멀티피직스시스템 설계연구실
(Integrated Design & Analysis Laboratory for Multi-physics Systems)
전통적인 방법에 있어 공학적 설계는 주로 단일 물리계에 대한 이해를 바탕으로 수행되어왔다. 단일 물리계인 부품과 요소의 설계를 통해 전체 시스템의 성능을 점차 발전시키는 방법이다. 그러나 시스템의 획기적인 성능 증대를 위해서는 작은 부분으로부터 전체로의 설계가 아닌 시스템 자체의 관점에서 접근해야 한다. 그래야 보다 정확한 해석이 가능하고 효율적이고 고성능의 설계를 이루어 낼 수 있기 때문이다. 이를 위해서는 시스템에서 작용하는 여러 가지 물리 현상들을 복합적으로 이해하고 통합적으로 설계해 내는 것이 필수적이다. 이러한 연구는 어떻게 수행될 수 있을까?
공과대학 기계항공공학부의 김윤영 교수가 이끄는 멀티피직스시스템 설계연구실(Integrated Design & Analysis Laboratory for Multi-physics Systems)에서 그 해답을 찾을 수 있다. 연구실에서는 탄성/진동/음향/구조/열/전자기 현상들이 서로 복합적으로 연성된 다물리계를 시스템 관점에서 효율적으로 해석하고 설계할 수 있는 창의적이고 통합적인 방법론들을 개발하고 있다. 이를 바탕으로 설계된 시스템은 실제 제작/실험을 통해 성능과 유효성을 입증하게 된다. 또한 실험을 통한 지식과 경험은 해석과 설계 방법론의 개발로 이어지기도 한다. 이렇게 방법론의 개발과 실제 시스템의 구현은 서로 시너지 효과를 나타내며 이는 멀티피직스시스템 설계연구실이 자랑하는 연구환경이다. 현재 멀티피직스시스템 설계연구실에서 진행하고 있는 연구분야들을 크게 네 가지 분야로 나누어 소개해 본다.
전산기반최적설계 (CA(Computer aided) Optimization) 분야
CA Optimization 분야에서는 시스템의 구조 강도, 기구운동, 열전달, 진동 및 음향 등의 다양한 측면의 물리적 거동을 분석하고, 이를 효과적으로 설계해내는 자동최적설계 기법을 개발하고 있다. 물리적 거동의 효과적인 해석을 위해서는 유한요소법, 다물체 동역학, 고차 보 이론 등 다양한 전산기반 해석방법을 연구하고 있다. 자동최적설계 기법은 설계자의 숙련과 직관에 크게 의존하고 수많은 시행착오를 요구하던 전통적인 설계방식에서 벗어나 자동으로 목적하는 성능에 최적으로 부합하는 설계를 도출해낸다. 특히, 설계 영역 내부에 존재하는 재료의 분포를 결정함으로써 설계 대상의 위상(Topology)를 설계하는 위상최적화가 자동최적설계 기법 개발에 이용되고 있다.
그림 1. 자동최적설계기법을 통한 차량 하부프레임 설계
센서 및 엑츄에이터 (Sensor & Actuator) 개발 분야
압전현상(Piezoelectricity), 자기변형현상(Magnetostriction), 전자기음향결합현상(Electromagnetic acoustic coupling)을 활용하여 탄성파 및 진동을 전기적 신호와 서로 변환해주는 트랜스듀서를 연구하고 있다. 특히, 평판이나 배관 등의 진단을 목적으로 개발된 자기변형 패치 트랜스듀서(MPT: Magnetostrictive Patch Transducer)는 패치에 인가된 자기장의 방향에 따라 여러 종류의 유도초음파(Guided wave)를 효과적으로 발생 및 측정할 수 있다. 이러한 트랜스듀서는 검사대상을 파괴하지 않고 물리적 특성이나 결함여부를 파악하는 비파괴검사(Non-destructive testing)나 일상에 존재하다 소모되는 다양한 형태의 에너지를 사용하기 쉬운 형태로 변환, 재생산하는 에너지 수확(Energy harvesting) 장치 등에 응용될 수 있다.
그림 2. 평판 구조물(좌)과 배관(우)에 사용하는 자기변형 패치 트랜스듀서
(MPT: Magnetostrictive Patch Transducer)
포노닉 크리스털 (Phononic Crystals Engineering) 분야
일상생활에서 쉽게 접하는 대화나 소리, 자동차 진동 등의 기계적 파동(Mechanical waves)에 대한 오늘날의 기술적인 요구는 계속 높아지는 데 반하여 자연계에 존재하는 물질들로 이를 충족시키기는 극히 어려워지고 있다. 만일, 자연계에 존재하는 물질뿐만 아니라 존재하지 않는 물질도 마음대로 만들어 쓸 수 있다면, 지금의 파동기술에 얼마나 큰 혁신을 가져올 수 있을까? 멀티피직스시스템 설계연구실은 기존의 파동 기술의 한계를 뛰어넘기 위하여 자연계에 존재하지 않는 물질을 인위적으로 구현하여 원하는 파동 현상을 자유자재로 구현할 수 있게끔 하는 파동 테일러링(Wave tailoring) 기술을 개발하고 있다. 자연계에 존재하지 않는 물질을 구현하는 것은 일반적인 방식으로는 불가능하지만, 인위적으로 설계된 매우 작은 미소 구조를 공학적으로 배열한다면 자연계에 존재하지 않는 현상(파동 특이현상, Meta-phenomena of waves, 밴드갭, 음(negative)의 굴절률, 회절한계를 극복한 해상도 등)을 구현하는 것이 가능해진다.
그림 3. 압전소자를 이용하여 미소구조의 변경 없이도 능동적으로 파동 특이 현상을 제어
공학-예술의 새로운 융합 도전 (Variational art)
21세기의 중요한 화두 중 하나인 ‘융합’을 공학과 예술에 적용하려는 시도이다. 멀티피직스시스템설계 연구실은 공학이 주체적으로 작가적 역할을 하고 효율적이면서도 창의적인 새로운 예술/디자인 패러다임을 제안하였다. Variational art라는 명칭으로, 위상최적화라는 방법론에 입각하여 컴퓨터가 여러 가지 이미지를 스스로 창조하여 디자인 작업에 있어서 공학기술의 주도적 접근을 통해 단시간 내에 다양하고 창의적인 디자인을 체계적으로 생성, 실현해 낸다. 최적의 위상을 찾아가는 반복적인 계산과정에서 위상 또한 계속 변화하는데, 이때 나타나는 위상 이미지들 자체에 물리적인 의미가 아닌 회화적인 의미를 부여하는 것이 Variational art 연구의 첫 걸음이다. (Variational art라는 명칭은 최적화를 다루는 수학적 원리인 변분원리(Variational principle)에서 온 단어이다.)
그림 4. 열전달 현상을 바탕으로 구현한 Variational art