KOSEN - Precision Sensors and Instrumentation

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기계

Precision Sensors and Instrumentation

2020-06-30 org.kosen.entty.User@5fb2e196 이차범(cblee)

We are pursuing the research to understand fundamental principles in multidisciplinary discipline subjects and create next generation manufacturing methods and processes by using our core knowledge in manufacturing, precision engineering, metrology, mechatronics, and optics and academia and industry experiences. Our primary academic interests are developing precision engineering-inspired approaches to manufacturing and metrology and, reciprocally, to use these approaches to better understand learning and create new knowledge in precision machine systems. We will try any possible approaches to solving the current manufacturing problems and characterizing those limits such as accuracy, precision, long-term reliability and fatigue properties, and then, we will create new manufacturing methods and processes and push its limits at the end.

안녕하세요. Texas A&M 대학교 기계공학과 조교수 이차범 입니다. 제에 대한 정보는 저희 학과 홈페이지에서 확인 가능합니다. 홈페이지 주소는 하단을 참고해 주세요. KOSEN을 통해 여러분을 만나 뵙고, 제 실험실 소개를 해드릴 수 있어서 여러가지로 기분이 좋습니다. Texas A&M 대학교에서는 보통 사람들을 만날 때 사용하는 인사말이 있습니다. “Hello”가 아니라 “Howdy”라고 말하면서 서로 인사를 합니다. 저도 이번엔 저희 학교 언어를 통해 여러분께 인사를 하고자 합니다. HOWDY!!
제가 2018년에 Texas A&M 대학으로 부임하면서, 정밀센서/계측 실험실을 만들었습니다. 현재 기계공학과 건물 JCain 313에 위치하고 있습니다. 저의 실험실은 저를 포함해서, 포스닥 연구원 1명, 박사과정 학생 3명, 석사과정 학생 5명, 학부연구원 1명이 있습니다. 저희 실험실 세부 정보는 하단 링크에서 확인하실 수 있습니다.

Precision Sensors and Instrumentation실험실 환경

저희 실험실에는 측정 및 계측 연구를 하기 때문에, 각종 센서, 데이터 수집 장치, 신호 처리 장치, 정밀 이송 기기, 정밀 회전 기기, 각종 모터, 로봇 기반 이송 장치, 온도 제어 장치 등등의 여러 실험 장비를 보유하고 있습니다. 정밀 분야 연구가 주로 이루고 있어서, 센서와 측정기, 주변 모션 제어 장치들의 분해능과 정밀도가 나노미터 수준으로 상당히 높습니다. 또한, 실험실 환경이 ±1℃ 온도 제어가 되어 있고, 모든 실험은 실험실 바닥에서 올라오는 진동을 제거하기 위한, 광학 실험용 테이블과 Granite (석정반), 클린룸 기반의 실험 환경을 갖추고 있습니다. 이런 연구 기자재를 활용하여 다양한 변위 센서, 모션 센서, 정밀 이송 장치, 복잡한 3차원 형상/표면 측정, 동적 시스템 분석에 대해서 심도 있는 연구를 진행하고 있습니다.
저희 실험실은 미국연구재단 (National Science Foundation), 미국 표준과학기술원 (National Institute of Standards and Technology), Oakridge National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, 한국생산기술원 (Korea Institute of industrial Technology), 여러 기업 연구소와 공동연구를 진행중에 있고, 현재 실험실에서 수행중인 연구과제는 (1) 포토마스크 검사 기술, (2) 스핀들 기상 계측 기술, (3) 나노포지션닝 장치 설계 기술, (4) 3차원 표면형상 기상계측 기술, (5) 복합소재 가공 모니터링, (6) 복합소재 결합부 비접촉 측정기술 입니다.

저희 실험실에서 하는 연구는 정밀 생산/제조 기술에 필요한 요소기술 중에 정밀 측정 기술을 초점을 두고, 측정 기술 향상을 통해 생산/제조 기술의 효율을 향상시키고, 운용자로 하여금 실시간으로 생산/제조 프로세스를 모니터링, 제어, 진단, 후처리 할 수 있게 하고자 합니다. 측정 기술은 기초 연구부분에 들어가는 연구 분야로, 다양한 분야의 지식을 요구합니다. 예를 들면, 기계, 전기, 전자, 재료, 광학, 물리 등등의 지식을 필요로 합니다. 저희 실험실에서는 이런 여러 분야의 지식을 활용해 최첨단 측정 기술과 산업현장에 꼭 필요한, 그리고 4차 산업시대에 맞는 필수 계측 기술을 연구하고 있습니다.

연구분야

세부 연구 내용으로는 다음과 같습니다: (1) interferometry for length, surface and volume measurements, (2) semiconductor metrology and inspection, (3) machine tool metrology, (4) on-machine measurement and instrumentation, (5) precision manufacturing, (6) smart materials and structures. 세부 연구 내용을 간단히 정리하면, 로봇 가공기를 포함한 가공기와 반도체 장비의 필수 계측 기술에 대해서 연구를 수행하고 있습니다. 아래 그림과 같이, 가공기나 반도체 장비는 절삭, 적층, 노광 등등에 필요한 소자들과 프로세스 제어가 필요하고, 이에 앞서 전반적으로 각각의 공정에서 나타나는 현상들을 먼저 이해하고, 전/후 프로세스와의 조건, 상태, 결과를 설명해줄 수 있는 연결고리가 있어야 합니다. 예를 들면, 절삭 프로세스에서 공구 마모를 실시간으로 모니터링하고, 가공물의 형상을 실시간으로 측정하면, 공구마모와 가공조건, 가공 결과 데이터를 유기적으로 분석할 수 있고, 상관관계를 설명할 수 있게 됩니다. 따라서 생산/제조 시스템에서 일어나는 모든 현상을 이해하고, 분석하고, 예측하는 연구가 각각의 세밀한 연구 범주내에서는 연구의 깊이와 난이도가 낮을 수 있지만, 전체 시스템을 모니터링하고 제어하는데 있어서는 매우 중요합니다.

주요 연구 방향

실험실에서 수행한 연구 중 대표 연구성과는 저희 실험실 홈페이지에서 확인이 가능합니다. 간단하게 말씀드리면, (1) knife-edge interferometry 기반의 공구마모 계측, (2) 3D 프린팅 기반의 고성능 나노포지셔닝 스캐너, (3) 스핀들 Health monitoring용 기상 계측 센서 (curved edge sensor), (4) 다이나믹 모션 제어 및 에러 측정, (5) 폴리머기반의 피에조 소자 제조, (6) 구면/비구면 3차원 형상 측정, (7) 로봇 가공 상태 실시간 모니터링용 센서 등등이 있습니다. 해당 연구 주제는 단순한 실험, 해석을 통해 연구목표를 달성할 수 없고, 물리적 현상과 수학기반의 시스템 모델을 이해하고, 새로운 측정 방법과 측정 시스템을 통해서만이 가능합니다. 기존에 많이 알려진 방법으로 접근하지 않고, 어느 누구도 도전해 본적이 없는 새로운 접근방법으로 공학 문제를 접근하였기 때문에, 여러 저널, 학회 발표를 통해 저희 연구가 주목받고 있습니다.
저희 연구 결과는 논문으로 접할 수 있지만, 저희 실험실 모두 미국정밀공학회 (American Society for Precision Engineering)과 미국기계학회Manufacturing Science and Engineering Conference 를 통해서 연구 발표를 하고 있습니다. 저희 연구에 관심이 있으신 분은 저나 저희 시험실에 알려주셔도 되고, 학회 참여를 통해 더 많은 기술 정보 교류가 가능할 것으로 생각합니다.

저희 연구실은 실험실과 학생 오피스와 분리가 되어 있습니다. 미국내 거의 모든 대학 연구실이 실험자의 안전과 편의를 위해 학생 오피스와 실험실을 분리하는 추세입니다. 실험실 학생들은 연구 진행 상황에 따라 다르지만, 오전 9시부터 저녁 5시까지 연구 수행하고, 가끔씩 신호 노이즈에 민감한 실험 같은 경우, 새벽에 실험을 진행하는 경우도 있습니다. 저희 실험실에서는 이론적인 배경을 기반으로 연구를 진행하기 보다는, 실험을 통해, 시스템의 조건, 상태를 분석하고, 예측하면서 이론을 학습하고 있습니다. 따라서 모든 학생들이 각자의 실험 테이블이 있습니다. 실험 결과가 진동과 외부 노이즈에 민감하기 때문에, 모든 학생들이 각자의 실험 테이블에 실험 장치를 꾸려 연구에 매진하고 있습니다.
저희 실험실 학생들과 연구 책임자는 주간 개별 연구 미팅(20분) 과 2개월 단위로 이루어지는 전체 그룹 미팅을 하고 있으며, 학생 연구자들은 1년에 2~3회 학회 참여를 장려하고 있고, 특히 미국정밀공학회에서 운영하고 있는 정밀공학챌린지 대회에 참여하여 저희 실험실 연구 실력을 발휘하고 있습니다. 또한, 매 학기 2-3회 점심/저녁 작은 소모임을 통해 연구팀 화목도 다지고 있습니다.

Texas A&M 대학은 본교를 포함해 총 11개의 캠퍼스를 가지고 있습니다. 저의 실험실은 본교 캠퍼스 (College Station 시) 기계공학과 건물에 위치하고 있습니다. 오시는 길은 Houston, Austin, Dallas에서 자가 운전이나 셔틀을 통해서 College Station까지 오실 수 있고, College Station 공항도 있기 때문에 항공편으로 오실 수 있습니다. College Station 캠퍼스는 미국대학내에서 가장 큰 캠퍼스이기 때문에 초행이신 분께는 상당히 어려울 수 있습니다. 참고로 저희 기계공학과는 건물 5개를 사용하고 있습니다. 저희 실험실은 JCain 313에 위치하고 있습니다. 근처 도시에 방문 중이신 분들 중에 저희 실험실 탐방을 원하시는 분은 언제든지 알려주세요. 저희가 최선을 대해 환형해 드리겠습니다.
마지막으로, 저희 실험실에서 석/박사과정 또는 포스닥 과정을 수행하고자 하시는 분은 언제든지 연락주세요. 도전정신과 열정이 있는 젊은 인력을 항상 찾고 있습니다. 감사합니다.