[미리보는 '금요일에 과학터치'] '최적설계' 벌집구조 실생활 사례

사진=CAD 모델에서 직접 CAE 해석을 수행한 아이소-지오메트릭 기법

일상생활에서 아치형 교량이나 오토바이 엔진의 외형을 보며 왜 저렇게 설계가 되었는지 궁금한 적이 있었을 것이다. 아치형 교량이 하중을 효과적으로 잘 견디고, 공랭식 엔진은 공기와의 접촉면적을 최대한 넓혀 냉각 효과를 더 높인다는 것 정도는 이제 우리가 상식으로 알고 있는 사실이 됐다. 그러나 최초로 교량 또는 엔진의 형상을 설계하는 사람이 됐다고 가정할 때, 역학적인 지식 없이 직관적으로 설계를 한다면 수많은 시행착오가 나타나고 궁극적으로는 최상의 설계를 도출하기 어려울 것이다.

이러한 설계 문제에서 최상의 결과를 역학과 수학적 지식을 활용해 도출하는 학문이 바로 '최적설계'이며 모든 설계의 종착지라고 할 수 있다. 최적설계 분야의 연구는 공학적 설계에만 국한되지 않고 경제학, 경영학 등에서도 많이 도입돼 있다. 최근의 연구 동향을 보면 최적설계 분야는 이제 나노, 바이오 등 첨단과학 분야로 연구를 확장하고 있는 추세다.

서울대 아이소-지오메트릭 최적설계 창의연구단 조선호 교수 연구팀은 2010년부터 교육과학기술부의 창의적연구진흥사업으로 '융합스케일 아이소-지오메트릭 최적설계' 연구를 수행하고 있다. 연구단의 목표는 세계적으로도 발전이 정체되어 있는 위상 최적설계의 한계를 극복하고 형상 최적설계가 컴퓨터-원용설계(CAD'Computer-Aided Design)와 연계돼야 하는 어려움을 해결하는 것이다. CAD와 컴퓨터-원용해석(CAE'Computer-Aided Engineering) 분야를 기하학적으로 엄밀하게 통합하고, 거시 및 미시 스케일의 자연스런 결합을 통해 설계와 해석이 하나로 융합된 새로운 패러다임의 최적설계 방법론을 제시하고자 한다.

이 방법론에서는 엄밀한 형상을 유지하면서 CAD와 연계 없이 최적설계를 쉽게 구현할 수 있으며, CAE 해석에서 유한요소망(Mesh) 구성시간을 제거함으로써 제품의 경쟁력 향상에 큰 기여를 할 수 있다. 또한 높은 강도, 열전도율, 전자기적 성질을 가지는 나노 재료구조의 설계, 나노입자 형상의 구성과 이를 이용한 약물전달체의 형상 설계 등에도 많은 도움이 된다.

이번 강연에서는 생활 속에서 일어나고 있는 여러 가지 역학적인 현상을 파악하고 이를 활용한 설계를 소개한다. 이러한 설계 분야를 확장했을 때 궁극적으로는 최적의 설계를 도출할 수 있을 것이다. 여기서는 벌집구조(Honeycomb)의 특성, 요요(Yoyo)의 역학, 물의 상태 변화, 수학 및 역학을 이용한 몰핑(Morphing) 기법 활용사례 등을 소개한다. 외부 하중에 대해 가장 견고하게 견디는 구조이며 자연적으로 최적의 구조로 알려진 벌집구조를 간단한 실험을 통해 확인한다. 또 이 구조를 응용하면 다양한 기계적 성질을 갖는 복합재료 구조를 설계할 수 있는데 실생활에 설계된 사례와 간단한 구조를 통해 보여줄 예정이다.

또 장난감으로 한 번쯤 사용해본 적이 있는 요요의 운동에 대해 역학적으로 이해하고, 일체형과 클러치식 요요의 차이점과 설계원리를 설명한다. 고속 카메라로 역학적인 현상을 관찰하고 실험결과를 분석해 클러치식 요요에서 설계 개선의 효과를 확인해 본다. 이 밖에도 물속에 잠겨 있는 얼음의 상태변화에 따른 온도와 부피의 변화를 역학적으로 설명하고, 만화영화나 광고에서 자연스러운 애니메이션을 위해 사용되는 역학적, 수학적인 몰핑기법 등을 설명할 계획이다.