어 폴리머 나노복합재(polymer nanocomposites, PNCs)의 다양한 물리적 특성을 달성하기 위한 전도성 충전재로 적용되고 있습니다. 대부분의 폴리머는 절연성이지만 소량의 전도성 충전재를 폴리머 매트릭스에 혼합함으로써 절연체를 도체로 전환시킬 수 있습니다. 이러한 물리적 현상을 퍼콜레이션 이론(percolation theory)에 기초하여 모델링 할 수 있습니다. CNTs가 폴리머 매트릭스에 첨가되어 임계체적분율에 도달하면 CNTs간의 전기적 네트워크 경로가 형성되어 전기 전도도가 급격히 증가하게 되는데, 이 현상을 전기적 퍼콜레이션이라 정의하고. 이러한 전기 전도도의 급격한 증가가 관찰되는 체적분율을 퍼콜레이션 임계치(percolation threshold)라 정의합니다. PNCs 설계 관점에서 전기적 물성과 CNTs 기하학적 파라미터의 물리적 불확실성을 고려하여 전기 전도도의 강건성 확보와 이를 최대화하고 퍼콜레이션 임계치를 최소화하는 신뢰성 기반 강건최적설계(reliability-based robust design optimization, RBRDO) 연구를 수행하였습니다.





    3. 이번에 처음 싱가포르 기술 디자인 대학(Singapore University of Technology and Design)이 소개가 되는 거 같습니다. 어떤 과정으로 이곳으로 박사 후 연구원으로 근무 하시게 되건지, 또한 이 대학에서 주로 하는 일과 분위기를 소개 해 주세요.

    - 먼저 싱가포르기술디자인대학교(Singapore University of Technology and Design, SUTD)에 대해서 간단하게 소개드리자면 창이국제공항이 있는 동쪽에 위치해 있고 공항에서 학교까지 접근성이 좋습니다. 이 대학은 미국 메사추세츠공과대학(Massachusetts Institute of Technology, MIT)과 협력하여 2009년도에 설립한 디자인 특성화 국립대학이며, 학기마다 MIT 교수님들이 visiting professor로 오셔서 다양한 세미나를 통해 연구 교류를 하고 있습니다.

    SUTD의 대표적인 연구센터로 싱가포르연구재단에서 지원받아 SUTD-Digital Manufacturing and Design Centre (DManD)를 운영하고 있으며, 미국 조지아공과대학(Georgia Institute of Technology)의 적층제조(3D 프린팅)분야 석학인 David W. Rosen 교수를 초빙하여 그를 중심으로 적층제조를 위한 제품 설계 연구 및 표준을 개발하여 산업에의 적용 및 상용화에 노력하고 있습니다. 더불어 SUTD-MIT International Design Center (IDC)는 적층제조법을 이용한 설계를 지원하는 Design Principle Card를 개발해 다양한 분야 (직물, 제품디자인, 예술작품)에 적용하고 있으며, 디자인 과학 및 공학설계 분야 교육연구를 수행하면서 학기마다 Design Engineering Innovation 강의를 개설해 디자이너와 엔지니어 양성을 위한 교육을 하고 있습니다.

    학부학생들에게는 학기 중에 회사와 함께 단기 프로젝트를 수행하는 등 간접적 실무경험과 실무에서의 이론적용방법을 함께 배울 수 있는 교육들이 잘 구성되어 있습니다. 연구원들에게는 Research Jam을 통해 주기적으로 타 분야 박사 후 연구원들이 서로의 연구내용을 공유하는 자리가 마련되고, 해외 석학들의 방문 세미나를 통해 연구에 도움이 되도록 교류의 장을 만들어 주고 있습니다.


    2016년 미국 덴버에서 개최된 Annual Conference of the Prognostics and Health Management Society 학회에 참석한 이후로 건전성 관리 및 예지(Prognostics and health management, PHM) 연구분야에 관심을 지속적으로 가지게 된 계기가 되었습니다. 박사학위 취득 후에도 해외에서 새로운 연구 환경에서 해외 연구자들과 함께 PHM 관련 연구를 하고 싶다는 생각을 하고 있었습니다. 그래서 디펜스가 끝나자마자 해외 잡 포스팅 사이트 검색을 통해 처음으로 SUTD를 접하게 되었고 Nagarajan Raghavan 교수님의 연구실에 건전성 예지 알고리즘 개발 프로젝트에 박사 후 연구원으로 지원하게 되었습니다.



    4. 이 분야의 최근 연구동향에 대해서 소개를 부탁드립니다. (관련연구나 방향, 문제점 등)

    - 불확실성을 고려한 최적설계 분야의 이슈는 데이터 부족으로 인한 불확실성 정량화의 어려움, 성능지수 데이터를 얻기 위한 높은 수치해석비용 및 해석 값의 신뢰성 결여, 대리모델 생성 기법에 따른 예측 정확도 변동 정도로 말씀드릴 수 있겠습니다. 이를 보완하기 위해 실험 계획을 위한 효과적인 데이터 샘플링 기법, 차원 축소 모델링을 통한 성능지수확보, 기계학습 기반 대리모델생성 등의 연구들이 수행되고 있습니다. 요즘은 4차산업시대로 다양한 융합기술들이 등장하고 있습니다. 그 중에서도 딥 러닝을 이용하여 설계 최적화에 적용하는 연구들이 활발이 수행되고있습니다. 사례 연구로는 딥 러닝 기반 위상최적화를 통해 자동차 휠의 스포크 형상 설계에 적용되는 연구가 소개되었으며, 같은 맥락으로 이를 적층가공(3D 프린팅)을 위한 설계분야에서 기하학적 격자구조생성 연구에 적용하고 있습니다. 또한, 성능 지수데이터를 얻기 위해 상당 시간이 소요되는 전산유체역학 또는 유한요소해석에 대한 해석 값을 예측하는 딥 러닝 모델 등 다양한 접근법으로 설계 최적화에 적용하고 있습니다.


    5. 연구를 같이 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도 교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

    - 현재까지 제가 거쳐 간 지도 교수님이 총 세 분이 계십니다. 저에게 모두 고마우신 분들이라 함께 연구하면서 제가 느낀 바를 소개하고자 합니다.

    2011년도에 경북대학교 기계공학과 구조 유한요소해석 연구실에서 권영두 교수님 지도편달 아래 석사학위과정을 시작하였습니다. 그 당시를 떠올리면 연구 결과를 얻기 위해 연구실에서 며칠 밤을 지새우고 열정을 불태웠던 기억이 납니다. 권영두 교수님은 유한요소법을 기반으로 초탄성 소재의 물성 평가, 구조해석, 기계요소설계, 최적설계분야를 연구하셨고 무엇보다 한국원자력연구원과 다년간 환형 핵연료에 대한 열탄소성크립 해석을 위해 FORTRAN 기반 유한요소코드를 개발하였습니다. 더불어 연속적 확대 유전알고리즘(Successive Zooming Genetic Algorithm, SZGA)을 개발하는 등 학술적으로 많은 기여를 하셨습니다. 현재는 정년퇴임을 하셨지만, 퇴임까지 연구를 놓지 않으시고 논문을 투고하시는 모습을 보고 교육자로서, 연구자로서 많은 귀감이 되는 분이십니다.

    석사학위 취득 후에는 연세대학교 기계공학과 최적공학설계연구실에 이종수 교수님 지도편달 아래 박사과정을 수학하였습니다. 이종수 교수님은 품질공학, 확률통계 기반 최적설계, 피로/내구수명예측, 멀티피직스해석, 건전성 관리 예지, 기계학습 등 다양한 분야와의 융합 연구를 수행하여 많은 학술적 기여를 하셨습니다. 더불어 자유로운 연구환경을 조성하여 연구에 필요한 지원을 아낌없이 해주셨고, 저의 연구역량을 키우는 데 많은 도움과 기회를 주셨습니다. 최적설계분야가 기계공학 분야 이외에도 다양한 연구 분야에 적용할 수 있기 때문에 특정 분야에 국한하지 않고 연구 시야를 넓게 가지도록 해주신 분으로 연구의 자유도를 높이고 현재 연구동향을 따라갈 수 있게 지도해주신 분이십니다.

    박사학위 취득 후에는 싱가포르기술디자인대학교 nano-Macro Reliability 연구실의 Nagarajan Raghavan 교수님과 함께 연구를 수행하고 있습니다. 이 교수님의 연구 분야는 폴리머 나노복합재 설계 및 퍼콜레이션 모델링, 나노전자장치에 대한 신뢰성 평가 및 수명예측, AI-assisted physics informed design, 불확실성 정량화, 건전성 관리 및 예측 연구를 수행하고 있습니다. 또한, 임용 후 4년간 180편 이상의 해외저널 논문과 5권의 책을 공동 집필함으로써 연구적 열정이 대단하신 분이십니다. 대외적으로는 싱가포르 IEEE IPFA 2020의 의장을 역임하였으며, 이 외에도 IEEE 저널/학술회의 심사위원 및 IEEE Access의 부 편집자로 활동하고 있습니다. 이 교수님은 작은 연구 아이디어에도 자유로운 토론을 통해서 연구의 독창성이 무엇인지 명확하게 발견해내고, 적극적으로 본인의 의견과 개선할 수 있는 방향 및 다양한 접근 방법을 제시하여 세부적으로 연구계획을 세울 수 있도록 지도해 주셨습니다. 이는 저의 연구 추진 능력과 기획력을 키우는데 많은 도움이 되었습니다.


    6. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람이 있으시다면?

    - 무엇보다 박사과정을 하면서 분자 역학 기반 탄소나노튜브의 기계적 거동 예측에 관한 연구 내용으로 1년 동안 진행한 연구결과를 처음으로 해외 저널 논문을 게재하였을 때가 가장 뿌듯했던 것 같습니다. 더불어 해외최적설계학회에 참석하여 제 연구 내용을 발표했을 때는 그 동안의 고생을 보상해주는 느낌을 받았습니다. “시작은 미비할지라도 끝은 창대하리라” 라는 문구처럼 연구에 대한 열정은 이러한 희열 때문에 끊지 못하고 지속해서 연구를 할 수 있는 원동력이 된 거 같습니다.

    연구를 하면서 보람 있었던 점은 박사 후 연구원으로 수행한 연구 내용은 기존에 제가 해왔던 연구 내용과 달리 새롭게 도전하는 연구 주제였는데요. 이는 통계 시뮬레이션 프로그래밍, 전기적 특성에 대한 물리적 현상 이해, 재료 과학적 접근 등의 다양한 분야를 융합한 폴리머 나노복합재의 퍼콜레이션 모델 연구를 수행하면서, 한국인 특유의 성실하고 열심히 하는 모습을 보셨는지 어느 날 연구미팅에서 교수님이 주변에 한국인 박사 후 연구원을 추천해달라는 말씀을 하신 적이 있었습니다. 제가 현 연구실에서 첫 한국인이었는데 저로 인해 한국인에 대한 좋은 인식을 심어주게 되었다는 생각에 작게나마 보람을 느꼈던 것 같습니다.



    7. 이 분야로 진학하려는 후배들에게 조언을 해 주신다면?

    - 제가 조금 아쉬워하는 부분 중 하나입니다만 저는 대부분 수치 해석과 시뮬레이션을 통해서 연구를 해왔는데 이를 검증하기 위해 항상 외부로부터 얻은 실험데이터를 활용하였습니다. 시뮬레이션 결과를 실험데이터와 검증할 수 있는 환경적인 한계가 늘 존재합니다. 그래서 가능하다면 시뮬레이션과 직접 시험장비를 다루어 데이터를 얻고, 검증과정을 함께 경험할 수 있는 환경에서 학위과정을 하거나 연구하는 것을 개인적으로 추천해드리고 싶습니다. 그 과정에서 많은 것을 배울 수 있고, 실험장비를 다루어 보는 경험은 본인의 연구 추진 능력과 향후 진로에 많은 도움이 될 거로 생각합니다. 한 가지 더 덧붙이자면 최신 연구 동향을 항상 따라가는 것은 힘들지만 본인 연구분야 이외에도 열린 생각으로 받아들일 줄 아는 자세도 연구자로서 필요하다고 생각하기에 다양한 융합기술들을 본인 연구에 어떻게 적용할까? 에 대해서도 많은 고민을 한다면 연구자로서 역량을 키우는 데 도움이 될 거로 생각합니다.


    8. 앞으로 진행할 연구 방향이나 목표가 있으시다면?

    - 현재로써는 진행하고 있는 폴리머 나노복합재 설계에 관한 연구를 확장하여 진행할 것 같습니다. 저의 선행연구성과를 바탕으로 SUTD와 NTU(난양공대)가 공동연구를 수행하는 새로운 연구비를 올해부터 3년간 수주받게 되었는데 선행 연구에서는 폴리머 나노복합재의 전기적 특성만을 고려했다면 전기화학적 특성과 전도성 충전재들의 다양한 기하학적 특성을 동시에 고려한 퍼콜레이션 모델을 개발하고, NTU에서는 폴리머 나노복합재 제조를 통해서 실험 검증까지 진행할 계획에 있습니다.


    9. 다른 하시고 싶은 이야기들.

    - 서면 인터뷰를 통해 제 연구 분야에 대해서 다시 한 번 정리하는 시간이 되었고, 소속연구기관을 소개할 수 있도록 기회를 주셔서 감사합니다. 이번 계기로 싱가포르기술디자인 대학교가 한국인 연구자들에게 알려졌으면 좋겠습니다. 더불어 세상에는 의미 없는 연구는 없다고 생각하기에 본인이 하는 연구에서 아무리 작은 부분이라도 그 속에서 자부심과 자신감을 가지고 좋은 성과를 이루어 나가셨으면 좋겠습니다. 마지막으로 졸업한 지가 3년 차로 접어들었는데 현재의 제가 있도록 도와준 가족들과 지도 교수님들께 다시 한 번 감사의 말씀을 드리고 싶습니다.




    *. 도재혁 박사의 최근 대표논문

    1. J. Doh*, Q. Yang, and N. Raghavan, "Reliability-based robust design optimization of polymer nanocomposites to enhance percolated electrical conductivity considering correlated input variables using multivariate distributions," Polymer, Vol. 186, pp. 122060, 2020.

    2. J. Doh*, S.-I. Park, Q. Yang, and N. Raghavan, "The Effect of Carbon Nanotube Chirality on the Electrical Conductivity of Polymer Nanocomposites Considering Tunneling Resistance," Nanotechnology, Vol. 30, No. 46, pp. 465701-16, 2019.

    3. J. Doh, S. H. Hur, and J. Lee*, “Viscoplastic Parameter Identification for Temperature-Dependent Mechanical Behavior of Modified Polyphenylene Oxide Polymers,” Polymer Engineering & Science, Vol. 59, No. S1, pp. E200-E211, 2019.

    4. J. Doh, S.-W. Kim, and J. Lee*, “Reliability Assessment on the Degradation Properties of Polymers under Operating Temperature and Vibration Conditions”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol. 232, No. 13, pp. 1782-1798, 2018

    5. J. Doh and J. Lee*, “Prediction of the Mechanical Behaviors of Double Walled-CNTs Using Molecular Mechanics-Based Finite Element Method: Effects of Chirality,” Computers and Structures, Vol. 169, pp. 91-100, 2016.
     
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