기계·로봇 연구정보센터

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반도체, 에너지, 바이오-헬스 산업에서 기계적 신뢰성 확보를 위한 융복합적인 신뢰성 평가 연구

이용석(Yong-Seok Lee)(명지대학교 기계공학과/반도체공학과 조교수)/yslee23 at mju.ac.kr/ 2023.04.25

1.산업체, 연구소, 학교에서 다양한 경험을 쌓으셨는데 간단하게 자기 소개를 부탁드립니다.

- 안녕하세요. 저는 명지대학교 기계공학과/반도체공학과 조교수로 재직 중인 이용석입니다. 먼저 인터뷰 기회를 주셔서 정말 감사드립니다. 저는 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 이순복 교수님 연구실에서 2017년 2월 “박막의 신뢰성 확보를 위한 고온 환경 하에서 기계적 거동 분석 및 피로 수명 평가”라는 주제로 박사학위를 받았습니다. 박사 학위 이후에 SK하이닉스 패키지(PKG) 신뢰성팀에서 PKG 구조 해석 및 공정 해석 관련 전산 구조 해석 및 신뢰성 시험을 수행하였습니다. 그리고 한국과학기술연구원 수소연료전지연구단에서 짧은 기간이지만 박사후 연구원 과정을 거치면서 수소화/탈수소화 촉매 효율성 향상을 위한 원자층 증착 연구를 수행했었습니다. 이후 2020년에 수원대학교 기계공학과에서 3년 간 근무하였고, 올해 3월 명지대학교 기계공학과와 반도체공학과 겸소속으로 임용되어 근무하고 있습니다. 제 이력에서 보시는 것과 같이 기계적 거동 특성 실험, 기계/전기 특성 관련 구조해석, 화학적 특성 관련 공정 등 다양한 분야에 경험을 토대로 기계-전기-화학적인 소재의 특성 평가 및 신뢰성 연구에 관심을 가지고 다방면으로 연구를 수행하고 있습니다 (그림 1, 2).

2. 2022년 7월에 "High-Speed Multilevel Binary Imaging CMOS Image Sensor for Object Feature Extraction"을 통해 이미지 처리를 더 빠르고 정확하게 할수 있는 CIS(Cmos 이미지 센서)를 소개하셨는데, 자율주행이나 로봇분야에 유용하게 사용될 수 있을거 같은데, 자세한 설명을 부탁드립니다.

- 먼저 본 연구는 서울과학기술대학교 지능형반도체공학과 김현준 교수님 연구실과 공동으로 연구를 진행하였습니다. 본 연구를 진행하게 된 계기는 김현준 교수님과 연구 관련 이야기를 나누다가 조명 세기에 따른 이미지 획득의 어려움에 관한 이야기를 하게 되었습니다. 김현준 교수님은 이미지 센서 관련 회로 설계가 가능하셨고, 저는 이미지 센서를 이용해서 기계적인 변형률 등을 관찰하고 있었기 때문에 새로운 이미지 센서에 관한 아이디어를 얻을 수 있었습니다. 새로운 이미지 센서에 관한 아이디어가 본 논문의 주된 내용으로 조명에 상관 없이 최적의 이미지를 얻어낼 수 있는 방법에 관한 부분입니다. 일반적으로 이미지 센서는 이미지를 획득하게 될 때, 하나의 threshold를 가지고 이미지를 획득하게 됩니다. 간단하게 이야기 드리면, 이미지를 관찰하고 이 이미지가 반사시키는 빛의 정도가 1~1024까지 레벨에서 특정 한 레벨을 넘느냐 넘지 않느냐에 따라서 이미지를 구분할 수 있습니다. 그래서 우리가 관찰하려고 하는 부분의 조명이 특정 threshold를 넘지 않으면 이미지가 어둡게 나오게 되고, 너무 넓은 부분에 조명이 밝게 되어 threshold를 많은 픽셀들이 넘게 되면 이미지가 너무 하얗게 출력이 되어 구분하고자하는 경계선 부분을 제대로 파악할 수가 없습니다. 그래서 기존까지는 조명을 세기나 이미지 센서 앞에 조리개를 조절하여서 이미지를 잘 관찰할 수 있게 맞추고 이미지 획득을 진행하였습니다. 이와 같은 방법으로 이미지를 명확하게 얻을 수 있었지만, 중간에 이미지 획득하는 물체의 높낮이가 바뀌거나 조명의 반사의 정도에 따라서 이미지 획득이 어려울 수도 있다는 단점을 가지고 있습니다. 이와 같은 단점을 극복하기 위해서 저와 김현준 교수님은 기존의 이미지 센서에 threshold를 더 많이 넣어서 이미지 센서를 만들게 되면 이런 부분이 해결되지 않을까 아이디어를 생각하였고, 이 아이디어를 토대로 새로운 이미지 센서에 기존보다 4배 더 많은 threshold를 회로 상으로 구현하여서 이미지 센서를 개발하였습니다. 개발한 이미지 센서는 기존 이미지 센서보다 조명에 관한 분별력이 4배 더 증가가 된 것이기 때문에 조명이 조금 달라지더라도 4개의 threshold에 의해서 촬영된 4개의 이미지를 혼합하여 언제든 정확한 이미지를 구성할 수 있습니다 (그림3). 그리고 threshold를 많이 두었다고 해서 이미지를 촬영하는 시간이 더 길어지거나 하는 것이 없어서 기존 이미지 센서를 대체할만한 기술이라고 할 수 있습니다.

본 기술을 활용하게 되면 우선 제가 주로 하게 되는 변형률 측정 부분에서는 소재의 부분마다 다른 광택감으로 인한 변형률 측정 시의 패턴 미인식에 관한 부분을 해결할 수 있습니다. 그리고 본 기술을 조금 더 발전시켜 활용하게 되면, 날씨에 따른 이미지 획득 차이를 극복할 수 있을 것으로 보여 자동차 자율 주행 시의 이미지 센서를 통한 자율주행 조절 부분에 신뢰성을 높여줄 수 있을 것으로 예상됩니다. 그리고 군사 로봇 분야에서 조명이 일정하지 않거나 다양하게 달라질 수 있는 부분에서도 별도의 추가적인 조명 없이 정확한 이미지를 획득할 수 있는 기술로도 발전시킬 수 있을 것으로 생각됩니다. 그러므로 자율주행과 로봇 분야에 분들 중에 이미지 센서가 필요한 분들은 이 기술에도 많은 관심 부탁드리겠습니다.

3. 한국연구재단 및 포스코의 지원으로 "Mechanism of crack initiation and propagation in high-alloy steel slabs during the cooling and scarfing processes after the continuous casting process" 라는 주제로 2022년 3월에 발표된 논문을 통해 고합금 강재 슬래브의 주조시 발생하는 크랙의 매커니즘을 분석하셨는데 이에 대한 연구의 소개를 부탁드립니다.

- 먼저 본 연구가 시작되었던 것은 제가 대학원 시절 때 포스코의 지원을 받아서 연구가 처음 진행되었고, 최근에 논문에 필요한 연구들을 추가 진행하여 논문을 마무리하였습니다. 기업 과제와 연계가 되다 보니, 일정기간동안 보안의 문제도 있고 하여서 보안의 문제가 되지 않는 기간에 발표를 하다보니, 논문 투고가 늦어져 2022년에 출판이 되게 되었습니다.

합금 제조의 초기 공정인 연속 주조 공정에서는 용융 합금을 고형화하여 슬래브를 형성합니다. 대부분의 기존 연구자들은 이 과정에서 발생하는 균열과 미세 구조 변화에 주목해 왔습니다. 현재 티타늄, 크롬, 니오븀, 붕소, 망간 등 다양한 합금 원소가 고탄소강에 추가되어 경량의 고강도 합금을 얻습니다. 이러한 강철 합금 중 일부에서는 연속주조공정 후 냉각 시에 균열이 발생했습니다. 연속 주조 후 다음 공정으로 넘어가기 전 냉각 과정에서 균열이 발생하고, 발생한 균열을 없애기 위해서 스카핑 공정을 진행하여 슬래브의 작은 균열들을 제거하게 됩니다. 하지만, 스카핑 공정 후에도 새로운 균열이 발생한다는 문제가 있었습니다. 그래서 슬래브의 냉각과 스카핑 공정 후의 균열 발생 원인을 연구를 통해서 밝혀냈습니다.

고합금강의 슬래브 냉각 과정에서 균열 문제가 항상 발생하는 것은 아니였습니다. 해석 결과를 보았을 때, 붕소 원소가 추가될 때 냉각 시의 파단 가능성이 높아지는 것을 확인할 수 있었습니다. 크롬과 붕소가 첨가된 시료의 경우, 다른 재료들과 비교했을 때, 오스테나이징 상변태 조건에서 음의 CTE 값이 증가하게 되어 상변태가 일어나는 경계 부분, 특히, 슬래브의 모서리 주변 부에서 균열이 발생할 수 있다는 것을 밝혀냈습니다. 그리고 스카핑 공정 후의 균열 발생의 원인은 스카핑 이후에 오스테나이트징 상변태와 마르텐사이징 상변태로 인하여 균열이 슬래브 표면의 횡방향으로 나타나는 것을 추정할 수 있었습니다 (그림4).

위와 같이 균열이 나타난 현상만을 가지고 구조 해석과 기계적 특성 평가 실험을 통해서 균열의 원인을 밝혀내고 그 원인을 해결할 수 있는 해결방안을 제시하고 그 방안으로 문제가 해결이 되었을 때, 큰 보람을 느꼈습니다.

유튜브 링크 : (슬래브 스카핑 시 온도 분포 영상)

유튜브 링크 : (슬래브 스카핑 시 열응력 분포 영상)

4. 매우 다양한 산업분야에서 활용이 가능한 유용한 연구들을 진행하고 계신거 같습니다. 위 내용외에 추가로 소개하고 싶은 대표적인 연구가 있으신가요?

1) 반도체 관련 연구

다양한 환경(온도, 습도 등) 변화에 따른 마이크로/나노 스케일의 소재의 기계적 거동을 평가할 수 있는 장비를 구축하고 있습니다. 장비 개발을 통해서 반도체 소재 관련 환경 영향으로 인한 박막 소재의 기계/전기적 거동을 평가하는 연구를 수행하고 있습니다. 그리고 실험 뿐만 아니라 구조 해석 기술을 활용하여 기판 휨(WPG) 예측, 반도체 패키징에서 공정 해석(Die pick-up 등), 패키지 강도 평가, 보드 레벨 신뢰성(BLR) 평가에 관심을 가지고 반도체 구조 및 반도체 공정 등에 관한 연구를 수행하고 있습니다 (그림5).

2) 에너지 소재 관련 연구

발전기나 전기차 등에 활용될 수 있는 단결정 전기강판 관련 기계적 거동 특성 및 소성 메커니즘에 관한 연구를 수행하고 있습니다. 그리고 Triboelectric nanogenerator (=TENG) 관련한 소재 평가 관련된 부분을 한국기술교육대 박진형 교수님과 함께 연구를 진행하고 있습니다. 본 연구를 통해 소재 표면에 미소 균열을 내서 micro plasma generation 하는 방법으로 Energy harvesting 효율을 높이는 결과를 도출하였습니다 (그림6).

3) 바이오-헬스 소재 관련 연구

바이오-헬스 소재 관련 연구는 저희 연구실에서 현재 만들고 있는 습윤형 미소인장/피로시험기를 통해서 바이오-헬스 소재를 평가하려고 합니다. 습윤형 미소인장/피로시험기가 제작이 되면, biodegradable electrodes 소재를 공급 받아서 습윤 환경 하에서 특성을 평가하려고 합니다. 그리고 치아 임플란트 관련하여 구조 해석 및 적층 제조 소재 관련 기계적 거동 평가를 진행하고 있습니다. 아직 걸음마적인 연구 부분이지만, 치아 임플란트의 고질적인 문제가 되는 부분을 해결할 수 있는 방안을 구조 해석을 통해서 접근하고 있습니다. 그리고 치아 임플란트의 적층 제조 방법을 통한 제작 환경을 만들기 위한 공동연구를 전남대학교 치의학대학원 윤귀덕 교수님과 함께 진행하고 있습니다 (그림7).

5. 현재 운영하시는 S-CARE Lab. 소개를 부탁드립니다.

- 저희 연구실명은 구조 전산 해석 및 신뢰성 평가 연구실(S-CARE Lab.)입니다. 현재 학부연구생 4명이 함께 연구를 진행하고 있습니다. 저희 연구실은 연구실 명에서 볼 수 있듯이 기계공학에서 세부 분야를 나누자면, 재료 및 파괴, 신뢰성, 반도체 패키징 쪽 연구를 수행하고 있다고 보시면 될 것 같습니다. 저희 연구실은 정확하게는 반도체, 에너지, 바이오-헬스 산업에서 기계적 신뢰성 확보를 위한 융복합적인 신뢰성 평가 연구를 수행하고 있습니다.

1. 실험 역학 기반 재료 거동 평가를 위한 고온 및 습윤 환경 미소인장기/피로시험기 구축 연구를 진행하고 있습니다.
2. 반도체 및 에너지 발전 재료(금속, 폴리머, 3D 프린팅 소재 등) 거동(인장, 굽힘, 피로, 크리프 등) 평가 실험 및 분석, 소재 수명 평가 및 강도 및 피로 파괴 특성 분석 연구를 수행하고 있습니다.
3. 구조 해석 사용툴(ABAQUS, ANSYS 등)을 활용한 산업 문제 해결 (반도체 산업, 발전소, 자동차 산업, 치아 임플란트 등) 연구를 진행하고 있습니다.
4. 생체 재료 관련 기계적 거동 특성 평가 및 압전 특성 전산 해석 관련 연구도 진행하고 있습니다.
5. 변형률 측정을 위한 비전 센서 개발 및 적용 관련 연구도 진행하고 있습니다.

이외에도 기계적 신뢰성과 연관된 연구는 다양하게 진행을 하고 있습니다. 다양한 주제를 진행하고 있다 보니, 저희 연구실에서만 독자적으로 진행하는 연구도 있고, 다른 대학 혹은 다른 연구기관과 다양한 협동 연구도 하고 있습니다.

위에서 소개 드리는 것 이외에도 보안상으로 말씀드릴 수 없는 연구들도 다수 진행 중에 있습니다. 저희 연구실에서 하는 연구에 관심이 있는 석사, 박사 진학을 원하는 분들은 언제든지 편하게 제 이메일(yslee23@mju.ac.kr)로 연락주시면 감사하겠습니다. 만약에 저희 연구실 대학원생이나 학부연구생으로 오신다면, 제가 할 수 있는 한 연구에 필요한 많은 지원을 해드릴 계획입니다.

6. 그동안 영향을 받은 연구자가 많으실 거 같습니다. 어떤 연구자 분들의 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

- 대학교, 대학원 과정 그리고 회사, 연구소, 학교의 길을 지나오면서 수많은 좋은 연구자들을 만났지만, 인터뷰를 통해서 생각나는 분들이 몇 분 있습니다. 먼저 제 석박사 과정 지도교수님인 이순복 교수님의 영향을 많이 받은 것 같습니다. 대학원 재학 당시에는 크게 느끼지 못 하였지만, 졸업 후에 교수님의 영향을 많이 받았다는 생각을 그리고 교수님께 감사하다는 생각을 많이 하게 되었습니다. 저희 지도교수님께서는 대학원 과정 연구 수행에 있어서 다방면으로 볼 수 있는 연구 자율성을 보장해 주셨고, 저에게 공학자라면 어떤 신념을 가지고 살아야 하는지 신념을 만들어주신 분 입니다. 교수님의 영향을 받아 지금도 연구실 자료 PPT에는 저희 지도교수님의 슬로건인 “To save a human life”를 넣어서 작성을 하고 있습니다. 그리고 지도교수님과 더불어 많은 영향을 받은 분은 송지호 교수님이십니다. 저의 지도교수님은 아니지만, 제가 박사학위 과정 중에 송지호 교수님 과목 조교를 4년 간 하면서 교수님께 교수로써 학생들을 대하는 자세와 가르침에 관한 열정을 많이 배울 수 있었습니다. 대학원 이후에는 박사후 연구원 과정을 거치면서 제가 있던 연구단에 단장님이신 윤창원 교수님 (현재는 POSTECH 화공과 교수님)의 영향을 많이 받았습니다. 윤창원 교수님은 연구에 대해 호기심을 가지고 열정적으로 연구 뿐만 아니라 다방면에 재능이 있으셨던 분이었습니다. 그리고 연구단을 이끄실 때에도 부드러운 카리스마를 가지고 계신 윤창원 교수님을 보면서 어느 한 분야를 이끄는 연구자의 모습은 이런 모습이 아닐까 생각하면서 많은 부분을 배울 수 있었습니다.

마지막으로 제가 이전에 있던 학교에 저희 학과 교수님들로부터 교수로서의 자세에 대해서 많은 부분 배울 수 있었습니다. 어떤 상황에서도 학생들을 먼저 생각하고 고민해주시고, 학생들을 위한 방향으로 학과를 이끌어 가시는 모습을 보면서 저에게 많은 깨달음을 주셨던 것 같습니다. 이 자리를 빌어 저희 지도교수님인 이순복 교수님, 송지호 교수님, 윤창원 교수님 그리고 수원대학교 기계공학과 교수님들께 다시 한 번 감사하다는 말씀을 전해드리고 싶습니다. 감사합니다.

7. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

- 연구 활동을 하면서 자부심이 느껴질 때는 다른 연구자들이 저희 연구실 연구에 관심을 가져줄 때 인 것 같습니다. 그리고 제가 과제 등을 수행하면서 해결하지 못한 문제들을 연구를 통해서 해결을 했을 때 보람을 느꼈던 것 같습니다. 또한 현재 교수가 된 지금은 제 학생들이 연구를 하면서 조금씩 성장하는 걸 느낄 때 자부심과 보람을 느끼게 되는 것 같습니다. 이 자리를 빌어 저희 S-CARE Lab. 학생들이 항상 열정적이고 성실하게 연구를 해준 것에 대해 감사의 마음을 전하고 싶습니다.

8. 이 분야로 진학(사업)하려는 후배들에게 조언해 주신다면?

- 우선 저는 제가 지금의 연구를 하고 있는 것에 굉장히 만족하면서 연구를 하고 있습니다. 지금 이 분야로 진학하려는 분들에게 제가 드리고 싶은 이야기는 본인이 정말 연구를 좋아하는지 되돌아 보라고 말씀 드리고 싶습니다. 연구를 하다 보면 다양한 요인에 의해서 내가 지금 이렇게 연구를 하는 인생이 맞는 길인가 라는 고민을 할 때가 생기게 되는 것 같습니다. 이런 고민이 생길 때, 그 고민을 해결할 수 있는 것은 본인이 좋아하는 길이 연구의 길이라는 것을 알 때 후회 없이 분야의 길을 정진해 나갈 수 있다고 생각합니다. 기회가 되신다면 다양한 분야에 대한 경험을 짧게라도 경험해보시고 나아가신다면, 인생의 앞으로 나아가는 발걸음이 더 가벼워 지실 것이라 믿어 의심치 않습니다.

9. 다른 하시고 싶은 이야기들

- 많이 부족한 제가 이렇게 연구를 소개할 수 있는 기회를 주신 메릭 관계자 분들과 그리고 이 글을 읽어주신 독자 분들께 감사하다는 말씀을 전하고 싶습니다. 앞으로 부끄럽지 않은 연구자가 되기 위해서 더 열심히 노력하는 연구자가 되겠습니다. 감사합니다.

* 이용석 교수의 최근(대표)논문

- Sangyul Ha, Jinhyoung Park, Doohyeong kim, Hyeon-Jin Son, and Yong-Seok Lee, "Estimating elastic modulus using experimental data without strain measurement device and optimization technique of finite element analysis", Journal of Mechanical Science and Technology (accepted) (2023)

- Yong-Seok Lee, Seongwoo Kim, Dong-Won Jang, and Soon-bok Lee, "Mechanism of crack initiation and propagation in high-alloy steel slabs during the cooling and scarfing processes after the continuous casting process", Mechanics of materials, Vol.166, 104240 (2022)

- Yong-Seok Lee, and Hyeon-June Kim, “High-Speed Multilevel Binary Imaging CMOS Image Sensor for Object Feature Extraction”, IEEE Sensors Journal (2022)

- Yong-Seok Lee, Sangyul Ha, Jin-Hyoung Park and Soon-Bok Lee, “Structure-dependent mechanical behavior of copper thin films”, Materials characterization, Vol.128, pp.68-74 (2017)

- Yong-Seok Lee, Gi-Dong Sim, Jong-Soo Bae, Ji-Young Kim and Soon-Bok Lee, “Tensile and fatigue behavior of polymer supported silver thin films at elevated temperatures”, Materials letters, Vol.193, pp.81-84 (2017)

Fatigue
Mechanical properties
Finite element analysis
Electronic packaging
Reliability

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