가상공학 도입 수익성 향상 지름길

■ 금속소재 가상공학 플랫폼 기술 해외 동향

가. 미국

1999년 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)의 AIM(Accelerated Insertion of Materials) Initiative에 의한 국방용 소재에 대한 소재·공정 모델링 및 해석기술 개발, 1996년부터 2년간의 NRC(National Research Council)의 ICME(Integrated Computational Materials Engineering) 위원회 활동 및 보고서 발간(2008), 2010년 에너지성의 Computational Materials Science and Chemistry 워크샵, 2011년 백악관의 Materials Genome Initiative 발표까지 10여 년간 전산재료과학(공학)에 대한 체계적인 연구 개발 전략을 수립해 오면서 다양한 연구 사업을 수행하였다.

2006년 ICME 위원회가 설치되어, 기 수행된 AIM initiative의 연구사례, ICME 환경 분석, ICME 도입 시 기술적·문화적 장벽에 대한 다각적인 분석결과를 2008년 보고서로 발간하였다. 이는 전 세계적으로 ‘전산재료공학’의 연구개발을 촉발시키는 효시가 되었으며, 그 약칭인 ‘ICME는 전산재료공학을 의미하는 고유명사로 통용되고 있다.

미국 백악관은 2011년 전산재료과학 기반 소재개발 인프라 구축을 주요 내용으로 하는 Materials Genome Initiative(MGI)를 발표하고 전산재료공학, 새로운 실험기법과 디지털 정보기술 등 3가지 연구 분야를 설정하여 개발하고 있다.

최근에 추진되었던 ICME의 대표적인 예로는 <그림 3-4-3-7>의 Virtual Aluminum Casting을 들 수 있다. 이 사업은 포드사를 주관으로 이루어진 사업으로 알루미늄 주조 공정에 가상공학을 도입하여 재료의 설계 단계에서부터 이용하여 설계하고 부품을 제조한 대표적인 예이다. 이러한 가상공학의 도입은 공정 및 부품 개발 시간을 15∼25% 절약할 수 있게 하였고, 개발 단계에서의 실패를 줄이고 최적화된 부품 성능을 보장할 수 있었다. 결론적으로 가상공학 도입으로 인한 초기 투자비용의 3∼9배의 경제적 효과가 있는 것으로 분석하고 있다.

나. 일본

e-Japan 프로그램 지원으로 수행된 ITBL(Information Technology Based Laboratory) 프로젝트는 물질재료연구기구(NIMS)에 전산재료과학기술을 이용하여 가상실험 플랫폼을 구축하였고, 산업기술총합연구소(AIST)와 물질재료연구기구(NIMS)가 공동으로 출자하여 벤처기업(소재설계기술연구소)을 설립하였다. 일본 신에너지·산업기술총합개발기구(NEDO)에서 지원하는 ‘선단적 제어단조 기술개발’ 과제에서 공통기반기술 모듈개발과 모듈 간 통합에 의한 가상 실험실 시스템을 구축 중에 있다.

일본의 경우 전산재료과학 연구는 대학에서, 전산재료공학 연구는 산업체에서 역할분담 수행 체제를 갖추고 있으며, 기초영역인 전산재료과학의 수준은 매우 높으나 ICME와 같은 가상공학의 수준은 다소 떨어지는 것으로 판단된다. 전산재료공학연구가 포함된 철강재료 개발 대형 연구 사업으로 2007년부터 시작된 ‘철강 재료의 혁신적 고강도·고강도화 기반연구개발 프로젝트’가 있으며 80년대 말에서 90년대 초 철강협회가 주관한 ‘Modeling on Microstructural Evolution and Properties on Steels’ 프로젝트가 수행되었으며, 2006년부터 ‘계산공학에 의한 조직과 특성예측 기술’ 프로젝트가 수행되었다. 최근 문부과학성 및 경제 산업성 주관으로 ‘원소전략’과 ‘전산재료공학’을 접목한 다수의 국가 연구 프로젝트를 추진하였으나 주로 기능재료 분야에 집중적으로 지원되고 있으며 구조용 재료에 대한 지원이나 기술 수준은 유럽이나 미국에 비하여 다소 부족한 면을 보여주고 있다.

공정·부품개발 시간 15∼25% 절약

초기 투자비용 3∼9배 경제적 효과

최근 일본 정부에서는 이러한 부분을 보완하기 위해 정부 주도의 대형 사업을 새로이 기획하여 수행하고 있다. 금속 재료 분야에서는 다부처간 협력사업인 SIP (cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program)로 2014년부터 연간 350∼400억원 규모로 진행 중인 “Development of Materials Integration System”이 대표적인 사업이다.

이 사업은 일본 내의 8개 대학, 2개 연구기관, 4개의 산업체가 참여하는 대형 프로젝트로 멀티스케일 가상공학과 빅데이터를 기반으로 구조재료의 미세조직과 기계적 특성을 예측하는 플랫폼을 구축하는 사업이다. 이사업에서는 멀티스케일 계산과학 및 가상공학, 3차원 미세조직 측정, 재료정보학, 빅데이터 및 데이터베이스, 인공지능 등의 다양한 가상공학 기술을 총 망라하여 개발하는 사업으로 선진국과의 기술 격차를 대폭 줄일 수 있을 것으로 생각되어진다.

다. 유럽

유럽은 1990년대부터 꾸준히 이 분야의 연구를 수행해 왔으며 최근에는 이러한 연구 결과를 바탕으로 가상공학을 기반으로 하는 신제품 개발에 몰두 하고 있다.

대표적인 예로 <그림 3-4-3-11>에 도시된 EU의 제5차 RTD Framework Program의 서브프로그램인 FP5-Growth에서는 알루미늄 합금의 주조, 압연, 성형 등 각 단위공정에 관련한 소재·공정 모델링 및 미세조직 기반 전산해석 기술개발을 목적으로 한 VIR[*] Project가 다년간 수행되었다.

최근에는 철강 재료와 관련하여 DFG의 지원 하에 RWTH Aachen이 주관하고 막스플랑크 철강연구소(MPIE)가 공동으로 참여한 협동연구센터사업 ‘Steel-ab initio (SFB 761)가 1단계(2007-2011), 2단계(2011-2015) 사업을 거쳐 3단계(2015-2019) 사업을 수행 중이다. 이를 통해 우수한 특성의 조합을 갖는 새로운 개념의 구조재료를 설계하고 소재·공정기술개발에 소요되는 시간과 실험 비용을 축소하는데 기여하고 있다. 2012년 ICAMS가 위치한 보훔대학에 협동연구센터 ‘Superalloy Single Crystals - From Atoms to Turbine Blades (SFB/Transregio 103)이 설치되어 항공기 및 발전용 터빈블레이드용 신 합금을 개발하는 연구 사업이 수행 중에 있으며, 공정기술개발과 소재모델링 및 전산모사 기술개발이 특성평가 기술개발과 유기적인 체계를 이루고 있는 것이 특징이다.

최근에는 이러한 연구를 바탕으로 판재의 물성을 예측하고 있는데 대표적인 연구기관이 독일의 막스플랑크 철연구소이다. 막스플랑크 철강연구소는 철강 재료를 위시한 구조재료 분야의 전산해석 연구 및 특성평가 분야에서 세계 최고수준에 위치하고 있다. 특히 결정소성(crystal plasticity) 기반 변형해석기술, Micro-Mesoscale 전산모사기술이 대표적인 연구 성과로, 단결정에서 다결정까지 실험적 검증을 거쳤으며 이를 매크로 FEM 해석기법과 결합하여 실 공정 성형해석에 적용할 수 있는 프로그램을 자동차업체(Audi, VW, Mercedes)와 공동으로 개발하였다.

더 나아가 최근에는 ICMEg(Integrated Computational Materials Engineering expert group)를 형성하여 유럽 내에서 가상공학 및 계산과학 분야의 연구자 들을 규합하여 네트워크를 구성하고 더불어 다양한 상용 및 연구용 해석 프로그램들을 하나의 플랫폼 안에서 사용 할 수 있는 표준을 만들고 이를 확산시키는 작업을 수행하고 있다.

■ 국내외 선도 기관

가상공학 플랫폼에 관한 연구는 앞서 기술된 바와 같이 유럽과 미국을 중심으로 이루어지고 있으며 최근 일본, 한국 및 중국에서 연구가 진행되고 있다. 가상공학 플랫폼 연구 분야의 국내외 선도 연구기관은 <표 3-4-3-3,4>과 같다.

▲ <그림 3-4-3-8>미국의 전산재료과학(공학) 연구개발 추진 이력

▲ <그림 3-4-3-9>미국의 전산재료공학 연구개발 예시 : 포드사의 virtual Aluminum casting

▲ <그림 3-4-3-10>일본의 Materials Integration system 사업개요

▲ <그림 3-4-3-11>VIR STAR 프로젝트 모식도

▲ <그림 3-4-3-12>Steel-ab initio(SFB761) 프로젝트 다단위 해석기법 모식도

▲ <그림 3-4-3-13>MPIE에서 개발된 물성예측 가상실험-공정설계 연계 플랫폼

▲ <그림 3-4-3-14>ICMEg 프로그램

▲ <표 3-4-3-3>가상공학 플랫폼 기술 - 국내 선도연구기관

▲ <표 3-4-3-4>가상공학 플랫폼 기술 - 해외 선도연구기관