1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁드립니다.

- 제 연구 분야는 정밀 생산 시스템의 동역학 모델링, 시스템 안정성 및 강인성 분석, 예상치 못한 외란과 노이즈에 대비하여 더욱 정밀하고 강인성을 높이기 위한 제어 알고리즘 개발이라고 말씀드릴 수 있습니다.

학위 과정 동안 OLED 디스플레이 증착공정용 자기부상 이동시스템을 이용하여 부상제어향상을 위한 연구를 하였습니다. 중량이 약 400kg, 크기가 약 1.3 m x 1.4 m 되는 캐리어를 전자석을 이용하여 부상 시켜 이동하는 시스템이며, 캐리어의 부상제어향상을 위해서 센서 설치 오차를 보정할 수 있는 알고리즘 개발, 3차원 다이나믹 모델링을 통한 부상제어, 롤, 그리고 피치 제어기설계, 캐리어의 공진 현상을 최소화하기 위해 Notch filter 설계, Sensor에서 나온 데이터의 고주파 잡음을 줄이기 위해 Low pass filter을 설계하는 일을 하였습니다. 시스템 구동을 위한 하드웨어 및 소프트웨어 바탕으로 캐리어의 정지 부상, 저속주행, 고속 주행 및 데드존 (부상 전자석이 없는 구간) 통과를 구현하였으며 동역학 모델링, 제어기 설계, 데이터 신호처리, 시뮬레이션 및 실제 실험을 통하여 자기부상 이동시스템의 부상안정성과 강인성을 확보할 수 있었습니다.

제 연구역량을 바탕으로 현재 집중하고 있는 연구는 Piezo actuator를 이용한 초정밀 XY 스테이지 위치제어 및 인쇄전자 장비 중 하나인 Roll-to-Roll system (R2R)의 롤러 다이나믹 모델링 및 제어기설계입니다.




2. 2019년 Purdue 대학 당시 “유기 발광 다이오드 (OLED) 디스플레이를 운반하는 초정밀 자기 부상 이동시스템에 관한 연구” 라는 논문을 내셨는데 소개를 부탁드립니다.

- 전반적인 자기부상 이동 시스템에 대해 설명 드리자면 열과 산소에 약한 OLED 디스플레이를 캐리어에 흡착 후 부상을 시켜 이동하는 것이며 이는 기존 컨베이어 시스템과 비교하였을 때 마찰력과 같은 비선형 및 발열요소를 최소화함으로 OLED 디스플레이 생산에 최적화된 시스템입니다. 본 시스템 중 캐리어의 부상 안정성과 강인성을 확보하여 부상제어 (Levitation control performance) 향상을 위해서 몇 가지 연구를 진행하였습니다.



첫번째로는 센서 설치 오차를 보정 (Sensor offset calibration) 할 수 있는 알고리즘 개발입니다. 캐리어의 부상제어(Levitation control)를 효과적으로 하기 위해서 캐리어와 센서사이의 거리가 정확히 측정되고 그 값을 피드백(Feedback)하여 오차를 최소화해야 하는데 센서의 설치 오차가 있다면 정확한 공급 값(Airgap)을 얻지 못하고, 그 결과 부상제어를 제대로 할 수 없게 되어 캐리어의 fluctuations motion 이 발생하게 됩니다. 이를 보정하기위해서 캐리어가 고속주행을 했을 때 공극 센서에서 나온 Raw measurement에서 Fluctuations 이 된 부분을 절단하여 FFT을 통한 주파수(Frequency Domain)에서의 Peak 값을 찾아 냈습니다. 센서설치 오차 값과 Peak 값의 상관관계를 알아내기 위해서 몇 가지 시나리오로 그 값을 예측해 본 결과 선형적인 관계가 있으며 Iteration method를 통하여 선형 수식 안에 있는 Parameters 값을 정확히 예측하고 센서설치오차를 보정할 수 있었습니다.

두번째로 3차원 다이나믹 모델링 (3-dimensional dynamic modeling)을 통한 부상제어, 롤, 그리고 피치제어기 (Levitation, roll and pitch controller)를 설계하였습니다. 부상제어는 수학적으로 정립한 다이나믹 모델링을 바탕으로 전류제어와 공극 제어를 설계했으며 특히 다단계 제어기법 (Cascade control strategy)을 이용하여 전류제어는 Inner loop 그리고 공극 제어는Outer loop에 위치하고 전류제어의 Bandwidth를 공극 제어 (PID controller)보다 10배 크게 설정하여 시스템의 빠른 응답성을 설계하였고 Pole placement design을 이용한 전류제어기(PI controller) 를 통하여 부상전자석에서 발생할 수 있는 Inductance effect 를 줄였습니다. 부상제어의 제어안정성을 확인하기 위해 Frequency response을 통한 GM (Gain margin)과 PM (Phase Margin)을 확보하고 부상제어기를 포함한 Closed loop transfer function의 pole location을 확인해본 결과 모두 LHP (Left half plane)에 위치하고 있어 시스템이 상대적인 안정성을 가지고 있었습니다.

주행 중에 발생할 수 있는 회전 움직임 (Rotational movement)을 최소화하기 위해 롤 그리고 피치 (Roll and pitch motion)의 다이나믹 모델링을 바탕으로 LQR(Linear Quadratic Regulator)을 이용한 Optimal state feedback controller 를 설계하고 Observer design을 통하여 회전움직임의 측정센서없이 값을 예측하여 Optimal state feedback controller-observer compensator 를 통한 회전움직임의 제어를 최종적으로 설계하였습니다. 센서설치오차가 있거나 외란 (External load disturbance)이 있을 때 효과적으로 움직임을 제어함으로써 캐리어의 부상을 강인하고 안정하게 제어할 수 있었습니다.

또한, 실제 캐리어가 부상했을 때 발생할 수 있는 공진 현상 (Mechanical resonance)을 최소화하기 위해 Second order notch filter 를 설계하고 Gap sensor에서 나온 데이터의 고주파 잡음 (Noise in the high frequency range) 를 줄이기 위해 First order low pass filter을 설계하여 캐리어의 부상움직임을 향상시켰습니다. 시스템을 실제로 구현하기 위해서 전류제어는 JUNUS (전류증폭기 및 피드백 제어)를 사용하였고 공극 제어는 DSPACE를 사용하였으며 MATLAB/SIMULINK 로 제어 알고리즘을 설계하여 시스템 구동을 위한 하드웨어 및 소프트웨어를 세팅하였습니다.

캐리어의 정지 부상, 저속주행 그리고 고속 주행을 해본 결과 약 50 µm, 250 µm, 그리고, 430 µm의 부상 공극 오차가 있었으며 데드존 (부상전자석이 없는 구간) 통과 실험을 해본 결과, 캐리어가 전자석의 물리적인 접촉 (Mechanical contact) 없이 통과할 수 있었습니다. 동역학 모델링, 제어기 설계, 데이터 신호처리, 시뮬레이션 및 실제 실험을 통하여 자기부상 이동시스템의 부상안정성과 강인성을 확보하였으며 이는 OLED displays의 생산성을 높이고 불량률을 최소화하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.






3. 현재는 한국기계연구원 선임연구원으로 임용되신걸로 알고 있습니다. 어떤 부서에서 어떤 연구를 진행하고 계신가요? 또한 외국에서의 연구와 현재의 연구에서 달라진 점이 있으시다면?

- 현재 한국기계연구원 운영체 조직인 4차산업혁명R&D센터에서 파견 근무하고 있으며, 본 소속은 첨단생산장비본부 인쇄전자연구실입니다. 4차산업혁명R&D센터에서는 미래 기계기술의 변화 및 분석을 통해 미래유망기술 발굴 및 기획연구를 수행하고 있습니다. 또한, 인공지능 교육 및 4차산업혁명 워크숍 개최를 통해 빠르게 발전하는 인공지능에 관한 내용을 습득하고 활용할수 있으며, 개인적으로 연구에 관한 더 넓은 시각과 연구기획 중요성을 확인할 수 있었습니다. 본 연구실인 인쇄전자연구실에서는 위에서 말씀드린데로 Piezo actuator를 이용한 초정밀 XY 스테이지 위치제어 및 인쇄전자장비 중 하나인 Roll-to-Roll system (R2R)의 롤러 다이나믹 모델링 및 제어기설계에 집중하고 있습니다. 새로운 정밀생산 시스템에 관한 연구를 하다보니 동역학 모델링을 새롭게 적용해야되며 시스템마다 다른 특이점 (Piezo actuator가 구동할 때 발생하는 Nonlinear hysteresis variable, R2R 시스템안에서 롤러의 느린 System dynamics 등) 이 있기 때문에 제어기설계를 할 때 이런 부분을 고심하고 있습니다.


- 퍼듀대학교 한 장소에서 (학부, 석사 및 박사졸업) 오랫동안 있었기 때문에 다른 외국연구기관은 잘 알지 못하지만, 적어도 제가 속해있던 기관을 생각해봤을 때 이론을 굉장히 중요시하였으며 연구변화속도가 느렸던 것 같습니다. 아무래도 전통적인 기계제어를 전공하다보니 이러한 성향이 있는 것도 사실입니다. 특히, 기계공학 수업들을 생각해보았을 때에도 실험적인 수업보다는 대부분 동역학 및 제어이론에 치중한 수업들이 많았으며, 연구실 안에서도 프로젝트를 Theory based로 많이 진행했습니다. 장점으로는 동역학 및 제어 기초지식을 잘 쌓을 수 있었으며, 다른 Application에 적용할 때에도 탄탄한 지식을 토대로 무작정 실험이 아닌 Step by step 으로 연구진행 할 수 있었습니다. 현재 한국기계연구원에서는 풍부한 연구 Facilities 를 이용하여 좀 더 속도 있는 연구들을 수행 중에 있으며 큰 보람감과 사명감을 느끼며 생활하고 있습니다.   


4. 연구를 같이 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도 교수에 대해 소개 부탁 드립니다. (Purdue 대학에서 Galen B. King교수의 지도를 받으신 걸로 알고 있습니다.)

- 제 지도교수님인 Galen B.King 교수님은 연세가 많으시지만, 언제나 호기심을 가지고 열정적으로 지도해주셨던 어드바이져였습니다. 물리학을 전공하셔서 공학자가 넘어갈 수 있는 여러 가정들을 그냥 넘어가지 않으셨고 물리적으로 발생할 수 있는 여러 현상들을 자세히 설명해주셨습니다. 또한, 제어 및 신호처리에 관한 지식도 탄탄하셔서 매주 미팅에서 제어기의 안정성 및 강인성 분석을 할때 도움되는 어드바이스를 주시기도 했습니다. 연구 외적으로 인품도 훌륭한 분이라서 개인적으로도 존경하는 분입니다.

학위 과정 동안 진행했던 초정밀 자기부상 이동시스템은 한국기계연구원 인공지능기계연구실과 협력하여 연구를 진행했습니다. 한형석 박사님, 김창현 박사님, 하창완 박사님 및 인공지능기계연구실 분들의 도움을 받아 자기부상이동시스템의 전반적인 기초내용부터 부상제어기설계까지 할 수 있었으며 방학 때마다 실험실에 방문해 하드웨어 세팅 및 실험을 지속적으로 했습니다. 캐리어의 부상제어가 제대로 되지않아 많이 고생하였지만 지금은 좋은 추억으로 남아있으며 덕분에 머리 속에 머물러 있던 이론지식이 Application에 적용되면서 실력을 쌓는 데 도움이 되었습니다. 다시한번 이자리를 빌어 한국기계연구원 인공지능기계연구실 박사님들께 감사하다는 말씀을 드리고 싶습니다.


5. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면?

- 제어적인 관점에서 영향을 많이 받았던 책은 박사학위동안 Academic Committee 였던 S.Zak 교수님의 Systems and Control이라는 책입니다. 실제 교수님께 수업을 들었으며 자기부상이동시스템에서 Roll 및 Pitch controller 를 설계할 때 Optimal state feedback controller with observer compensator 를 적용하는 데 도움이 되었으며 실제 실험적인 결과에서도 전자석이 존재하지 않는 구간 (Deadzone) 에서도 캐리어가 통과할 수 있는 결과를 얻어냈습니다. 제어전공을 하고 싶은 분들께 추천드리고 싶은 책 중 하나입니다.


6. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

- 연구가 잘 될 때보다는 사실 잘 안될 때가 더 많은 게 사실입니다. 밥먹을 때도, 잘때도 고민하여 결국 원하는 연구결과가 나왔을 때 큰 보람과 희열을 느낍니다. 여러 직업군 중 하나의 직업인 연구자이지만 끊임없이 내 연구에 대해 고민할 때, 즉 내가 연구자라는 것을 느낄 때 가장 큰 자부심을 느끼고 보람을 느끼는 것 같습니다. 항상은 어렵겠지만 많이 몰입하고 집중할 수 있는 연구자가 되고 싶습니다. 


7. 이 분야로 진학하려는 후배들에게 조언을 해 주신다면?

- 학위과정을 생각해보면 많이 조급했던 것 같습니다. 물론 그 조급함이 지금의 결과를 만들어 주었지만 조금은 여유를 가지고 탄탄히 공부하고 연구했더라면 이라는 생각이 들더군요. 우선, 동역학 및 제어이론의 기초를 탄탄히 쌓으시고 여러 Application에 적용하여 경험을 많이 쌓아두는 게 좋을 것 같습니다. 또한, 인공지능과 같은 Optimization tool을 접하여 제어공학에 접목시키는 것도 하나의 좋은 방법이라 생각합니다. '마음의 여유를 가지고 느리지만 분명하게 연구를 진행하기'가 제가 감히 드릴 수 있는 조언인 것 같네요. ^^


8. 앞으로 진행할 연구 방향이나 목표가 있으시다면?

- 자기부상시스템과는 다른 Application을 진행하고 있지만 사실 연구방향 및 목표는 같습니다. 생산시스템 구동에서 발생할 수 있는 Disturbance를 최대한 줄이고 원하는 Tracking performance를 높여 좀 더 완벽한 시스템을 구축하는 것입니다. 우선, 현재 집중하고 있는 XY stage와 Roll-to-Roll system의 시스템 다이나믹스를 충분히 이해하고 제어기 설계를 하는 것입니다. 또한, 앞으로도 다양한 초정밀시스템을 구동하여 제어분야 전문가가 되고 싶은게 제 큰 목표입니다. 


9. 본인의 최근(대표)논문을 알려주세요.

1. J.Kim, C.W.Ha, Galen.B.King and C.H.Kim, “Experimental development of levitation control for a high-accuracy magnetic levitation transport system” (2020). ISA transactions.

2. J.Kim, Galen B.King, C.H.Kim and C.W.Ha, “Modeling and Designing Levitation, Roll and Pitch Controller for High Accuracy Maglev Tray System” (2018). Mechatronics, 53, 181-191.

3. J.Kim, Galen B.King and C.H.Kim, “Development of Algorithm to Estimate Sensor Offset in Maglev Tray System” (2018). International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 19(3), 349-358.

4. J.Kim, Y.Cui, and K.B.Ariyur, "Using Topography to aid smart phones geolocation" (2017). Wireless Networks, 1-14.

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