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금속 3D 프린팅 기술의 공정 모니터링 및 제어 연구
정지훈( jihoon jeong)(Texas A&M University 산업공학과 조교수) / jihoonjeong at tamu.edu

1. 본인의 연구에 대해서 대략적인 소개를 부탁드립니다.

금속 3D 프린팅 공정 연구를 하고 있는 정지훈 입니다. 현재 노스웨스턴 대학교 (Northwestern University)에서 박사후 연구원 (Postdoctoral Scholar)으로 일하고 있으며, 24년 1월 1일부터 텍사스A&M대학교 (Texas A&M University) 산업공학과 (Department of Industrial and Systems Engineering) 조교수로 일할 예정입니다. 앞으로 첨단제조 분야의 측정 및 제어 연구에 집중할 예정이며, 이와 더불어 첨단제조 공정 과정의 깊은 이해를 하기 위해 정밀한 측정을 통한 기초 연구도 함께할 계획입니다.

2009년 KAIST 석사학위를 시작으로 실험을 바탕으로 하는 연구를 지금까지 해오고 있습니다. KAIST – 삼성SDI – KIST를 거치는 동안, 고온 연료전지, 탄화수소 개질 및 리튬배터리를 연구하며, 재료 및 디바이스 특성화 및 측정에 관심을 갖게 되었고, 2014년 여름 텍사스오스틴대학교 (The University of Texas at Austin) 기계공학과에서 박사과정을 시작했습니다. 박사 과정동안은 Laser spectroscopy를 이용한 나노 및 마이크로 스케일 열전달 측정 연구를 했습니다 [1,2]. 이를 바탕으로 금속 나노입자의 3D 프린팅 연구 프로젝트를 수행했고 [3], 이 연구 분야를 확장하여 현재 노스웨스턴 대학교에서 금속 3D 프린팅 공정 연구를 진행하고 있습니다. 특히, 포토다이오드 및 IR 카메라를 이용해 프린팅 공정을 실시간으로 모니터링하고 이를 바탕으로 실시간 컨트롤을 하는 연구를 하고 있습니다 [4,5].


2. 최근 금속 3D 프린팅은 강도가 높고 복잡한 형태의 부품을 빠르게 만들어내는 데에서 성공을 거두고 있습니다. 그러나 아직 미세 구조 변화와 기계적 강도 제어에는 여전히 어려움이 남아 있습니다. 반복적인 열 가공 과정으로 인해 금속 3D 프린팅에서 발생하는 미세 구조 및 기계적 특성의 변화를 제어하는 방법을 연구 중이신걸로 알고 있습니다. 자세한 소개를 부탁드립니다.

금속 3D 프린팅은 여러가지 부분에서 장점을 가지고 있습니다. 우선, 전통적인 방법들과 달리, 재료를 하나씩 쌓아가면서 만드는 과정이기 때문에 보다 복잡한 구조물이나 여러가지 재료를 혼합하거나 원하는 부분에 원하는 재료를 선택적으로 적용할 수 있기 때문에, 굉장히 유연하고 맞춤 가공이 가능한 이점이 있습니다. 물론 대량생산을 하는데에는 몰딩, 프레스와 같은 전통적인 방법이 유리하겠지만, 새로운 재료 혹은 새로운 디자인을 가능한 빠르게 테스트해보고 싶다거나, 방위산업 혹은 우주항공산업처럼 특수 목적으로 소량생산을 하고자할 때는 금속 3D 프린팅이 강점을 가지고 있습니다. 전통적인 가공법을 대체하기보다는 기존의 가공법으로 제조하기 오래 걸리거나 어려운 부품들은 보다 쉽고 빠르게 생산해낼 수 있는 새로운 가공/제조법이라고 생각하시면 됩니다.

금속 3D 프린팅의 기술 수준은 현재, 원하는 디자인의 치수를 정밀하게 (수십 마이크로미터 수준 오차) 만들어 낼 수 있습니다. 하지만, 금속 3D 프린팅 제조 공법의 특성상 열원 (레이저 혹은 전자빔)이 제조과정 속에서 지속적으로 가해지고, 여러층을 쌓아가면서 제조를 하게 되는데, 이 때문에 열이 계속 누적되게 되고, 제조되는 부품의 아랫쪽과 윗쪽의 열이력 (thermal history)가 매우 다릅니다. 이는 금속 미세구조 형성에 영향을 미치게 되고, 결국 기계적강도가 제조된 같은 부품내에서 달라지게되는 결과를 낳게 됩니다. 때문에, 이를 잘 제어할 수 있게 된다면 균일한 미세구조 및 기계적 강도를 갖는 부품을 생산할 수 있고, 더 나아가면 원하는 대로 미세구조 및 기계적 강도를 제어하여 생산할 수 있는 능력을 갖게 되므로 이는 전통적인 가공법에서는 갖을 수 없는 매우 혁신적인 강점이 될 수 있습니다.

이를 위해 저는 금속 3D 프린팅 제조 공정의 실시간 모니터링 기술을 개발하고, 이를 바탕으로 열이력을 제어하여 얻고자하는 미세 구조 및 기계적 강도를 얻을 수 있는 연구를 진행하고 있습니다. 이외에도 여러가지 연구를 동시에 진행하고 있는데, 간단히 나열하자면, 다음과 같습니다.

1) 기존 가공 레이저 (λ = 1070 nm)의 단점을 극복하기 위한 블루 레이저 (λ = 450 nm) 를 이용한 금속 3D 프린팅 공정 연구개발
2) 금속 3D 프린팅을 이용한 새로운 물질 고속대량스크리닝 (high-throughput) 테스트 플랫폼 연구개발
3) 터빈 블레이드에 적용 가능한 다루기 어려운 금속 (refractory metal) 의 3D 프린팅 공정 개발
4) 고속 엑스레이 이미징 (high speed X-ray imaging)을 이용한 금속 3D 프린팅의 레이저-재료 상호작용 연구


3. 직접 에너지 증착(Directed Energy Deposition, DED) 기술에서의 용융 풀 온도를 제어하기 위해 사용되는 시뮬레이션 기반 선행-피드백 제어 방법을 소개해주세요.

앞서 언급했던 금속 3D 프린팅 제조 공정의 실시간 모니터링 기술을 개발하고, 이를 바탕으로 열이력을 제어하여 얻고자하는 미세 구조 및 기계적 강도를 얻을 수 있는 연구 중에서 시뮬레이션 하는 연구원과 협력하여 최근에 발표한 논문에 대해 간략하게 설명 드리겠습니다. 현재 저희 그룹에서는 커스텀 금속 3D 프린팅 장비에 포토다이오드를 이용한 금속 분말을 분사하고 레이저로 용융시 발생하는 용융풀 (melt pool)의 온도를 측정하고 있고 (Fig. 1. B), 이를 바탕으로 용융풀의 온도를 조절하는 피드백 제어를 하고 있습니다. 실제 공정상에서의 모니터링을 통해 피드백 제어를 하고 있어, 실시간으로 제어를 할 수 있다는 장점이 있지만, 피드백 제어 특성상 생겨나는 이미 일어난 이벤트에 대해서는 제어가 어려운 부분이 있습니다. 이를 보완하기 위해 FEM 시뮬레이션을 통해 열이력을 예측하고, 이를 바탕으로 생성한 피드포워드 신호를 인풋으로 받아서 (Fig. 1. C) 피드백제어와 결합하면 (Fig. 1. A)두 제어 기술의 장점을 모두 얻을 수 있습니다.

Fig. 2. A를 보면, 1) 제어되지 않았을 경우, 2) 피드백 제어, 3) 피드포워드/피드백 제어 경우에 대한 용융풀 온도 결과 입니다. 제어가 되지 않았을 경우, 레이어 1과 2 사이에 전환 과정에서 열축적으로 인한 온도 변화가 뚜렷하게 나타납니다. 피드백 제어를 했을 경우에는 레이어 1, 2 모두 비슷한 온도로 제어가 되지만, 전환 과정에서 오버슈팅이 일어나게 됩니다. 하지만 피드포워드/피드백 제어의 경우에는 FEM 시뮬레이션을 통해 예측한 온도를 바탕으로 생성된 피드포워드 레이저 출력값을 인풋으로 가지고 있기 때문에, 전환 과정에서 열축적이 일어날 것을 예측하고 레이저 파워를 미리 감소시켜 온도의 오버슈팅을 완화 시킵니다. 이러한 부분이 Fig. 2. A와 B에 잘 나타나 있습니다.

이 연구는 금속 3D프린팅 공정의 실시간 모니터링 기술과 시뮬레이션을 결합하여 진보된 제어 가능성을 보여줌으로써, 궁극적인 목표인 열이력제어를 통한 미세구조 및 기계적강도 제어에 한걸음 더 다가가는 결과입니다.





4. 지금까지 성과와 연구 결과가 어떻게 산업 현장에 적용될 수 있을까요? 연구 결과가 현업에서의 금속 3D 프린팅 공정에 어떤 영향을 줄 수 있을지 설명해주세요.

앞서 소개해드린 금속 3D 프린팅 공정의 실시간 모니터링 및 제어 기술이 성숙된다면, 원하는 디자인의 치수 뿐만 아닌 미세구조와 기계적강도 또한 원하는대로 만들어낼 수 있는 첨단 제조기술을 확보할 수 있습니다. 예를 한쪽은 기계적강도가 강하게, 다른 한쪽은 좋은 연성을 갖도록 부품을 한번에 생산해낼 수 있게 됩니다. 더불어서 이외에도 제가 하고 있는 블루 레이저 (λ = 450 nm)를 이용한 새로운 금속 3D 프린팅 공정을 개발 하면, 기존 레이저 (λ = 1070 nm)로 제조가 힘든 구리 (Cu) 합금 이나 Refractory metal들을 보다 쉽게 다룰 수 있게 되고, 이는 더 많은 어플리케이션으로 이용될 수 있는 장점이 있습니다. 예를 들어 구리 합금을 잘 다룰 수 있게 되면, 기존의 제조 공법으로 가공하기 힘든 복잡한 구조의 열교환기나 냉각기를 금속 3D 프린팅을 통해 제조해 낼 수 있습니다.


5. 현재 소속되어 계신Advanced Manufacturing Processes Laboratory (AMPL) at Northwestern University의 소개를 부탁드립니다.

제가 현재 포스닥 연구원으로 지내고 있는 AMPL은 Jian Cao 교수님과 Kornel Ehmann 교수님 지도 아래 약 25명의 대학원생 및 포스닥으로 구성되어 있습니다. 유연하고 쉽고 빠르게 적용가능한 첨단제조 공정을 연구하고 있으며, 특히 Incremental Forming, 금속 3D 프린팅, 복합재료 공정 등에 집중하고 있습니다. 실험뿐만 아니라 FEM (finite element method), PINN (physics-informed neural network), Data-driven, ML (machine learning) 등과 같은 다양한 시뮬레이션 및 예측모델링 기법을 이용하여 실험과 조화를 이루는 연구를 진행하고 있습니다. Mechanics에 기초를 두고 다양한 첨단 제조 기법을 연구하고, NSF, Army Research Lab, DOE, CHiMaD NIST 등과 같은 다양한 기관으로 부터 지원받아 프로젝트를 수행하고 있고, 이외에 GE, GM, Nissan, QuesTek과 같은 산업체와도 협력연구를 진행하는등 다양하게 연구하고 있습니다. 또한 매년 TMS (금속재료학회), MSEC/NAMRC (북미생산제조학회), SFF (3D프린팅학회), USNCCM (컴퓨테이셔널 메카닉스학회), CIRP (국제생산공학회), ICAM (3D프린팅 표준학회) 등과 같은 다양한 학회에 참가하여 연구 성과를 발표하고 네트워크를 만들어나가고 있습니다.



6. 많은 분들과 같이 연구를 진행해 오셨는데요. 그 동안 영향을 받은 연구자가 많으실 거 같습니다. 어떤 연구자 분들의 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

여러 기관을 거치면서 다양한 연구자들을 만나면서 좋은 영향을 많이 받았습니다. 먼저, 박사과정 지도 교수인 Yaguo Wang 교수님에게는 연구를 하면서 만나게 되는 문제들의 본질을 깊게 따져보고 해결책을 연구하는 법, 그리고 스승으로서 진심으로 제자를 대하는 법등을 배웠습니다. 박사과정 커미티 멤버인 Li Shi 교수님에게는 끊임 없이 탐구하고 연구하는 자세, 항상 배우고 새로운 것에 대한 호기심을 갖고 자기 것으로 만들어나가는 노력을 하는 모습에 감동했습니다. 그리고 지금 지내고 있는 AMPL의 Jian Cao교수님에게는 큰 그룹을 이끌어가는 리더쉽, 다양한 멤버들을 품어내는 포용력, 그리고 생산제조분야에서 큰 그림을 그리고, 많은 이들이 존경하며 따르는 카리스마, 마지막으로 새로운 연구 아이디어를 끊임없이 생산해내는 열정을 배웠습니다. 저는 운이 좋게도 좋은 연구자 분들은 많이 만날 수 있어서, 좋은 영향을 많이 받았습니다. 이를 바탕으로 앞으로 Texas A&M 에서 좋은 연구실을 꾸려나가고 싶습니다.


7. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

석사과정 이후로 크게 서로 다른 3가지 분야 (전기화학, 열전달, 첨단제조) 를 공부하게 되었습니다. 분야를 넘어다니면서 연구를 하다보니, 처음에 적응하는데 어려운 점은 있었지만, 결국 지금 저에게 큰 자산이 되었습니다. 앞으로 제 연구실을 시작해나갈 때, 저만의 융합연구를 할 수 있는 밑거름이 될것이라고 생각합니다.


8. 이 분야로 진학(사업)하려는 후배들에게 조언해 주신다면?

첨단제조분야는 다양한 분야를 아우르는 매우 큰 영역의 연구 분야 입니다. 때문에 기계공학 뿐만 아닌, 재료공학, 물리학, 화학등의 여러 분야를 이해하고 소화할 수 있어야 좋은 연구자될 수 있습니다. 자신이 하고 있는 전공 혹은 연구 뿐만 아니라, 열린 마음으로 다양한 학문을 배우는 마음으로 임하면 좋은 결과가 있을 거라 믿어 의심치 않습니다. 그리고 재미있는 연구 하셨으면 좋겠습니다! 특정 인기 분야가 아니라 좋아하고 재밌다고 느끼는 것을 하면, 나중에 힘들거나 위기의 순간이 와도 이겨내기가 더 수월할 것 입니다! 그리고 몸과 마음이 건강한 연구생활 하시기 바랍니다!


9. 다른 하시고 싶은 이야기들(메릭 또는 다른 연구자들, 후배들에게)

메릭 인터뷰 덕분에 노스웨스턴에서 포스닥을 마무리하고 내년 Texas A&M에서 새로운 시작을 앞두고 제 자신을 되돌아 보는 좋은 기회였습니다. 제가 어떤 연구를 해왔고, 어떤 생각을 하며 살아 왔는지 되짚어보면서 초심을 되찾을 수 있었습니다. 앞으로도 열심히 노력해서 학계와 산업계에 좋은 영향을 미치는 연구자가 되겠습니다. 고맙습니다.


*정지훈 박사의 최근(대표) 논문들

[1] J. Jeong*, X. Li*, S. Lee, L. Shi, Y. Wang, “Transient hydrodynamic lattice cooling by picosecond laser irradiation of graphite”, Physical Review Letters 127 (8), 085901 (2021)

[2] X. Meng, T. Pandey, J. Jeong, S. Fu, J. Yang, K. Chen, A. Singh, F. He, X. Xu, J. Zhou, W.-P. Hsieh, A. K. Singh, J.-F. Lin, Y. Wang, “Thermal conductivity enhancement in MoS2 under extreme strain”, Physical Review Letters 122 (15), 155901 (2019)

[3] J. Jeong, Y. Wang, “Thermal Properties of Copper Nanoparticles at Different Sintering Stages Governed by Nanoscale Heat Transfer”, Additive Manufacturing Letters 4, 100114 (2023)

[4] S. Liao*, J. Jeong*, R. Zha, T. Xue, J. Cao, “Simulation-guided feedforward-feedback control of melt pool temperature in directed energy deposition”, CIRP Annals 72 (1), 157 (2023)

[5] J. Jeong, S. Webster, S. Liao, J.-E. Mogonye, K. Ehmann, J. Cao, “Cooling Rate Measurement in Directed Energy Deposition using Photodiode-based Planck Thermometry”, Additive Manufacturing Letters 3, 100101 (2022)

  • Metal Additive Manufacturing
  • Process monitoring and control
  • Heat transfer
  • Laser spectroscopy
  • Thermoreflectance
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|2024.01.24
2024년 1월 1일자로 Texas A&M 대학교에 임용되셔서 소속과 이메일을 변경했습니다. 다시한번 더 축하 드립니다.

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