제너레이티브 디자인의 제품 디자인 프로세스 활용 연구

1. 1. 연구 배경 및 목적

제너레이티브 디자인(Generative Design)은 위상·최적화 및 제조 옵션 등의 솔루션에 대해 클라우드 컴퓨터와 A.I.(Artificial Intelligence)를 통해 다양한 디자인 옵션을 제안하는 것으로 디자인 개발 이후에 발생되는 설계와 해석 단계에서 소모되는 시간, 비용을 줄일 수 있으며, 기존의 파라메트릭 디자인이 제공하는 조형과 구조적인 영역 뿐 아니라 개발자들의 상상력과 독창성을 지원할 수 있는 융합프로세스의 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 현재 제너레이티브 디자인은 제품 디자인 개발이나 제품 설계 단계에서 활용 사례가 다양해지고 있음에도 불구하고 CAD 소프트웨어의 기능요소로서 특정 시점에서 단순히 결과물을 도출하기 위한 용도로 활용되는 경우가 많다. 본 연구에서는 제품 디자인 프로세스의 각 단계별로 제너레이티브 디자인을 체계적으로 활용할 수 있는 방안에 대해 연구를 진행하고자 한다.

1. 2. 연구 범위 및 방법

제품 디자인 프로세스에서 제너레이티브 디자인의 활용 방안 모색을 위해 본 연구에서는 다음과 같은 방법으로 연구를 진행하였다.

첫째, 제품 디자인 개발 프로세스를 보다 명확하게 이해하고 분석하기 위해 이론적 고찰을 실시하였다. 문헌 고찰을 통해 일반적으로 활용하고 있는 제품 디자인 개발 프로세스의 보편적 기준을 설정하고 선행 연구를 통해 제품 디자인 프로세스 내에서 파라메트릭 디자인 및 동시공학 디자인의 특성과 역할을 검토해 보았다.

둘째, 제너레이티브 디자인의 개념과 이를 활용한 제품 개발 사례를 통해 제너레이티브 디자인의 특성에 대해 알아보았다.

셋째, 제품 디자인 전문가를 중심으로 심층 인터뷰를 진행하여 제품 디자인 프로세스에서 제너레이티브 디자인의 활용 가능성과 방안에 대해 시사점을 도출하였다.

넷째, 제너레이티브 디자인의 특성과 전문가 심층 인터뷰를 통해 도출된 이슈를 종합하여 기존의 제품 디자인 프로세스와의 비교·분석을 통해 프로세스의 각 단계별로 제너레이티브 디자인을 체계적으로 활용할 수 있는 방안에 대해 정리해보았다. 이를 통해 제너레이티브 디자인이 적용된 제품 디자인 프로세스가 가지는 차별성 및 이를 체계적으로 활용할 수 있는 방안에 대해 제안하였다.

2. 1. 제품 디자인과 프로세스의 이해

일반적으로 산업디자인에서의 제품 디자인은 대량 생산 제품에 대해 인간의 가치 추구를 위해 실용성과 미적인 요소를 결합하는 심미적인 활동이다.

디자이너는 일반적으로 제품 개발 프로세스에 관여하여 제품의 물리적인 형태나 기능, 제조 가능성 등에 초점을 맞추게 되며, 디자인을 통해 만들어진 결과물은 최종적으로 사용자에게 전달된다. 산업의 발전과 함께 디자인 분야의 확장으로 디자인의 인지도는 더욱 향상되고 있으며, 융·복합 연구 및 관련 산업 활성화 정책에서 주요 부가가치의 요소로 주목받으면서 공학 분야와 연계를 통한 역할 또한 부각되어(Kim, 2018) 제품 개발의 전체적인 프로세스상에서 혁신적 개념의 가치 창출을 위한 활동으로 그 영역이 더욱 확대되고 있다.

제품 개발을 위한 디자인 프로세스는 제품 기획, 디자인, 기구 설계, 금형, 생산, 마케팅 등 제품 개발 전 과정에서 발생되는 디자인 문제를 해결하는 전반적인 과정이라고 할 수 있다(Yoon, 2015). 과거에는 디자인 개발 행위 자체에 목적을 두었다면, 현재는 프로젝트 첫 회의(Initial Meeting)부터 디자인 개발 이후 특허 출원 및 등록 관리까지 실무적 관리 관점에서 제품 개발 과정 전체에 대해 파악하고, 또 주도적으로 참여할 수 있는 프로세스로 확장되고 있다(Ryu, 2003). 제품 디자인 프로세스는 개발하고자 하는 제품이나 디자인 에이전시, 제조기업 등의 기업 특성에 따라 다르기 때문에 매뉴얼로 제작하여 사용되기보다는 기본적인 프로세스를 바탕으로 제품의 특성과 기업의 상황에 맞게 유연하게 사용되고 있으며(Kwon, 2008), 사회와의 상호 관계적 관점에서 디자인 프로세스와 패러다임도 시대의 사회상에 맞춰 진화하고 있다(Song, Yu, 2015). 이렇게 제품 디자인 프로세스는 기획-조사·분석-아이디어 구상-아이디어 전개-양산(사후)관리의 전체적인 제품 개발 범위 안에서 확대·축소되거나 개발 제품, 기업, 디자인 목적, 사회/환경 등에 따라 다양한 형태로 변형되어 왔다. 본 연구에서는 제품 디자인 프로세스의 제너레이티브 디자인 활용 방안과 특성을 기존의 제품 디자인 프로세스와의 비교·분석을 통해 연구를 진행하기로 하고 일반적인 기업의 제품 디자인 개발 프로세스를 기준 모형(Kwon, 2008)으로 선정하여, 단계별 디자이너의 역할(Oh, Lee, Chang, 2018)과 함께 [Figure 1]과 같이 재구성하였다.

Figure 1

General Product Design Process & Designer Role

2. 2. 제너레이티브 디자인의 개념과 사례

제너레이티브 디자인은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 디자인 목적을 수행하는 컴퓨테이셔널 디자인(Computational Design)의 한 영역으로 디자이너가 제품 개발의 목표 달성을 위해 필요한 조건과 한계를 소프트웨어에 입력하여 알고리즘을 통해 조건에 맞는 다양한 디자인 형상을 만들어 내는 것을 말한다.

제품 개발 단계에서 재료, 크기, 중량, 강도, 제조 방법 및 비용 등의 설계 파라미터를 제너레이티브 디자인 소프트웨어에 입력하고 소프트웨어에서는 가능한 모든 조합을 탐색하여 다양한 설계 옵션의 솔루션을 생성하고 디자이너 또는 설계자 자신의 요구를 가장 잘 충족시킬 수 있는 결과물을 필터링하여 선택할 수 있다(Ravi, 2018).

제너레이티브 디자인은 현재의 위상·최적화(Topology Optimization) 시스템보다 방대한 디자인 공간에서 알고리즘에 의해 결과를 도출한다는 점에서 차이를 보여주고 있으며, 디자이너에 의해 초기 형상(Starting Shape)을 사용하면 디자이너의 기획이나 콘셉트에 따라 좀 더 복잡하거나 특별한 디자인을 생성할 수도 있다.

기존의 디자인 및 최적화 툴과 제너레이티브 디자인의 특징에 대한 비교는 Table 1과 같다(Jung, Lee, Noh, Lee,. 2020).

Table 1

Traditional Design and Generative Design

이렇게 제너레이티브 디자인은 기존의 위상·최적화의 제한된 디자인 대안의 한계를 넘어 구조 개선 뿐만 아니라 독특한 조형 특성을 기반으로 실제 개발에도 점차 적용되고 있다. 본 연구에서 조사한 개발 사례는 제너레이티브 디자인 관련 연구기관, 기업, 소프트웨어 제공 업체의 보고서, 기사 등을 참고하여 대표적인 사례 5가지를 선별하고, 제너레이티브 디자인을 이용한 결과물과 그 특징에 대해서 Table 2로 정리하였다.

Table 2

Generative Design Case

위와 같이 활용 사례를 살펴보면 대부분의 사례에서 제품의 경량화와 동시에 안정성에 목적을 두고 제너레이티브 디자인을 활용한 것을 볼 수 있었다. 제너레이티브 디자인을 활용함으로써 제조기간 단축 및 제품의 무게 감소와 함께 제품의 연료 절감 및 이동, 사용성이 높아졌으며 사용자의 개인 체형에 맞는 최적화 구조 개선과 제너레이티브 디자인의 구조를 디자인 패턴으로도 활용할 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한 제너레이티브 디자인의 특성상 비정형구조의 독특한 형상의 결과물이 도출되는데 이를 구조 개선 뿐 만 아니라 조형의 목적으로 사용하기 위해서 디자이너가 제너레이티브 디자인의 결과물을 상품성을 가진 조형으로 다듬어 정리한 것을 볼 수 있다.

2. 3. 컴퓨터를 활용한 제품 디자인 프로세스 선행 연구

클라우드 컴퓨터와 인공지능을 기반으로 한 알고리즘을 통해 개발 목표에 부합하는 결과물을 도출하는 제너레이티브 특성을 반영한 제품 디자인 프로세스를 연구하기 위해서 컴퓨터 기술 및 3D CAD 소프트웨어를 이용한 제품 디자인 프로세스 관련 선행 연구를 조사하였으며, 이를 통해 제너레이티브 디자인을 제품 디자인 프로세스에 적용하기 위한 시사점을 도출하여 Table 3으로 정리하였다.

Table 3

Computational Design & Product Design Process Preceding Study

컴퓨터를 활용한 제품 디자인 개발은 아이디어 탐색 및 조형 개발 등 디자이너의 아이디어를 좀 더 빠르고 정확하게 구현해 줄 수 있으며, 디자인 이후의 설계, 양산의 사후 관리 및 협업 등의 부서 간 커뮤니케이션을 통한 효율적인 개발과 관리를 가능하게 해주었다는 것을 볼 수 있다. 이렇게 컴퓨터 기술의 발달은 제품 개발 과정에서 효율성을 위한 도구로서 필요성을 인지하고 개발 시스템, 방법론, 디자이너의 역할 및 역량 정의 등 다양한 관점에서 연구되어 왔다.

본 연구에서는 이러한 시사점을 바탕으로 제너레이티브 디자인 적용에 따른 활용 방안을 도출하였다.

3. 1. 전문가 심층 인터뷰 개요

제품 디자인 및 개발 프로세스와 제너레이티브 디자인을 이해하고 있는 경력 10년 이상의 전문 디자이너와 엔지니어를 대상으로 심층 인터뷰를 진행하였다.

디자이너의 경우에는 일반적인 공학 지식을 겸비하고 양산 제품 개발 경험을 갖고 있는 디자이너로 선별하였으며, 디자이너와 엔지니어 모두 제너레이티브 디자인에 대해 이해를 하고 있는 상태에서 심층 인터뷰를 진행하였다. 인터뷰 진행은 2020년 3월 12일 부터 5월 8일까지 총 10차례에 걸쳐서 개별적으로 이루어졌으며, 1:1 대면 인터뷰 또는 1:1 화상인터뷰로 진행하였다.

이전까지는 설계, 제조 프로세스 개선을 위해 단발적으로 특정 지점에서만 사용되었던 제너레이티브 디자인이 제품 디자인 분야에 적용되었을 경우, 그 가능성과 활용 방안, 그리고 적용 시 디자이너의 역할에 대해서 질문하였다. 전문가 심층 인터뷰는 대상자의 동의를 얻어 녹음을 하였으며, 인터뷰 진행 후 녹음 파일을 텍스트로 정리하였다.

심층 인터뷰 조사 개요는 아래 Table 4와 같다.

Table 4

In-depth Interview Overview

3. 2. 전문가 심층 인터뷰 결과 분석

인터뷰 결과, 제품 디자인 개발 프로세스에서 제너레이티브 디자인을 활용할 수 있는 기회와 필요성에 대한 의견을 확인 할 수 있었으며, 그에 따른 디자이너의 역할에 대해서도 알 수 있었다.

조사 완료 후 인터뷰 내용 중 본 연구에서 진행하고자 하는 ‘제품 디자인 프로세스의 제너레이티브 활용’과 연관이 많거나 중요 시사점을 보여주는 항목에 대해서 아래와 Table 5와 같이 정리하였다.

Table 5

In-depth Interview Result

기존의 디자인 단계에서 컴퓨터의 활용은 디자이너의 디자인 결과물을 프로그램으로 구현하는 것이었다면 제너레이티브 디자인은 제품 디자인 개발의 전 과정에서 디자인 목표 구현을 위해 여러 제한요소 및 디자이너의 의도를 적용 할 수 있고 이를 통해 결과물을 도출할 수 있다는 점에서 차이를 볼 수 있었다. 정리된 인터뷰 결과는 제품 디자인 개발 프로세스에서 유용하게 작용할 수 있는 내용을 친화도법으로 분류하여 제품 디자인 개발 프로세스의 기획, 아이디어 구상, 아이디어 전개, 의사 결정 및 양산의 각 단계별로 그룹핑하여 Table 6과 같이 정리하였다.

Table 6

Utilization of Generative Design in Product Design Process

4. 1. Step 1. 상품 기획

상품 기획 단계에서는 제품 개발 및 프로젝트의 목표를 설정하는 단계로 개발하고자 하는 제품의 가격, 사용 환경, 사용자, 기능, 제조방식 등에 대해 정의할 수 있다.

Figure 2

Generative Design Method based Design Project Planning

일반적인 제품 디자인 프로세스에서 개발 계획과 신제품 기획을 진행할 때 사용자나 환경, 기능, 가격 등 상황과 자원을 고려하여 개발 목표를 세웠다면, 제너레이티브 디자인은 클라이언트 또는 내부 의사결정자와 함께 현재 기업의 상황과 가용 가능한 자원 내에서 이전에 고려되었던 요소들을 제너레이티브 디자인의 변수와 옵션으로 새롭게 정의하여 개발 목표를 설정하고 이후 정의된 변수와 옵션을 기반으로 목표와 조건에 부합하는 디자인을 진행함으로써 개발단계에서 발생할 수 있는 오류를 최소화할 수 있다.

4. 2. Step 2.아이디어 구상

아이디어 구상 단계에서는 제품의 기능이나 형상을 이루게 되는 요소를 도출할 수 있도록 조사와 분석이 이루어지게 된다.

Figure 3

Generative Design Method based Idea Plan

조사 및 분석을 통해 디자인 방향과 콘셉트를 설정하게 되는 아이디어 구상 단계에서는 데스크 리서치 및 필드리서치, 브레인스토밍 등의 다양한 방법론을 통해 아이디어를 구상하고 콘셉트를 설정하던 기존의 프로세스와 함께 제너레이티브 디자인을 이용한 제너레이티브 폼(Generative Form)을 사전에 디자이너가 미리 예측하며 설계 영역과 비설계 영역, 디자인 영역을 함께 구분하는 작업을 진행할 수 있다.

여기서 디자이너는 기획 단계에서 정해진 변수 및 옵션이나 디자이너가 구상중인 콘셉트 방향에 맞춰 임의의 변수와 옵션을 입력하여 디자인 조형, 구조를 선행적으로 탐색하여 대략적인 디자인을 예측할 수 있게 된다. 탐색된 제너레이티브 디자인 결과물은 디자인 리서치와 아이디에이션을 통해 도출된 콘셉트와 함께 제품 디자인의 콘셉트로 구체화되며, 다음 단계에서 아이디어를 전개할 때 레퍼런스로 활용될 수 있다.

4. 3. Step 3. 아이디어 전개

앞에서 도출한 디자인 콘셉트와 제너레이티브 디자인 설계·비설계·디자인 영역, 선행 디자인 결과물을 바탕으로 디자이너는 2D 및 3D 작업을 진행하게 되며, 구조적 솔루션이 필요한 경우에는 아이디어 전개를 통해 도출된 시안을 기획단계에서 정해진 개발목표에 부합하는 변수와 옵션을 입력하여 제너레이티브 디자인에 적용한다.

Figure 4

Generative Design Method based Development Ideas

이러한 과정을 거쳐 도출되는 결과물은 디자인 품평을 거쳐 시안을 거치게 되고 상품성을 가진 제품으로 형상과 구조를 다듬는 작업을 진행하게 된다.

디자이너가 제품에 적용되는 소재, 제조공법, 하중 등의 변수와 옵션을 무시한 채 외형만 고려하여 결과물을 만들어내던 기존의 디자인 프로세스에서는 설계나 양산 단계에서 문제점과 오류의 원인이 되어 기획의도와는 다른 디자인으로 변형되거나 여러 번의 수정과정을 거치게 된다. 그러나 아이디어 전개 과정에서 진행되는 제너레이티브 디자인은 사전에 미리 정의한 기업의 가용 자원에 부합하는 결과물을 도출하기 때문에 설계나 양산 단계에서 발생할 수 있는 문제점을 줄이고 디자이너가 의도한 디자인을 최대한 유지할 수 있게 된다.

4. 4. Step 4. 의사결정 및 양산

의사 결정 단계에서는 최종 품평 회의를 거쳐 디자인 결과물이 개발 목표에 부합하는지 여부와 함께 최종 시안의 평가를 진행한다. 만약, 개발 목표에 부합하지 않거나 추가·변경사항 발생 시 변경된 디자인 요소와 변수, 옵션을 적용하여 결과물에 대한 검증과 수정을 진행하게 된다.

Figure 5

Generative Design Method based Production Review

양산 단계에서도 설계의 변경이나 양산 상황 등에 따른 또 다른 변수가 발생되는 경우에 디자이너는 변경된 변수에 대한 데이터를 실시간으로 적용함으로써 디자인에 대한 수정을 진행한다.

기존의 제품 디자인 프로세스에서는 설계의 변경이나 양산 상황의 변경에 따라 디자인 개발 초기 단계에서부터 다시 해야 하는 경우가 발생하지만 제너레이티브 디자인 결과물을 이용한 디자인은 적용된 변수와 옵션을 수정함으로써 변경된 상황에 맞는 결과물을 빠른 시간 안에 도출하여 디자인 수정 작업에 반영할 수 있다.

제품의 상품화 및 출시 이후에 발생되는 요소들은 다음 제품 개발 시 고려해야 할 사항으로 관리되어 후속제품 개발 시 제너레이티브 디자인을 활용하여 더욱 완성도 높은 제품 개발을 위한 피드백으로 활용될 수 있도록 한다.