[사이언스칼럼] 컴퓨터 시뮬레이터를 활용한 4차 산업혁명 시대의 트렌드

박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 선임연구원

박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 선임연구원

4차 산업혁명은 실제와 가상의 결합으로 사물을 자동적·지능적으로 제어하는 가상 물리 시스템 구현이 기대되는 산업상의 변화를 일컫는다. 4차 산업혁명의 핵심 개념들은 인간의 뇌 작용과 같이 컴퓨터가 스스로 추론·학습·판단해 결정하는 인공지능(AI·Artificial Intelligence)과 컴퓨터로 만들어 놓은 가상의 공간에서 사람이 실제와 같은 체험을 할 수 있도록 하는 가상현실(VR·Virtual Reality) 등이 있고, 운전자가 차량 운전을 하지 않아도 도로의 교통 상황과 신호등을 파악해 자동으로 주행하는 자율주행 자동차를 들 수 있다. 또한, 생활 속 사물들을 유무선 네트워크로 연결해 정보를 공유하는 사물인터넷(IoT·Internet of Things)과 조종사 없이 무선전파의 유도에 의해서 비행이 가능한 무인항공기인 드론을 포함한다.

이렇듯 4차 산업혁명의 핵심은 컴퓨터의 발전과 활용이다. 특히 컴퓨터 시뮬레이터는 열 흐름, 화학반응과 다상(고상·액상·기상) 유체 흐름 등 전 공학 분야에 걸쳐 안정적이고 효율적인 시스템의 연구개발을 위해 널리 활용되는 전문 기술이다. 이러한 컴퓨터 시뮬레이터 전문 기술을 전산수치해석 또는 전산유체역학(CFD·Computational Fluid Dynamics)이라고 한다. 이것은 다양한 실험 조건들에 대해 가상공간에서 실험을 수행시켜 실제 상황과 유사한 실험 결과를 예측하는 것이다. 특히, 특정 물질의 밀도·속도·압력·온도·화학반응으로부터 생성된 물질들의 농도분포를 시간의 흐름과 공간의 특성을 고려해 주변 환경 변화에 따른 결괏값들을 해석한다. 이것은 또한 사람이 직접 실험을 수행하지 않고도 결과를 빠르고 정확하게 예측할 수 있다. 관련 연구 분야 전문가들에 따르면, 제품 개발 시간 26% 이상 감축 및 생산된 제품 정확도 25% 향상을 가져왔다는 언급이 있다. 가장 큰 장점은 연구개발 기간 단축뿐만 아니라 실험 수행에 투입되는 인력 및 비용 절감으로 이어져 다양한 산업화 연구에서 매우 활발히 활용되고 있다. 산업화 연구에는 아래 그림에서 보는 바와 같이 대한민국 주요 산업 분야가 포함된다.

컴퓨터 시뮬레이터 기반 주요 산업 적용 사례

항공·우주 분야의 경우 항공기 및 우주 발사체 로켓 엔진의 공기역학, 연소특성과 터빈 엔진의 회전체역학 등 다양한 물리현상을 시뮬레이션을 통해 최적의 설계 요소를 예측하는 데 활용된다. 자동차 분야는 차체 공기역학을 고려한 최적화, 자동차 부품의 수명 연장, 열과 소음 레벨을 줄여 압력과 에너지 손실을 최소화하는 자동차 차체와 부품 설계 등에 큰 조력자 역할을 한다. 조선/해양/중공업 분야는 선박 설계에서부터 각종 선박의 단위 부품, 조선/해양/중공업 산업의 전반에 걸쳐 활용되고 있다. 전기/전자 분야의 적용은 가전제품과 반도체 산업에 이르기까지 광범위하게 이용되고 있다. 의료/의학/헬스케어 분야는 질병 예방·진단·치료 등 건강에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 의료장비 분야, 병원 검사 장비 분야, 제약 및 바이오 분야, 임상의학 등 다양한 연구의 솔루션 제공을 컴퓨터 시뮬레이터를 통해 확대되고 있다. 에너지/환경/발전 분야의 경우 수력·원자력·화력·신재생 에너지 등 다양한 분야에서 정확한 해석 결과를 제공하여 설계의 비용 및 시간 절감, 문제 발생 시 빠른 대처하는 데 기여하고 있다.

이처럼 다양한 산업 분야에서 널리 이용되고 있다. 이 기술이 상용화된다면 어렵고 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션에 대한 부담을 획기적으로 줄일 수 있고, 그 목적에 따라 누구나 쉽고 간단하게 접근 가능하다. 전 세계적으로 전산유체역학 기반 인공지능(AI for CFD)에 대한 연구 및 상용화가 활발하게 진행 중에 있으며, 현재 대한민국은 초기 연구단계다. 박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 선임연구원