미래지향적인 학문 분야의 새로운 지표 제시

20세기 기계공학에서의 설계기술은 주로 마크로스케일(macro scale) 레벨의 연속체 기반 설계였지만, 2000년대에 들어서며 순수 물리·화학·재료학 분야에서 주로 다뤄졌던 나노스케일(nano scale)의 문제가 기계공학 분야에서 매우 중요한 역할을 하기 시작했다. 특히, 최근 들어 나노스케일에서부터 거시스케일까지의 동시적 설계 기술은 신 성장 동력에 반드시 필요한 핵심 기술이라는 부분이 강조되고 있다. 때문에 이 같은 두 영역을 접목한 멀티스케일 해석과 설계에 대한 국제적 관심이 크게 증가하고 있는 실정이다.

멀티스케일 역학·설계의 새로운 연구 분야 개척

‘미래형 자동차’, ‘무공해 신재생에너지’ 등과 같은 신성장동력의 원천기술로 기대될 정도로 파급력이 큰 멀티스케일 기계설계기술. 제품의 경쟁력 제고를 위한 설계·제작기술의 개발이 기계공학의 목적임을 고려할 때 멀티스케일 해석과 설계에 기반한 엔지니어링은 이제 선택이 아닌 필수로 자리 잡고 있다. 이에 고체 및 구조분야인 연속체역학분야로부터 작은 스케일을 포함하는 멀티스케일 역학 분야에 대한 연구를 꾸준히 진행해오고 있는 연구자가 있어 화제가 되고 있다. 바로 서울대학교 기계항공공학부의 조맹효 교수가 그 주인공이다.

  고체 및 구조역학을 기반으로 연속체 유한요소 기법과 마이크로역학, 분자동역학 등 서로 다른 스케일을 연결하는 멀티스케일 역학 및 설계를 통해 재료부터 거시구조까지의 연결 메커니즘을 이해하고 거시적 거동을 향상시키는 연구를 펼쳐오고 있는 조맹효 교수. 조 교수는 지난 10여 년간 멀티스케일 역학과 설계에 관한 연구에 집중한 부분을 높이 평가받아 지난해 과학기술한림원 정회원 선정에 이어 올해 국내 공학기술 분야 최고 권위 단체로 널리 알려진 한국공학한림원 기계공학 분과 2016년 신입 정회원으로 선정되며 그간의 연구업적과 연구력을 인정받았다. 특히, 구조해석 분야에서부터 멀티스케일 역학에 이르는 새로운 연구 분야를 개척해 세계적 수준의 연구 성과를 도출해낸 그는 종래의 역학 분야에서 다룰 수 없었던 분자스케일 역학 및 양자역학의 해석 결과를 내재하는 멀티스케일 역학과 연속체-분자동역학-양자해석을 아우르는 ‘광반응 폴리머의 변형’ 메커니즘을 이해하고 설계하는 멀티스케일 해석 기법을 최초로 정립한 인물이다.

  조맹효 교수는 “연구실의 대학원생과 연구원들의 노력과 열정이 인정받은 결과라고 볼 수 있습니다. 연구자로서 필요한 끈기와 지적 호기심, 구성원들과의 협력과 선의의 경쟁 등을 통해 좋은 결과를 도출해내고 있는 연구진들에게 감사의 마음을 전하고 싶습니다”라고 힘주어 말했다.

현장 설계 효율화 실현할 새로운 가치창조 기대

현재 조맹효 교수는 한국연구재단의 창의연구과제인 ‘광반응 변형구조체의 설계 및 구현’ 연구를 진행하고 있다. 이번 연구는 빛에 반응해서 변형되는 구조체의 설계에 대한 연구로서 빛에 따라 자가 거동하는 재료의 물리적 특성을 멀티스케일 역학으로 해석하고 이를 기반으로 하는 통합기계설계시스템을 구축하고자 진행 중인 연구다. 이는 단순히 연구주제의 학술적 가치를 넘어 국내외 대기업과 산업체 기관을 대상으로 기술이전을 통해 새로운 가치 창조를 실현할 것으로 기대된다. 즉, 빛과 기계적 거동을 응용한 다학제간 융합 학문 분야와 미래 기계시스템 설계 및 신재생 에너지 산업의 구현을 말하는 것이다. 실제 무한한 에너지원인 빛에 반응하여 변형하는 물질인 광반응 고분자는 지능적·유연적·자연친화적이라는 우수한 잠재성에도 불구하고 물리적 원리 규명, 해석 및 설계 모델, 기계적 응용을 위한 원천기술의 부재로 그 가능성을 발현하지 못하고 있는 실정이다. 때문에 조 교수와 연구진은 광반응 물질의 자가변형 조절을 위한 원자·분자 수준에서의 해석 및 설계와 거시적 시스템의 다양한 거동을 구현하는 메커니즘을 해석하는 과정을 체계적으로 융합하는 창의적 연구를 수행하고 있는 것이다.

  조맹효 교수는 “이번 연구로 개발될 신개념 에너지 전환 기술은 기계공학뿐만 아니라 신소재 등 산업 분야에서의 친환경적, 미래지향적, 지속 가능한 기술을 통해 그 경제적 활용가치가 크게 향상될 것으로 전망합니다”라며 “함께 개발될 해석·제작 기술은 광학·기계 분야의 미래지향적인 학문 분야의 새로운 지표를 열 것이라 확신하며, 앞으로 이번 연구를 기반으로 멀티스케일 설계와 축소기법을 아우르는 해석·설계 소트프웨어를 개발하여 산업현장의 설계 효율화에 이바지하고자 합니다”라고 피력했다.

과거 조 교수는 2007년부터 2012년까지 연구재단 국가지정연구실(NRL/현 중견연구자지원사업)을 이끌며 ‘미세구조 설계를 위한 나노-컨티늄 브리징 기술 개발’ 과제를 수행해 나노소재 개발에 필요한 시간과 비용을 최소화할 수 있는 새로운 연구패러다임을 제시하고 표준화된 멀티스케일 브리징 기술을 정립했다. 이 과제는 원자 수준에서의 물리적 엄밀성에 기반한 설계안의 제시로 나노소재와 같은 미세구조물의 연구개발 비용과 시간을 획기적으로 절감하는 기술로 평가받고 있다. 뿐만 아니라 2008년부터 5년간 세계수준의 연구중심대학(WCU) 사업을 통해 9인의 서울대학교 기계전공 교수진 및 5인의 해외초빙교수진으로 구성된 ‘멀티스케일 기계설계 전공’의 신설을 이끌었다. 이를 바탕으로 서울대학교 기계항공공학부 대학원 석·박사학위 인력의 양적·질적 성장에 크게 이바지하였으며, 해외학자들과 적극적인 공동연구의 초석을 다지는 성과를 거뒀다.

  조맹효 교수는 “NRL 사업과 WCU 멀티스케일 기계설계 사업 등 지속적인 기초분야의 지원에 의해 꾸준한 연구가 가능했습니다”라며 “초기 연구 때 마이크로열시스템 ERC 센터 참여 연구원으로 분자동역학에 대해 지속적으로 연구할 수 있는 기회가 멀티스케일 해석 연구의 바탕을 만들 수 있었습니다”라고 전했다.

  이처럼 자신의 연구에 대한 끈기와 열정을 바탕으로 새로운 분야에 대한 호기심을 갖고 연구에 매진한다면 반드시 자신이 원하는 결과를 얻을 수 있을 것이라 전하는 조맹효 교수. 그는 주위 시선과 평가에 흔들리지 않고 스스로의 판단을 통해 묵묵히 올곧은 길을 가는 사람으로 가족과 제자들, 동료들에게 기억되는 것이 바람이라고 말한다. 연구자이자 학자로, 그리고 교육자로서 조맹효 교수가 펼쳐갈 미래의 행보에 귀추가 주목된다.

김남근 기자 다른기사 보기