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건설재료의 성능 평가를 위한 실험 자동화 시스템 개발
빅데이터와 인공지능 기반의 건설재료 품질관리 혁신 기술 제시
우리 대학 건설및환경공학과 김재홍 교수 연구팀은 시멘트 분산제의 성능을 정밀하게 평가할 수 있는 자동화 실험 시스템을 개발했다. 이 시스템은 기존 수작업 실험의 한계를 극복하고, 데이터 사이언스와 머신러닝 기법을 활용해 시멘트 기반 재료의 품질 관리를 혁신적으로 개선할 수 있는 길을 열었다.
건설재료 품질관리의 도전과제
콘크리트는 전 세계에서 가장 많이 생산되는 공학 재료지만, 시멘트와 골재 같은 원재료가 지역마다 성질이 달라 품질과 성능의 변동성이 크다. 따라서 콘크리트 재료의 성능 시험에는 많은 수의 샘플이 필요하며, 이는 노동 집약적인 작업으로 이어진다.
김재홍 교수는 "건설재료는 다른 공학 재료에 비해 변동성이 매우 크기 때문에, 재료의 성능평가 신뢰성을 높이려면 충분한 양의 데이터가 필요합니다. 이를 위해서는 많은 수의 샘플을 제조하고 테스트해야 하는데, 기존의 수작업 방식으로는 단순히 품질 검증을 위한 작은 수의 샘플을 사용하여 현장에서 불량 레미콘 등의 문제가 종종 발생하고 있습니다"라고 설명했다.
혁신적인 자동화 실험 시스템
연구팀이 개발한 자동화 실험 시스템은 230mL 모르타르 샘플의 레올로지 특성을 정밀하게 측정할 수 있다. 이 시스템은 시료 준비, 재료 혼합, 레올로지 측정 등의 과정을 모두 자동화하여 인력 투입 없이도 정확하고 일관된 데이터를 생산할 수 있다.
연구팀은 이 시스템을 사용해 130개의 모르타르 샘플을 분석하여 시멘트 분산제의 효과를 포괄적으로 특성화했다. 주성분 분석(PCA)을 통해 토크 측정값의 뚜렷한 패턴을 발견했으며, 이를 통해 패턴의 분산을 설명하고 분산제 성능 차이를 효과적으로 포착할 수 있었다.
특히 이 자동화 시스템은 7%의 변동 계수로 우수한 재현성을 달성했으며, 이는 재료의 고유한 변동성으로 간주될 수 있다. 또한 관찰 기반 학습을 통해 시스템의 유용성을 확장하여 유동성과 블리딩 속도를 성공적으로 예측할 수 있었다. 이 내용은 건설공학 분야에서 권위 있는 학술지인 Cement and Concrete Research에 "Automated experimentation for evaluating cement dispersant performance"라는 제목으로 게재되었다.
(https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2025.107895)
연구 결과 및 향후 계획
연구 결과는 3세대 시멘트 분산제의 우수한 성능을 확인하는 동시에, 분산제 사용량-레올로지 관계에 대한 통합적인 분석을 제시하였다. 이러한 자동화 실험 방식은 시멘트 기반 재료의 더 효율적이고 포괄적인 평가를 위한 프레임워크를 확립했다는 데 의의가 있다. 김재홍 교수는 "이번 연구에서 개발한 자동화 실험 시스템은 단순히 실험 과정을 자동화하는 것을 넘어, 데이터 사이언스와 머신러닝을 통합하여 건설재료의 품질관리 패러다임을 변화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다"라고 강조했다.
한편, 연구팀은 건설재료의 성능 평가를 위한 자동화 실험 시스템 개발에 앞서, 건설재료의 특성에 적합한 머신러닝 알고리즘을 개발하였다. KAIST 건설및환경공학과/데이터사이언스대학원 강인국 박사과정이 제1저자로 참여한 관찰 기반 학습(observation-based learning), 도메인 적응(domain adaptation) 학습 알고리즘 등에 관한 연구는, 건설공학 분야에서 권위 있는 학술지인 Cement & Concrete Composites 등에 게재되었다.
(https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2025.105943, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133811).
연구팀은 앞으로 이 자동화 시스템을 확장하여 시멘트 분산제 성능 평가뿐만 아니라 강도 발현, 수화열, 내구성 등 다양한 콘크리트 성능 지표에 대한 자동화 실험을 수행할 계획이다. 또한 해외건설 및 국내건설 현장의 건설재료 변동성으로 인한 시공실패를 사전에 예측하고 방지하기 위한 성능평가 실험 자동화 및 로봇 플랫폼을 확장 구축할 예정이다.
김 교수는 "궁극적으로 우리의 목표는 건설산업에서 전문 테크니션 부족 문제, 기능인력 노령화 문제, 주52시간제 시행 등에 대응하기 위한 건설재료 품질관리 및 성능평가의 완전한 자동화 시스템을 구축하는 것입니다. 이를 통해 데이터 기반의 의사결정이 가능한 스마트 건설 환경을 조성하고자 합니다"라고 밝혔다.
이 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다.
2025.04.14 조회수 6820 -
나원기 학생, 미국콘크리트학회 최우수 논문상 수상
우리 학교 건설 및 환경공학과 나원기(Na Sam) 박사과정 학생은 미국콘크리트학회(American Concrete Institute)에서 매년 열리는 "2012 ACI-James Instruments Student Award for Research on NDT of Concrete" 국제대회에서 최우수 논문상을 수상했다.
2001년 시작된 이 대회는 MIT, Illinois, Georgia Tech 등 미국 유명 대학에서 수상해 왔으며 미국 이외의 대학으로는 최초로 수상했다.
나원기 학생은 콘크리트 구조물에 적용이 어려운 임피던스 기법에 공명주파수영역을 심어주는 기술을 개발해, 손상감지에 대한 민감도를 최대 700% 증폭시켜 콘크리트에도 손상감지가 쉽게 이루어질 수 있도록 했다.
임피던스 기법은 다른 비파괴검사 기법들에 비해 작은 크기의 센서(15mm x 15mm x 0.5mm) 하나로써 구조물 모니터링이 가능하고, 접근성이 매우 우수해 건축·토목공학분야에서 많은 관심을 받고 있다.
ACI는 1904년에 설립되어 전 세계 21개국에서 사용하는 콘크리트 구조설계 기준을 제정하며, 세계 108개국에서 2만 명 이상의 교수와 연구원이 회원으로 있는 건축·토목공학분야 최고 국제적 권위를 인정받고 있는 학회다.
나원기 학생은 현재 건설 및 환경공학과 이행기 교수의 지도 아래 박사과정 중이며, 연구내용은 지난 14일과 15일 미국, 미네소타에서 열린 ACI Spring Convention에서 발표했다.
상장 및 부상으로 $1,500을 받았으며 ACI에서 출판하는 ‘콘크리트 인터내셔널(Concrete International)’지에 게재될 예정이다.
2013.04.25 조회수 15512 -
건설 및 환경공학과 최창근 교수, 공학분야 SCI 학술지 5종발간
우리학교 건설 및 환경공학과 최창근(崔暢根, 70) 명예교수가 5종의 공학분야 국제학술지를 창간, 과학기술논문인용색인(SCI)에 등재했다고 밝혔다.
崔 교수는 국내 토목과 건축 분야에 SCI급 학술지가 전무한 사실을 통감하고 지난 1993년 국내 최초로 이 분야 국제학술지인 ‘구조공학 및 역학誌(SEM, Structural Engineering and Mechanics)’를 창간했다. 그로부터 3년 뒤인 1996년 교수 개인이 발행하는 공학분야 순수 학술지로는 처음으로 SCI에 등재됐다.
국제학술지 ‘SEM’은 현재 전 세계 40여 개국에서 연간 350~400 편의 논문을 접수받고, 우수논문을 엄선하여 년 18회 출판하는 세계적 학술지로 도약했다. 그 후 1, 2년 간격으로 ▲풍공학과 구조誌(Wind and Structures, 1998년 창간, 2000년 SCI 등재) ▲철골구조 및 복합구조誌(Steel and Composite Structures, 2001창간, 2003년 SCI 등재) ▲컴퓨터와 콘크리트誌(Computers and Concrete, 2004창간, 2005년 SCI 등재) ▲스마트 구조 및 시스템誌(Smart Structures and Systems, 2005년 창간, 2005년 SCI 등재) 등의 국제학술지를 연이어 창간, 짧은 기간내 모두 SCI에 등재시켰다. 특히, ‘컴퓨터와 콘크리트誌’는 창간 1년, ‘스마트 구조 및 시스템誌’는 창간호부터 SCI에 등재되어 국내외적으로 학계의 주목을 받았다. 올해 창간되어 첫 호가 나온 ‘상호작용 및 다중스케일역학誌(Interaction and Multiscale Mechanics)’는 현재 SCI 등재 신청을 한 상태다.
崔 교수의 국내 발간 국제학술지 생존 비결은 논문원고의 접수부터 최종 발간된 학술지의 배포까지 전 과정을 최신 글로벌 스탠더드(Global standard)에 맞는 독자적인 시스템을 직접 구축하여 활용했기 때문이다. 현재 국내의 SCI등재 학술지는 37종으로 알려져 있으며, 이중 5종이 한 개인에 의해 SCI에 등록된 사례는 국내는 물론 국외에서도 드문 일이다. 국내의 SCI등재 학술지 대부분이 학회나 기관을 통한 국내 영문논문의 출판 및 배포 위주인 반면, 崔 교수가 발행하는 6종의 학술지는 국외기관 배포비중이 월등히 큰(약 80%) 국제적인 경쟁력을 가진 국내 발간 국제학술지라 할 수 있다.
현재 전 세계적으로 국제학술지 발행이라는 지식 산업은 엘스비어社(Elsevier), 스프링거社(Springer), 네이처社(Nature) 등 거대 국제출판사에 의해 독과점 상태다. 다른 나라의 국제학술지 신규 진입은 학회지 성격을 제외하고는 사실상 어려운 현실이다. 이런 환경에서 崔 교수가 국내에서 독자적으로 국제학술지를 발간한 것은 높이 평가할만하다.
崔 교수는 “국제학술지의 국내 발간은 우리 과학기술계의 국제적 위상을 높이고 국제적 최신 기술 정보를 접하는 창구가 된다. 경제적 측면에서도 미국, 영국, 독일, 네덜란드 등 극소수 선진국이 독점하고 있는 지식산업 분야에 한국이 진입할 수 있는 가능성을 열었다는 점에서 중요하다.”고 말했다.
<용어설명>
-과학기술논문인용색인(SCI)
과학기술논문인용색인(SCI, Scientific Citation Index)는 미국의 과학정보연구소(ISI, Institute for Scientific Information)가 전 세계 저명한 과학기술분야 학술지에 게재된 논문의 색인 및 인용정보를 수록한 세계적인 권위를 가진 데이터베이스다. ISI는 매년 전 세계에서 출판되는 과학기술분야 학술지 중 ISI의 자체 기준과 전문가의 심의를 거쳐 등재학술지를 결정한다.
SCI의 등재 여부는 해당 학술지의 권위를 평가하는 기준이 됨과 동시에 이런 학술지에 게재된 논문의 수준을 인정하는 척도가 된다. 뿐만 아니라 SCI에 등록된 학술지에 게재된 논문의 수는 바로 국가 및 대학(기관)간, 그리고 개인 학자간의 과학기술 연구 능력과 수준을 비교하는 척도가 되고 연구비 지원, 학위인정 및 학술상 심사 등에 중요한 자료로 활용되기도 한다.
2008.03.25 조회수 27875