IBM이 ‘IBM 글로벌 AI 도입 지수 2023(IBM Global AI Adoption Index 2023)’ 보고서를 통해 “40%의 기업이 여전히 AI를 배포하지 못한 채 검토하는 단계에 머무르고 있으며, AI를 비즈니스에 실질적으로 도입하는데 있어 여전히 해결해야 할 과제가 남아 있다”고 전했다. 이 설문조사는 IBM이 모닝컨설트(Morning Consult)와 함께 2023년 11월 한국을 포함한 전세계 20개국 2342명의 IT 전문가를 대상으로 실시했다. 직원이 1000명 이상인 기업 50%, 5000명 이상인 기업 50%로 구성된 엔터프라이즈 기업 기준으로, 모두 관리자 이상의 직급이며 회사의 IT 관련 의사 결정에 참여하거나 가시성을 보유하고 있는 사람을 대상으로 했다. 2023년 초 AI가 IT 업계의 큰 화두로 떠오르며 많은 변화가 있다는 세간의 인식과는 달리, AI 도입 비율은 지난 수년간 비슷한 수준을 유지했다. 2023년 기준으로 약 42%의 기업이 이미 비즈니스에 AI를 적극적으로 활용하고 있다고 답했으며, 40%는 적극 검토하고 있다고 응답했다. 활용 및 검토 중인 기업의 비율은 2019~2022년 동안 평균 81%를 기록하며, 2023년의 82%와 크게 다르지 않았다. 다만 2~3년 전과 비교했을 때 업계에서 가장 큰 변화는 무엇이라고 생각하는지에 대한 질문에 응답자들은 ‘AI 솔루션의 접근성과 배포가 용이해졌다(43%)’, ‘데이터, AI, 자동화 스킬이 더욱 보편화되고 AI를 구축, 배포, 관리할 수 있는 능력이 향상되었다(42%)’, ‘AI 솔루션이 비즈니스 요구 사항에 더욱 잘 부합할 수 있도록 설계되었다(41%)’는 점을 주로 꼽으며 AI 솔루션의 기술 발전 측면에서 실질적인 변화를 느끼고 있는 것으로 확인되었다.     국내 기업의 경우 40%의 응답자가 AI를 적극적으로 활용하고 있다고 답했으며, 48%는 검토 중, 6%는 현재 AI를 활용하거나 검토 중이지 않다고 응답했고 나머지는 확실하지 않다고 답했다. 활용 및 검토 중인 기업의 비율 기준으로 조사 대상국 중 상위권에 속하며 AI 기술 발전에 빠르게 대응하고 있는 것으로 보인다. 현장에서 변화는 존재하지만 실제 기업에서 활용까지 바로 반영되기 어려운 이유로는 AI 스킬 및 전문성 부족(33%), 데이터의 복잡성(25%), 윤리적 문제(23%) 등을 꼽아, 기업이 AI 기술을 비즈니스에 도입하는 데 있어 장애물이 남아 있는 것으로 분석됐다. 한국의 경우 ‘AI 스킬 및 전문성 부족(43%)’, ‘AI 모델 개발을 위한 도구/플랫폼 부족(34%)’, ‘AI 프로젝트가 너무 복잡하거나 통합 및 확장하기 어려움(31%)’이 상위 3가지 요소로 특히 인력 관련 고민이 많은 것으로 예상된다. 반면 AI에 대한 투자는 계속해서 진행되고 있다. AI를 배포하거나 도입을 검토 중인 기업의 IT 전문가 중 59%는 지난 24개월 동안 회사가 AI에 대한 투자 또는 도입을 가속화했다고 응답했다. 가장 많이 투자하고 있는 AI 관련 분야는 연구개발(44%)과 재교육/인력 개발(39%)로 나타났다. 한국IBM의 이은주 사장은 “AI에 대한 지속적인 투자가 일어난다는 것은 기업들이 AI에 대한 강한 확신을 가지고 있다는 것에 대한 반증”이라며, "기업들은 IT 자동화, 디지털 노동, 고객 관리와 같이 AI 기술이 가장 빠르게 큰 영향을 미칠 수 있다고 생각되는 사용 사례에 AI를 활용하고 있다. 조사에 참여한 기업의 40%가 샌드박스에 머물러 있는 상황에서 2024년은 기술 격차나 데이터 복잡성 같은 진입 장벽을 해결하고 극복하는 한 해가 될 것”이라고 말했다.

제품 개발의 새로운 방법론, MBSE (5)   MBSE는 항공우주 및 방위(A&D) 산업의 제품개발 과정과 엔지니어링 부분에서 디지털화 또는 디지털 전환에 대한 답을 제시하는 방법론이다. 이번 호에서는 A&D 산업 관점에서 MBSE의 필요성, MBSE 개요, 다쏘시스템의 MBSE 지원 프레임워크, 고객 사례 및 MBSE 도입 효과 등을 소개하면서 A&D 산업의 MBSE에 대한 전반적인 이해를 돕고자 한다.   ■ 목종수 다쏘시스템코리아의 컨설팅 대표이다. LG전자 생산기술원 연구원으로 재직하였으며, 이후 컨설팅사와 주요 IT 솔루션사에서 제품 개발 혁신, R&D 진단, 사전 영업 지원 및 PLM 관련 컨설팅 등을 수행하였다. 현재는 다양한 산업에서 제조업의 혁신과 경쟁력 향상을 위하여 디지털 혁신과 VPD/MBSE 관련 업무 및 연구 활동도 수행하고 있다. 홈페이지 | www.3ds.com/ko   ■ 김태현 다쏘시스템코리아의 인더스트리 프로세스 컨설턴트로 MBSE 도입 및 지속가능성 확산에 기여하고 있다. 자동차/모빌리티, A&D 산업 분야의 MBSE 적용과 관련한 다양한 프로젝트 경험을 보유하고 있다. 홈페이지 | www.3ds.com/ko   2020년 코로나19 팬데믹 이후 항공 운송 수요 증가와 경제적 회복 노력으로 항공기의 생산과 구매가 다시 증가하고 있다. 세계경제포럼의 보고서(2022)에 따르면 2015년에 14억 달러였던 우주 관련 기업에 대한 투자액이 2020년에는 52억 달러로 증가하였으며, 2030년이면 시장 규모가 100억 달러에 이를 것으로 예상하고 있다. 2020년대에는 약 7만 개의 위성이 우주로 발사될 것으로 추정되는데, 이는 스푸트니크 1호 이후 64년 동안 발사된 위성 수인 1만 1000 개를 훨씬 능가하는 수치이다.  전 세계 총 국방비 지출은 2022년까지 2조 달러를 넘어설 것으로 예상되며(우크라이나-러시아 전쟁 전 예측치), 2030년에는 전세계 국방비가 3조 달러에 달할 것으로 추정된다.(SIPRI, 2021) 여러 국가의 군대에서 방위력 강화를 위한 새로운 디지털화 계획에 돌입하고 있으며, 가장 최근에 발표된 계획은 2022년 3월에 독일이 발표한 1000억 달러 규모의 새로운 방위 계획이다.(세계경제포럼 보고서, 2022) 러시아의 우크라이나 침공, 중국의 대만 침공 위협 등으로 인해 전 세계적으로 안보 환경이 급변하면서 국내 방산 제품의 경쟁력 부각되어, 수출에 따른 방산업체 전반의 외형 성장과 함께 수익성도 개선되고 있는 상황이다.(2022년 국내외 방위산업 동향, 창원산업진흥원, 2022. 6) 하지만 A&D 산업의 제품 개발 라이프사이클 관점에서 해결해야 할 도전과제가 많이 있다. 제품의 복잡성 증가, 비용 절감 부담의 증가, 엄격한 규제 및 규정 준수, 공급망 및 데이터 관리, 제품 출시 기간 준수 등이다. 해외 선진 기업 및 국내 기업은 이러한 문제를 해결하기 위해 제품 개발 과정과 엔지니어링 부분에서 디지털화 또는 디지털 전환을 추진하고 있으며, 이 주제는 A&D 산업의 모든 기업에게 우선순위가 되었다.   MBSE의 필요성 다분야 통합 시스템의 부상 지금처럼 초연결된 세상에서는 사실상 모든 기업이 기계, 전기, 전자, 소프트웨어 시스템을 단일 제품으로 결합하는 메카트로닉스 회사가 되고 있다. 현재 출시되어 있는 대다수 항공기와 우주선이 가진 특유의 복잡한 특성으로 인해 A&D 산업은 MBSE 개념을 조기에 채택하는 것으로 나타났으며, 첨단 시스템의 물리적 규모 때문에 복잡한 시스템의 통합은 기존의 문서 기반 시스템 엔지니어링에 너무 복잡하다는 것이 증명되었다.   디지털 엔지니어링 A&D 업계에는 이해관계자가 디지털 혁신 이니셔티브에 맞추도록 영향을 미치는 공통의 목적과 목표가 있다. 디지털 엔지니어링은 MBSE, 디지털 모델, 디지털 트윈, 디지털 스레드의 개념을 활용하여 기존 무기 체계 개발과 획득에 관련된 문제를 해결하려는 혁신 어젠다이며, 무기체계 개발 및 획득의 패러다임을 Design → Build → Test에서 Model → Analyze → Build로 전환하는 것을 제시하였다. 즉 무기체계 획득 단계에서 단계별 디지털 모델과 최신 IT 기술을 활용하여 무기체계 개발과 획득의 혁신을 이루는 것으로, 가상의 환경에 모델을 통해 프로토타입을 만들고 시험함으로써 무기체계 개발 및 획득과 관련된 의사결정을 효과적으로 수행하는 것을 포함하고 있다. 이러한 혁신 어젠다는 오래된 국방부(DoD) OEM에서부터 신생 기업에 이르기까지 비즈니스의 모든 수준에 걸쳐 일어난다. <그림 1>은 디지털 엔지니어링의 구성 요소를 설명한 그림이다.(국방획득 방법론의 변화, 체계 공학에서 디지털 공학으로, KNST, 2019. 3)   그림 1. 디지털 엔지니어링의 구성 요소   국내 방산업체의 성장 전 세계적으로 안보 환경이 급변하면서 국내 방산 제품의 경쟁력이 부각되고, 국내 주요 방산기업은 수출로 인해 외형 성장과 수익성 개선을 이루고 있다. 향후에도 이런 기조는 지속적으로 유지 또는 확장될 것으로 예상하고 있다. 특히 미국 국방부 또는 해외 주요 방산기업에 수출을 하기 위해서는 국내 방산기업의 MBSE 기반의 무기체계 개발 역량이 필요하다.     ■ 기사 상세 내용은 PDF로 제공됩니다. 한시적으로 무료로 제공됩니다.

지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어(이하 지멘스 DISW)가 지난 4월 13일 ‘솔리드 엣지 유니버시티 2023’을 진행했다. 이 자리에서는 지멘스 DISW의 3D 제품 개발 솔루션인 솔리드 엣지의 최신 업데이트와 함께 데이터 공유와 협업을 위한 솔루션 연계 활용 방법, 솔리드 엣지의 활용 팁과 고객사 사례 등이 소개됐다. ■ 정수진 편집장     지멘스 DISW의 오병준 한국지사장은 “지멘스 DISW는 설계, 시뮬레이션, 생산 등 제조산업의 핵심 그룹을 연결하고, 이들이 소통·협업하면서 생산성을 높일 수 있도록 돕는 소프트웨어 및 엔드 투 엔드 디지털 전환 솔루션을 제공하고 있다”고 전했다. 오병준 한국지사장은  특히 설계자의 역할을 강조했다. “디지털 전환을 어디서부터 시작할 것인가를 생각할 때 프로세스 통합을 고려하면 PLM에 집중하게 되지만, 국내 제조산업의 디지털 전환에서 가장 중요한 그룹은 설계자”라는 것이다. 그는 “설계자가 생산성을 높이고 협업을 주도할 수 있도록 ‘설계자에 의한 디지털 전환 이니셔티브’, 그리고 전체 엔지니어링 프로세스에서 데이터를 기반으로 협업하고 연결을 통해 현장에서 디지털 전환을 구현하는 디지럴 스레드에 집중하고자 한다”면서, “제조산업의 디지털 전환은 아직 미완성이지만, 완성함으로써 얻을 수 있는 가치가 많다고 본다”고 전했다.   ▲ 지멘스 DISW 오병준 한국지사장은 디지털 전환에서 설계자의 역할을 강조했다.   도면 없는 제품 개발 지향하는 솔리드 엣지 2023 지멘스 DISW의 안지훈 프로는 “솔리드 엣지는 지멘스 DX 전략과 사용자의 요구에 맞춰 발전하고 있다”면서, 솔리드 엣지 2023의 변경점을 소개했다. 핵심은 PMI(Product Manufacturing Information)를 통한 무도면화 추구 및 엑셀러레이터 클라우드와 연계한 SaaS(서비스형 소프트웨어) 구현 등이다.   기구 설계 솔리드 엣지 2023은 적은 조작으로 더 많은 작업을 할 수 있도록 UI(사용자 인터페이스), UX(사용자 경험), 모델링 인터페이스가 전반적으로 개선됐다. 또한, 지멘스 DISW의 전체 포트폴리오와의 연계 강화와 함께 지멘스 전체 소프트웨어의 UI 및 UX를 통일시키는 작업도 진행 중이라고 한다. 솔리드 엣지는 동기식 설계와 순차식 설계 방식을 모두 제공해 왔는데 솔리드 2023 버전에서는 둘의 장점을 결합해, 순차식 환경에서도 동기식처럼 직관적인 형상 수정이 가능해졌다. 스케치 영역을 인식하고 활성화하는 과정에서 동기식 기능의 요소를 활용해 작업할 수도 있다. 또한, NX의 스타일 매핑 기능이 솔리드 엣지에 도입되고 피처의 일괄 커팅 및 자동 분해, 형상 자동 인식 기반의 작업 효율화 등이 이뤄졌다. 솔리드 엣지 2023에서는 설계 데이터의 활용성이 더욱 확장됐다. 프로세스 시뮬레이터와 연계해 키네틱 움직임을 정의하고, 별도의 추가 작업 없이 이를 제조 엔지니어링 데이터로 연계할 수 있게 됐다. 그리고 솔리드 엣지와 NX 사이에서 데이터를 교환 활용할 때에 별도의 변환이 필요 없다. 외부 CAD 데이터의 직접 지원도 확대되어, 솔리드 엣지 2023에서는 솔리드웍스, JT, STEP 포맷에 대한 지원이 추가됐다. 이런 외부 CAD 데이터는 원본과 연관성을 유지하면서 가상 모델로 솔리드 엣지 환경에 불러와 사용할 수 있다.   MBD MBD(모델 기반 정의) 측면에서는 설계 - 제조간 설계 정보 공유가 강화됐다. 솔리드 엣지는 2019 버전부터 3D PMI를 이용할 수 있는 기능을 제공해 왔는데, 솔리드 엣지 2023에서는 PMI 치수 자동 생성 및 자동 정렬 기능이 추가됐다. 또한, 3D PMI를 3D PDF나 HTML로 내보내는 기능을 통해 설계자가 아닌 사람도 설계 데이터를 활용할 수 있게 돕는다.   솔리드 엣지 인스펙터 솔리드 엣지 인스펙터는 2D 도면이나 3D 모델의 PMI를 이용해 품질 문서를 제작하는 툴이다. 2023 버전에서는 자동으로 라벨을 기입하고, 치수 및 중요 설계 특성을 인식하는 기능이 강화됐다. 또한, 인스펙터에서 만든 문서를 다양한 포맷으로 내보낼 수 있는 기능을 제공한다.   ▲ 솔리드 엣지 2023의 주요 업데이트   협업을 위한 솔리드 엣지 활용 및 PLM과 연계 많은 개발 환경에서 2D 도면, 3D 도면, PMI, 3D PDF 등 다양한 데이터 산출물이 존재하고 있다. 또한 이메일, 메신저, 그룹웨어, PLM 등 협업 시스템도 다양해, 데이터 통합과 원활한 협업에 대한 요구가 꾸준히 늘고 있다. 지멘스는 클라우드 저장소를 사용자 개인장비와 연결하고 동기화하는 협업 시스템으로 ‘엑셀러레이터 셰어(Xcelerator Share)’를 제시하고 있다. 엑셀러레이터는 솔리드 엣지의 2D/3D 데이터를 통합 관리하면서 협업을 위한 별도의 공간이 필요 없는 것이 특징이다. 웹뷰어를 통해 의견을 공유할 수 있고, 권한 기반의 보안 기능 및 모바일 디바이스를 지원한다. 솔리드 엣지 외에도 지멘스의 다양한 솔루션과 통합된다. 안지훈 프로는 “솔리드 엣지의 구독 라이선스와 엑셀러레이터를 포함해 솔리드 엣지 XaaS(Xcelerator as a Service : 서비스형 엑셀러레이터)로 제공된다”고 설명했다. 또한, 지멘스 DISW의 이현식 프로는 “PLM은 제품 개발 이력을 파악하고, 부서간 설계 데이터 공유하는 과정에서 생기는 문제를 해결하는 데에 도움을 준다”면서, “PLM을 도입하기 전에 현재의 환경이 설계자가 설계 업무에 집중할 수 있도록 하고 있는지에 대한 고민이 필요하다”고 짚었다. 지멘스의 PLM 솔루션인 팀센터는 ▲제품 관련 문서 관리 ▲제품 개발 프로세스 관리 ▲BOM(Bill-of-Materials) 관리 ▲설계 변경 관리 ▲검색 및 데이터 관리 등의 기능을 제공한다. 또한, 솔리드 엣지 환경에 임베드되거나, 웹 기반의 액티브 워크스페이스(Active Workspace) 환경에서 사용할 수 있다.     ■ 기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.

물방울부터 파도까지 사실적으로 시각화하기 위한 시뮬레이션   현재 유니티의 자회사인 웨타 디지털(W.t. Digital)에서는 영화 ‘아바타 : 물의 길’ 속 세상을 생생하게 구현하기 위해 사용된 다수의 툴과 솔루션을 개발했다. 이번 호에서는 영화에서 물을 사실적으로 표현할 수 있었던 CGI 기술에 대해 살펴본다. ■ 자료 제공 : 유니티코리아   ▲ ‘아바타 2’ 세트장에 있는 제임스 카메론 감독(사진가 마크 펠먼. 사진 제공 : 20th Century Studios)   제임스 카메론 감독은 물을 다루는 데 익숙하다. ‘타이타닉’을 작업했던 것 외에도, 2012년에는 잠수정을 조종하여 거의 11km 깊이의 지구에서 가장 깊은 태평양 마리아나 해구 바닥까지 단독 잠수를 해내는 기록을 세우기도 했다. 제임스 카메론은 2014년 다큐멘터리 ‘딥씨 챌린지’에서 “여기 해저에서는 인간의 상상력을 가뿐히 넘어서는 자연의 상상력을 느낄 수 있다”고 말했다. ‘아바타’의 판도라 세계와 그 아름다운 비주얼이 결국 카메론의 상상력에서 비롯되었음을 생각하면 분명 놀라운 광경이었을 것이다.   ▲ ‘아바타 : 물의 길’의 제이크 설리(샘 워딩턴)(사진 제공 : 20th Century Studios)   Unity Weta Tools : 물 표현 전담 팀 물의 부족인 멧카이나족의 새로운 산호초 마을이 등장하는 ‘아바타’ 속편에서 카메론의 비전을 표현하려면 시각 효과를 대규모로 사용해야 했고, 특히 주된 배경이 되는 물에 대한 효과가 많이 필요했다. 다양한 시상식을 휩쓴 물 효과를 포함해 영화의 VFX를 만드는 데 사용된 툴과 솔루션은 웨타 디지털에서 개발했다. 캐릭터와 물 요소 사이의 상호 작용을 가능한 한 사실적으로 표현하기 위해 유니티 및 웨타의 물 시뮬레이션 VFX 전문가인 알렉세이 스토마힌, 스티브 레서, 조엘 레트본, 션 플린을 포함한 전문가들이 모여 ‘물 표현 전담 팀’을 구성했다. 이 팀에서 개발한 물 효과 툴 세트는 최근 VES 어워드(VES Awards)의 첨단 기술 부문에서 수상하기도 했다. 이들은 디테일에 집중하기 위해 뉴질랜드의 NIWA(해양연구소)와 협력하며 광범위한 연구와 실험을 수행하여 CGI 물을 만드는 최상의 접근 방식을 찾았다. 이때 조수, 바람, 해저가 수생 환경에 미치는 영향도 고려했다.   ▲ ‘아바타 : 물의 길’의 로아크(브리튼 달튼)(사진 제공 : 20th Century Studios)   물 효과를 위한 툴 세트 ‘아바타 : 물의 길’에는 2225개의 장면에서 물 효과가 필요했으며, 일부 장면에는 필요한 수준의 고해상도를 구현하기 위해 최대 8일간의 시뮬레이션이 필요했다. 한 장면에서 50개 이상의 크리처가 물과 상호 작용한 신(scene)도 많았다. 이로 인해 커다란 크리처용 대형 도메인부터 피부 표면의 얇은 막을 표현하기 위한 서브밀리미터 해상도에 이르기까지 다양한 규모에 맞는 정확한 시뮬레이션이 필요하다는 문제가 발생했다. 모든 경우에 알맞는 물 표현 시스템을 만들기란 계산상 불가능했기 때문에, 계산 시간을 최소화하기 위해 여러 가지 개별 솔버를 통해 툴 세트가 개발되었다. 이 팀에서 개발한 대부분의 물 효과 툴은 웨타의 독점 시뮬레이션 프레임워크인 로키(Loki)에 포함되어 있다. 이 기술에는 절차적 파도, 대량의 물, 분무, 박무, 중심 기포, 확산 기포, 포말, 표면 장력파, 얇은 막, 잔류 습기 등 여러 물 상태를 위한 솔버가 포함되어 있다. 유니티×웨타 디지털(Unity×W.t. Digital)의 션 플린(Sean Flynn) 시뮬레이션 리드는 “로키의 물 상태 머신은 이 영화에서 대규모의 물 효과가 나타나는 장면 다수를 구현하는 데에 결정적인 역할을 했다. 일반적인 VFX 영화에서 이 정도로 복잡한 물 효과가 나타나는 장면은 흔치 않고, 이를 구현하려면 매우 숙련된 아티스트의 수많은 반복 작업과 패스가 필요하다. 반면, 우리가 택한 상태 머신 접근 방식을 사용하면 업계에 갓 입문한 아티스트도 한 번의 패스만으로 훌륭한 결과물을 만들어 낼 수 있었다”고 설명했다.   상태 머신 이러한 솔버 중 다수는 공중 분무 시스템인 로키 상태 머신에 속해 있다. 물 상태가 주변 공기와 결합되며 상태 간 전환은 질량과 운동량이 보존되는 방식으로 처리된다. 모든 경우를 아우르는 하나의 접근 방식 대신 로키 상태 머신을 사용하면 여러 솔버가 동시에 실행될 수 있다. 각 솔버는 대량의 물, 분무, 박무 같은 각 상태에 필요한 디테일 수준에 최적화되어 있다. 그러므로 분무와 박무에 필요한 미세한 물방울의 상호 작용을 캡처하면서 대규모 물 시뮬레이션을 효율적으로 진행할 수 있다. 주변 공기를 포함한 모든 상태는 단일 시뮬레이션 패스로 완료된다. 모든 솔버는 솔버 사이의 적절한 물리적 상호 작용으로 계산되기 때문에, 영화 전체에서 자연스럽고 사실적인 물 상호 작용을 만드는 데 도움이 되었다.   ▲ 시그라프 2022에서 발표된 ‘Loki : A unified multiphysics simulation framework for production’   얇은 막과 물방울 시뮬레이션 시그라프 2019(SIGGRAPH 2019)에서는 물이 피부 위로 흐르다 떨어질 때의 정확도 높은 표면장력과 접착 효과에 중점을 두고, 캐릭터와 물의 근접 상호 작용을 모델링하기 위한 실용적인 접근방식이 제시되었다. 당시 팀은 카메론이 각본에 참여한 ‘알리타 : 배틀 엔젤’의 한 장면을 통해, 이런 접근방식을 활용하면 1mm도 안 되는 규모에서 전체 캐릭터를 물 한 겹으로 덮을 수 있을 만큼 높은 품질의 이펙트 해상도를 구현할 수 있다는 사실을 보여 주었다. 이 접근방식은 기존의 셀 내 입자(FLIP/APIC) 솔버를 조정하여 물과 고체 간의 소규모 상호 작용 역학을 캡처하는 것이었다. 이후 이 기술은 ‘아바타 : 물의 길’ 제작 과정에서 더욱 발전하여, 물에서 등장하는 캐릭터와 관련된 모든 시퀀스를 처리하는 데 활용되었다. 유니티×웨타 디지털의 알렉세이 스토마힌(Alexey Stomakhin) 수석 리서치 엔지니어는 “서브밀리미터 규모에서 물 역학을 시뮬레이션해야 했기 때문에 결코 간단한 솔루션은 아니었다. 계산하는 데 며칠이 걸리는 경우도 많았다. 아티스트가 최소한의 튜닝만 하면 물리적으로 진짜 같은 비주얼을 즉시 제작할 수 있을 만큼 솔버가 확장성이 좋고 견고하며 안정적이어야 했다”고 전했다.   ▲ 시그라프 2019의 ‘A practical guide to thin film and drips simulation’ 세션에서 선보인 정확도 높은 표면 장력 및 접착 효과의 클로즈업 렌더   수중 기포 및 결합 ‘아바타 : 물의 길’의 캐릭터가 수중에서 호흡할 때처럼, 수중 시나리오에서 사실감 있는 역학을 구현하기 위해 사용된 수중 기포 접근 방식은 관심 영역 주변의 좁은 물 띠와 기포를 함께 시뮬레이션하는 것이었다. 기포 자체는 중심과 확산이라는 두 영역으로 표현된다. 중심 영역은 더 폭발적이고 격동적인 동작의 커다란 기포를 캡처한다. FLIP/APIC 입자로 표현되는 기상(air phase)과 오일러 그리드상의 비압축성 2상 나비에-스토크스 방정식 해를 활용하여 부피 보존과 정확한 인터페이스 추적이 가능하다. 확산 영역은 오일러 그리드 해상도 미만인 작은 기포의 모션을 캡처한다. 제작 팀은 벌크 유체와 확산 기포 입자를 결합하는 새로운 스키마를 개발했으며 이는 모래, 머리카락, 천과 같은 물속에 잠긴 다른 투과성 물체에도 적용될 수 있다.   파도 곡선 및 표면 시뮬레이션 수면 시뮬레이션의 시각적 디테일을 향상하기 위해 웨타 디지털 및 IST Austria 팀은 시뮬레이션을 입력으로 사용하는 포스트 프로세싱 방법을 개발하고, 수면 위에 세밀한 라그랑지언 파도를 시뮬레이션하여 겉보기 해상도를 높였다. 벌크 유체 표면에서 전개되는 스플라인 곡선에 연결된 라그랑지언 파도 패킷을 통해 선형 파도 이론을 확장하여 비평면 도메인에서 활용하기도 했다. 이 방법은 기본 유체 시뮬레이션에 맞춤화되어 흩어지는 파도의 움직임과 함께 고주파 잔물결을 생성한다.   ▲ 시그라프 2020에서 발표된 ‘Wave Curves: Simulating Lagrangian water waves on dynamically deforming surfaces’    사실적인 급류 시뮬레이션을 위한 기포와 촉촉한 거품 물속의 움직임으로 생성된 수중 기포가 수면에 도달하여 거품으로 변하는 움직임을 사실적으로 구현하기 위한 기술이 개발되었다. 이 기술은 ‘아바타 : 물의 길’에서 물이 등장하는 거의 모든 장면에 중요하게 활용되었다. 보통 벌크 유체 같은 대규모 모션을 캡처하는 데 사용되는 그리드 기반 나비에-스토크스 시뮬레이터는 그리드 해상도로 인해 본질적인 한계를 지니고 있으므로, 부서지는 파도에서 생긴 분무나 박무 같은 소규모 현상에는 적용하기 어렵다. 이런 급류 효과는 보통 독립적인 라그랑지언 입자로 시뮬레이션된다. 유니티×웨타 디지털의 조엘 레트본 (Joel Wretborn) 시니어 리서치 엔지니어는 “우리가 급류 효과를 구현할 때 중요했던 것은 기포와 결합된 그리드 기반 유체 솔버와 수면에 제한된 거품용 SPH 솔버 간의 상호 작용이다. 로키의 선언적 솔버 프레임워크는 새로운 솔버를 개발하지 않고도 프로덕션에서 복잡한 시스템을 구축하고 지원할 수 있게 해 준다”고 설명했다. 대부분의 기존 솔버가 놓치고 있는 핵심은 집단 효과이다. 기포가 모이면 부력도 더해져 하나의 기포보다 더 빠르게 상승하고, 다수의 기포 집단은 물의 움직임에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 이번에 개발된 신기술은 주변 유체와 양방향으로 결합된 기포를 시뮬레이션하여 이러한 한계를 해결한다. 그 결과 기포 집단 효과를 효과적으로 캡처할 수 있고, 기포와 유체 모션을 더 긴밀히 연결하여 자연스러운 효과가 생성된다. 수면에 도달한 기포는 수면에 제한된 ‘촉촉한’ 거품 입자로 전환되며 SPH(입자완화 유체동력학) 방식으로 이산화된다. 이렇게 클로즈업과 광활한 대양 장면에 모두 사용할 수 있는 사실감 넘치는 급류 역학을 만들어냈다.   ▲ 시그라프 2022에서 발표된 ‘Guided bubbles and wet foam for realistic whitewater simulation’ 개요(영상 제공 : W.t. FX)     ■ 기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.

앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공 사례   풍력발전기와 같은 대형 구조물은 구조적 안정성 측면에서 풍하중을 고려해야 한다. 이 때, 풍하중 해석은 유체 압력에 의한 구조물의 변형을 고려하기 때문에 FSI(Fluid-Structure Interaction) 해석을 수행해야 한다. 이번 호에서는 앤시스 플루언트(Ansys Fluent)만을 이용하여 FSI 해석을 수행할 수 있는 IFSI(Intrinsic FSI) 방법에 대해 알아보도록 하겠다.   ■ 안홍석 태성에스엔이 FBU-F4팀의 매니저로, 중공업/제철/플랜트 산업군에서 Ansys Fluent 및 Discovery 등을 담당하고 있다. 이메일 | hsahn@tsne.co.kr 홈페이지 | www.tsne.co.kr   앤시스 제품군을 이용한 풍하중 평가방법 먼저, IFSI에 대해 알아보기 전에 앤시스 제품들을 이용한 풍하중 평가방법에 대해 알아보고자 한다. 일반적으로 풍하중과 같은 FSI 해석을 하기 위해서는 유동해석 프로그램인 앤시스 플루언트에서 계산한 데이터를 구조해석 프로그램인 앤시스 메커니컬(Ansys Mechanical)로 전달하여 해석하는 방법이 있다.(1-Way FSI 기준) 하지만, 이 방법은 두 개의 프로그램(앤시스 플루언트, 앤시스 메커니컬)을 사용할 수 있는 라이선스와 다룰 수 있는 지식이 필요하기 때문에, 비용과 시간이 많이 필요하다는 단점이 있다.   그림 1. 일반적인 1-Way FSI 해석 방법 및 결과   다른 대안으로는 유동해석의 압력 분포로부터 취약지점을 예측하는 방법이 있다. 앤시스 플루언트는 경계면에 작용하는 압력값을 이용해 특정 방향 및 지점을 기준으로 작용하는 Force와 Moment를 구할 수 있다. 하지만 이 방법을 이용해서 구조물에 걸리는 하중을 구해도 물성치를 초과하는 응력(Stress)을 확인할 수 없기 때문에, 직관적으로 풍하중을 평가하기에는 제약이 있다.   그림 2. 앤시스 플루언트를 이용한 압력분포 해석 결과   그림 3. 앤시스 플루언트를 이용한 Force report   또 다른 대안은 디스커버리 AIM(Discovery AIM)을 사용하는 방법이다. 디스커버리 AIM은 한 개의 플랫폼 안에서 구조, 유동, 전자기 등의 해석을 수행할 수 있고, 1-Way FSI와 같은 연성해석도 지원한다. 한 개의 플랫폼 안에서 사용하기 때문에, 사용법을 배운다면 플래그십 제품인 앤시스 플루언트와 앤시스 메커니컬의 해석 정확도에 준하는 결과를 얻을 수 있었지만, 아쉽게도 앤시스 2021 R1 버전을 마지막으로 현재 출시되고 있지 않다. 마지막은 이번 호에서 설명하고자 하는 IFSI를 이용한 방법이다. 앤시스 플루언트의 IFSI(Intrinsic FSI)는 앤시스 2019 R1 버전부터 지원하고 있는 기능이며, 앤시스 플루언트에 내장되어 있는 구조 모델(Structure Model)을 의미한다. 앤시스 플루언트 사용 환경에 익숙한 사용자가 별도의 라이선스 구매 없이 구조해석을 할 수 있다는 장점이 있다. 앤시스 플루언트 IFSI는 ▲유체 압력에 의한 구조물의 변형을 해석할 수 있는 1-Way FSI와 ▲그러한 구조물의 변형에 의해 유동장이 바뀌는 부분을 해석할 수 있는 2-Way FSI 모두를 지원하고 있다. 또한, Steady와 Transient 해석에서도 기능을 지원하고 있다.   그림 4. 앤시스 플루언트 IFSI를 이용한 1-Way FSI 해석 결과     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

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개발 배경 실물 시험 위주의 테스트로 설계를 하고 검증을 하는 시스템은 시행 착오로 인한 개발 일정 증가뿐만 아니라, 설계 최적화에 소요되는 개발 시료 및 계측 환경에 드는 개발 비용이 발생하는 문제가 있다. 이러한 문제들은 이미 많은 사람들이 인식하고 있으며, 이를 위해서 CAE와 같은 기술을 활용하여 가상 환경의 개발을 통해 개발 생산성을 높이려는 노력을 많이 하고 있다. 지금까지 많은 회사들이 부품 단위의 3D CAE를 개발에 많이 활용하고 있지만, 이는 제한된 영역에서 개별 부품의 설계에 활용될 수 있는 방법이며, 실제 제품 관점의 성능과 품질을 확보를 위해서는 시스템 관점의 가상 환경 개발이 필요하다. 에어컨, 냉장고와 같은 가전 제품의 제어 시스템을 생각해본다면, 해당 하드웨어와 소프트웨어를 설계하기 위해서 그것들이 구동을 시키는 모터와 컴프레서 그리고 부하가 되는 사이클 시스템까지 함께 고려되어야만 원하는 성능과 품질을 얻을 수 있다. 이러한 복합적인 시스템 해석을 개발 컨셉 단계에서부터 수행할 수 없을까 하는 것이 우리의 최근 관심사이다. 하지만 다수의 부품 모델의 결합 시 컴퓨팅 파워의 한계로 해석에 많은 비용이 필요할 뿐만 아니라, 제어 시스템과 기구 시스템의 서로 다른 물리계의 연결이 쉽지가 않을 수 있다. 이 글에서는 이러한 문제를 어떻게 해결하며 시스템 관점의 제어 시스템 가상화를 구현하고 있는지 소개하고자 한다.   그림 1. 제어 시스템 가상 환경 개발 효과   제어 시스템 디지털 목업 구현 기술 주요 CAE 툴 제어 시스템의 가상화를 위해 필요한 CAE 툴(tool)은 기본적으로 회로 해석, 소프트웨어, 전자계 해석, 열 해석 등 4개 분야이다. 회로 해석은 앤시스 트윈 빌더(Ansys Twin Builder)를 사용하고 있으며, 이 툴로 회로 부품의 전기적 특성 모델링 및 기본적인 회로 해석부터 EN55014-1 규격과 같은 전도성 EMI 노이즈 해석까지 활용하고 있다. 그리고 다른 전자계 해석 소프트웨어와의 결합 및 연성 해석을 해당 툴을 중심으로 가능하다. 소프트웨어 해석은 앤시스 SCADE라는 모델 기반 로직 설계 툴을 사용하고 있다. 인버터 모터 제어를 제어 블록 기반으로 모델링하고 자동으로 소프트웨어 코드를 생성할 수 있으며, 모터 모델과 결합하여 내부 알고리즘 검증에 활용할 수 있다. 그리고 항공기 시스템 인증 표준 개발 프로세스를 다루는 ARP4754A, 자동차 기능 안전성 국제 표준인 ISO 26262 등과 같은 산업 표준 프로세스 및 규격을 지원하고 있다. 전자계 해석은 주로 모터를 대상으로 하고 있으며, 이를 위해 앤시스 맥스웰(Ansys Maxwell)을 사용하고 있다. 가전 제품에 사용되는 다양한 종류의 모터를 해석하고 1D 모델 개발에 활용하고 있다. 이를 기반으로 부하 토크, 효율 소음 등의 해석으로 확장이 가능하다. 마지막으로 열 해석은 앤시스 아이스팩(Ansys Icepak)을 사용하고 있다. 발열은 제어 시스템의 신뢰성 확보를 위하여 필수적으로 검토가 필요하기에 관련 열 해석 프로세스를 현재 구축 중에 있다. 트윈 빌더의 회로 해석과 맥스웰에서 계산한 전력 손실 양을 기반으로 아이스팩에서 부품별 온도를 확인할 수 있다.   그림 2. 제어 시스템을 위한 주요 해석 소프트웨어   연성 해석 기술 제품 관점으로 제어 시스템을 해석하기 위해서는 전기 시스템 모델과 기계 시스템 모델이 결합되어 연성해석이 가능해야 한다. <그림 3>은 냉장고 모델을 대상으로 시스템간의 결합을 어떻게 구현하였는지 정리한 내용이다. 소프트웨어 모델과 회로 해석 결과들을 각각 1D 모델로 구현하여 사이클 기구 모델에 사이클을 제어할 수 있도록 했다. 이렇게 구현된 사이클 모델을 통해 부하를 계산을 할 수 있게 되고, 부하는 컴프레서 및 모터 모델과 결합하여 토크를 출력할 수 있게 된다. 토크는 다시 제어 시스템 모델에 입력을 함으로써 실사용 조건의 부하가 반영된 회로 해석이 가능해진다.   그림 3. 전기 시스템과 기계 시스템의 결합   C-FMU 소프트웨어는 양산 코드를 FMI(Functional Mock-up Interface : 기능 목업 인터페이스)라고 하는 서로 다른 물리계 및 서로 다른 해석 소프트웨어간의 표준화된 인터페이스에 맞게 FMU(Functional Mock-up Unit : 기능 목업 유닛)로 빌드하였고, 우리는 이것을 C-FMU라고 이름붙였다. 양산 제어 소스코드는 C 언어를 기반으로 자체 개발하기 때문에 FMI를 지원하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 신뢰할 수 있는 제어 시스템의 검증 및 모델화를 위해서는 양산 소스코드를 그대로 가상화하는 것이 중요했다. 그래서 비주얼 스튜디오 2019(Visual Studio 2019) 개발 툴을 통해 양산 소스코드와 FMI 표준 템플릿을 통합하여 FMU로 빌드할 수 있게 구현했다.   그림 4. 사이클 제어 소프트웨어 모델 가상화   인버터 드라이브 ROM 인버터 드라이브 모델과 사이클 모델의 연성해석에 있어서는 해석 속도가 큰 문제가 되었다. 인버터 로직의 경우 정상 상태에 도달하는 시간이 수 초 내외로 짧지만, 해석을 위한 샘플링 타임은 회로 동작 주파수의 20배 이상 수준인 수 마이크로초(μsec) 이하로 매우 촘촘하게 해석을 해야 한다. 사이클 모델의 경우 정상 상태에 도달하는 시간이 수십 분 단위로 상대적으로 길고 해석을 위한 샘플링 타임도 밀리초(msec) 이상으로 상대적으로 길다. 두 시스템을 결합한 연성해석 시에는 정상 상태에 도달하기까지는 사이클을 고려해서 수십 분의 긴 시간의 해석이 필요한 반면, 제어기의 안정적인 동작을 위한 해석 샘플링 타임은 수 마이크로초 이하로 설정을 해야 되기에 전체 해석 시간은 극단적으로 길어진다. 이를 위해 ROM(Reduced Order Model : 차수 축소 모델)이라고 하는 1D 모델을 구현했다. 사이클 모델에서 인버터 드라이브로 입력하는 정보와 인버터 드라이브에서 사이클 모델로 출력하는 정보를 정의하고, DOE(Design of Experiment : 실험계획법)를 통해 다양한 조건의 해석을 미리 수행한 후 그 입력 및 출력의 결과물을 이용하여 ROM을 만들었다. ROM을 만들기 위해서 수많은 조건의 해석을 해야 한다는 단점이 있지만, 일단 만들어진 ROM은 다양한 설계에서 재 사용이 가능하고, 해석 시간이 매우 빠르다는 장점이 있다.   부하 토크 ROM 인버터 제어 시스템의 해석을 위해서는 구동하는 모터에 입력되는 부하가 필요하다. 간단한 계산 혹은 실측 결과를 바탕으로 정상 상태의 일정한 크기의 부하 토크를 얻을 수도 있지만, 제어 시스템의 신뢰성 확보를 위해서는 실제의 컴프레서 및 모터 동작이 반영된 다이나믹한 부하 토크 모델이 필요하다. 현재는 수식 기반의 모델을 구현하여 컴프레서 부하에 맞는 Gas Force를 해석하고 토크를 출력하는 방식을 적용하고 있으며, 적합도를 높이기 위해서 3D CAE로 해석을 하는 방법도 검토 중이다. 이렇게 계산된 부하 토크 또한 1D ROM으로 만들어 인버터 드라이브 시스템과 결합하여 드라이브를 검증하는데 사용하고 있다.   디지털 목업 환경 구축 및 활용 <그림 5>는 냉장고 모델을 대상으로 실제 제품 모델 환경과 흡사하게 주요 부품을 모델링 후 결합한 디지털 목업 사례이다. 사이클 기구 모델에서 계산된 온도 센서 정보를 사이클 제어 소프트웨어 모델로 입력을 하면 제어 지령을 기구 모델로 보낸다. 이러한 과정에서의 냉동 사이클 온도 정보는 컴프레서 부하 토크 모델로 입력되고, 컴프레서 모델은 토크 크기를 출력하여 인버터 드라이브 모델로 보내준다. 인버터 드라이브 모델은 입력되는 토크 크기를 모터 모델에 입력하여 드라이브의 동작을 해석할 수 있게 된다.   그림 5. 냉장고 디지털 목업   <그림 6>은 냉장고 디지털 목업의 검증을 위하여 사이클 제어 로직을 실측과 비교한 결과로, 일치함을 알 수 있다. 제어 로직의 변경에 대한 검증, 제품 성능의 예측, 설계 최적화 등 다양한 케이스에서 활용이 가능할 것으로 예상된다.   그림 6. 냉장고 사이클 검증 사례   <그림 7>은 모터 제어 튜닝을 가상화한 사례이다. 실제의 모터 제어 검증은 챔버를 포함한 다수의 계측 장비가 필요하며, 튜닝을 하는데 상당한 시간이 필요하다. 이를 디지털 목업 환경으로 구현하여 챔버나 장비가 필요 없이 다양한 시험 케이스를 언제 어디서나 빠르게 해석할 수 있다. 뿐만 아니라 측정이 어려운 부분에 대해서도 가상 환경에서는 직관적으로 쉽게 확인할 수 있다는 점이 큰 이점이다.   그림 7. 모터 튜닝 시험 대체 사례   <그림 8>은 에어컨 드라이브의 부품 온도를 해석한 사례로, 사이클에서 계산된 부하를 모터에 입력하고 해당 부하에서 발생되는 전력 손실을 계산하여 온도를 확인한 결과 실측과 유사함을 알 수 있었다. 이전에는 드라이브에서 발생되는 전력 손실을 정확히 계산을 못하여 온도 해석 시에 실측과 오차가 크게 났지만, 제어와 기구 시스템의 연성 해석을 통해 정확도 높은 예측이 가능해졌다.   그림 8. 에어컨 인버터 드라이브 부품 온도 해석 사례   맺음말 지금까지 가전 제품을 대상으로 제어 시스템 디지털 목업 기술에 대해서 소개했다. 개발 초기 단계에서부터 설계의 방향을 확정하고 검증하며, 품질을 미리 확보하기 위해서는 복합적인 시스템 관점에서의 해석이 필요하다. 이를 위해 제어 시스템의 가상화에 필요한 CAE 툴 및 기구 시스템과의 연성해석을 위한 C-FMU, ROM 등의 기술을 소개했다. 아직은 일부 영역에서의 검증이 가능한 수준으로, 향후 모델을 고도화하고 필요한 기술을 확보하여 진정한 디지털 트윈이 만들어질 수 있도록 계속 연구할 예정이다. 궁극적으로는 제품 개발 일정의 단축 및 성능/원가 최적화 실현 및 제품이 실제 사용되는 환경의 정보들이 IoT(사물인터넷) 등을 통해 디지털 모델로 수집되고 가상 제품 모델에서 검증되어, 고객 맞춤형 제어가 될 수 있도록 드라이브 시스템을 업데이트할 수 있는 미래를 그리고 있다.   ■ 이 글의 내용은 2022년 11월 18일 진행된 ‘CAE 컨퍼런스 2022’의 발표 내용을 정리한 것이다.   박귀근 LG전자 H&A연구센터의 제어 MBD 프로젝트 리더로서 전력전자(인버터 및 컨버터) 분야의 연구위원이다. 최근 관심사 및 연구분야는 CAE 해석을 통한 가전 제품의 가상 제어 드라이브 개발을 실현하는 것이다. 궁극적으로 가전 제품의 WiFi 모뎀을 통한 디지털 트윈 구현 및 개발 일정 단축 및 설계 최적화 등을 실현하고자 한다. (홈페이지)     ■ 기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.

이 글에서는 외부 충격 하중에 의한 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 열폭주 현상을 예측할 수 있는 해석 기법의 선행 연구와 필자가 개발한 해석 기법을 간략하게 소개하고자 한다.   리튬이온 배터리의 충격 하중에 의한 열폭발 해석의 필요성 리튬이온 배터리(LIB)는 고에너지 밀도와 긴 수명의 장점으로 인하여 전기자동차(EV)와 에너지 저장 장치(ESS) 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 하이브리드 자동차(HEV) 또는 전기 자동차에 사용되는 차량용 리튬이온 배터리의 수요가 증가하는 추세이다. 그러나 차량용 리튬이온 배터리의 수요가 증가하면서 외부 충격 하중에 의해 유발되는 리튬이온 배터리의 성능 감소 및 열폭주(thermal runaway) 문제가 대두되고 있다. 이를 해결하기 위해서는 외부 충격 하중에 의한 열폭주 메커니즘을 구현할 수 있는 해석 기법을 개발하고 적용하는 것이 중요하다.   그림 1. 리튬이온 배터리 수요 예측   차량 단위에서 외부 충격에 의해 발생하는 배터리 모듈/팩의 과도한 변형은 배터리 셀의 변형으로 이어진다. 배터리 셀의 변형은 셀 내부 양극과 음극의 접촉을 막고 리튬이온의 이동을 위해 구성된 분리막의 파손을 유발한다. 분리막의 파손은 양극과 음극을 맞닿게 하여 내부 단락(internal short circuit)을 야기한다. 내부 단락이 발생한 배터리 셀에서는 급격한 전압 강하와 온도 상승으로 인한 열폭주 현상이 발생한다. 내부 단락으로 인한 열폭주로 일어나는 차량 화재 사고는 큰 인명 피해를 유발할 수 있기 때문에, 이러한 위험을 예방하기 위해 SAE J2464, IEC-62133, UN0 R100, UN 38.3, GB/T 31485와 같은 전기 자동차용 리튬이온 배터리 시험 표준이 존재한다. 이러한 시험 표준을 통해 외부 충격 하중을 모사할 수 있는 충격, 충돌, 낙하 등의 다양한 기계적 하중 조건에 대한 안전성을 충족하도록 요구된다. 그러나 외부 충격 하중과 같은 기계적 오용(mechanical abuse)에 의해 셀 내부에서부터 발생하는 열폭주의 원인을 파악하거나 더 나아가 이를 예측하는 것은 매우 어렵다. 또한, 전기화학적 반응에 의해 작동하는 리튬이온 배터리의 기계적 오용에 의한 열폭주 발생 메커니즘을 파악하는 것에는 한계가 존재한다. 따라서 실험에서 파악되는 물리적 현상을 전산 수치 해석을 통해 모사하여 외부 충격 하중과 같은 기계적 오용에 의한 열폭주 메커니즘을 정확히 분석하고 예측할 수 있는 수치 해석 기법에 대한 연구가 중요하다.     그림 2. 리튬이온 배터리 셀 파손에 의한 EV 화재 사고   리튬이온 배터리 균질화 모델의 한계 리튬이온 배터리 셀의 화재나 열폭주는 분리막의 파손으로 인한 단락으로부터 시작되므로, 리튬이온 배터리 셀에 기계적 하중이 가해질 때의 단락 발생 시점과 위치를 예측하는 것이 중요하다. 따라서 배터리 셀 내부의 단락에 따른 기계적 거동을 예측할 수 있는 유한요소 모델(finite element model)을 개발하는 다양한 연구가 수행되고 있다. 초기에 Sahraei 연구진에 의해 배터리 셀의 균질화(homonized) 모델이 개발되었다. 그들은 소형 파우치 셀의 기계적 특성을 예측하기 위해 준 정적 하중 범위에서의 두께 방향 압축, 구형 펀치 압입, 면내 압축 및 삼점 굽힘의 기계적 실험을 수행하였다. 기계적 실험을 통해 시간에 따른 반력, 변위 및 전압을 측정하였고, 반력과 전압이 동시에 하락하는 시점을 단락의 발생 시점으로 정의하였다. 이후, 측정된 하중-변위 곡선과 crushable foam 재료를 이용하여 배터리 셀의 균질화된 유한요소 모델(homonized finite element model)을 구성하였다. 배터리 셀 균질화 모델은 구형 펀치에 대한 기계적 실험의 반력 수준과 내부 단락 시점을 정확하게 예측하였다. 이후 그들은 파우치 셀에 대한 단락을 집중적으로 분석하기 위해 소형, 중형, 대형 파우치 셀에 대한 다양한 지름의 구형 펀치 압입 시험과 시뮬레이션을 수행하였다. 그러나 배터리 셀 균질화 모델은 열 폭주와 관련된 셀의 기계적 수준의 단락 발생 시점을 정확하게 예측할 수 있지만, 단락 이후 전기와 열적 반응에 대한 예측은 어렵다.   그림 3. 균질화 배터리 셀 모델의 구성 및 구형 펀치 압입 해석   리튬이온 배터리 RS 모델의 한계 배터리 셀의 균질화 모델과 달리 약 165개의 레이어로 구성된 파우치 셀을 음극 집전체, 음극, 분리막, 양극, 양극 집전체인 5개의 레이어로 구성한 Representative Sandwich(RS) 모델이 Zhang의 연구진에 의해 개발되었다. Zhang 연구진은 일방향(one-way) 기계-전기-열 연성 해석 RS 배터리 셀 모델을 이용하여 파우치 셀에 대한 준정적 상태에서의 구형 펀치 압입 해석을 수행하였다. 파손 기준에 대해서는 최대 압축 변형률을 기준으로 분리막의 파손을 정의하였고, Sahraei 연구진의 실험 결과를 기반으로 RS 배터리 셀 모델을 검증하였다. RS 배터리 셀 모델은 기계적 변형에 따른 전류 밀도, 온도 분포 및 전기적 단락에 의한 열폭주 현상을 정확하게 예측할 수 있다. 이후, Zhang 연구진은 RS 배터리 셀 모델을 개선하여 다중물리 현상이 발생하는 리튬이온 배터리의 기계적 변형, 전기, 열 응답을 동시에 해석할 수 있는 양방향(two-way) 기계-전기-열 연성 해석 RS 모델을 개발하였다. 이를 통해 배터리 셀의 기계적 변형으로 인한 전기, 열해석을 동시에 수행하였다. 그들은 전극과 분리막의 재료 모델을 crushable foam에서 modified honeycomb으로 변경하였으며, 전극 사이의 거리를 기준으로 전기적 단락을 정의하여 기계적 하중에 의한 전기적, 열적 응답을 성공적으로 예측하였지만, 리튬이온 배터리의 화학적 용량은 고려하지 않았기 때문에 충전량에 따른 전기적, 열적 응답의 차이는 고려하지 못한다.   그림 4. RS 배터리 셀 모델의 구성 및 구형 펀치 압입 해석   리튬이온 배터리의 정확한 열폭주 예측 시점을 위한 NDL 모델 및 해석 기법 개발 이후, Lee와 Kim은 열폭주 및 용량 손실을 정확하게 구현할 수 있는 양방향으로 비선형 기계-전기화학-열 연성 해석이 가능한 Nonlinear Detailed Layered(NDL) 배터리 셀 모델을 개발하였다. 6, 7 NDL 배터리 셀 모델은 균질화 모델 및 RVE(Representative Volume Element) 배터리 셀 모델과 달리 배터리 셀의 레이어에 따른 세부적인 기계적 특성을 고려하여 기계적 응답에 대한 정확성의 한계를 극복하였으며, 이를 통하여 열폭주 및 용량 손실을 정확하게 구현하였다. NDL 배터리 셀 모델은 리튬이온 배터리 레이어의 개수와 두께를 실제와 동일하게 구성한다. 또한, 양극 집전체, 양극, 분리막, 음극, 음극 집전체 재료의 이방성과 변형 속도로 인한 경화 특성과 같은 재료 비선형 특성을 고려하여, 분리막 파손으로 유발되는 내부 단락으로 인한 전압 강하, 온도 상승을 정확하게 예측한다.   그림 5. 배터리 셀 모델의 비선형기계-전기화학-열 연성해석 프로세스   NDL 배터리 셀 모델의 비선형 기계 모델에서는 기계적 변형과 양극과 음극의 접촉으로 인한 내부 단락을 계산한다. 전기화학 모델은 Randle circuit들로 구성되며 전압과 전류뿐만 아니라 에너지 총량을 고려하여 내부 단락으로 인한 발열을 계산한다. 열 모델은 전기화학 모델에서 계산된 줄열, 가역, 비가역 화학 반응을 열원으로 시간에 따른 온도를 계산한다. 열 모델에서 계산된 온도 변화는 다시 화학 반응과 기계적 열팽창에 영향을 미친다. 이후, 연구진은 NDL 배터리 셀 모델을 이용하여 세 가지 압입 시험에 의한 하중-변위 곡선, 내부 단락 발생 순간 및 위치, 파손 형태를 시험과 비교하여 검증하였다. NDL 배터리 셀 모델은 기존의 균질화 및 RVE 배터리 셀 모델 대비 구형 압자의 지름이 증가함에 따른 V, W 형태의 파손 단면 형상을 보다 정확하게 예측하였으며, 기계적 변형과 분리막 파손 메커니즘을 매우 정확히 예측하였다.   맺음말 리튬이온 배터리의 외부 충격 하중은 배터리 셀에서의 내부 단락을 발생시킨다. 그리고 배터리 셀 내부에서 발생되는 단락은 결국 열폭주를 일으킨다. 내부 단락에 의한 열폭주를 예측하기 위한 다양한 해석 기법이 개발되었다. 초기에 개발된 것은 기계적 변형에 의한 내부 단락 시점을 예측할 수 있는 균질화 배터리 셀 모델이었다. 또한 기계적 변형에 의해 발생되는 내부 단락을 예측할 뿐만 아니라 전기, 열 응답을 분석할 수 있는 RS 배터리 셀 모델이 개발되었다. 이후, 기계적 비선형을 고려하여 내부 단락을 정확하게 예측하고 전기화학, 열 응답을 양방향으로 동시에 고려할 수 있는 NDL 셀 모델이 개발되었다. 이러한 배터리 셀의 해석 기법에 대한 연구를 통해 외부 충격 하중에 의해 발생할 수 있는 열폭주를 정확하게 예측함으로써, 위험한 실험을 최소화하면서 안전한 리튬이온 배터리를 설계 및 개발하고 전기 자동차의 외부 충격에 대한 안전성을 확보할 수 있다.   그림 6. NDL 배터리 셀 모델을 이용한 비선형 기계-전기화학-열 연성 해석. (a) 비선형 기계적 특성, (b) 전기화학적 특성, (c) 열적 특성   ■ 이 글의 내용은 2022년 11월 18일 진행된 ‘CAE 컨퍼런스 2022’의 발표 내용을 정리한 것이다.   참고문헌 Kim., C.W., Yang, H.I., Lee, S.G., Lee, D.C. Metamodel-Based Optimization of a Lithium-Ion Battery Cell for Maximization of Energy Density with Evolutionary Algorithm, J. Electrochem. Soc., 2019, 166(2), A211. Lee, D.C., Lee, K.J., Kim, C.W. Optimization of a lithium-ion battery for maximization of energy density with design of experiments and micro-genetic algorithm, Int. J. Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 2020, 7(4), 829-836. Lee, D.C., Lee, J.J., Kim, J.S., Kim, C.W. Thermal behaviors analysis of 55 Ah large-format lithium-ion pouch cells with different cell aspect ratios, tab locations, and C-rates, App. Therm. Eng., 2020, 175, 115422. Kim, J.S., Lee, J.J., Lee, D.C., Kim, C.W. Optimization for maximum specific energy density of a lithium-ion battery using progressive quadratic response surface method and design of experiments, Scientific reports, 2020, 10(1), 1-11. Lee, J.J., Kim, J.S., Chang, H.K., Lee, D.C., Kim, C.W. The effect of tab attachment positions and cell aspect ratio on temperature difference in large-format libs using design of experiments, Energies, 2020, 14(1), 116. Lee, J.J., Kim, J.S., Lee, D.C., Chang, H.K., Kim, C.W. Design optimization of tab attachment positions and cell aspect ratio to minimize temperature difference in 45-Ah LFP large-format lithium-ion pouch cells, App. Therm. Eng., 2021, 182, 116143. Lee, D.C., Kim, C.W. Detailed Layered Nonlinear Finite Element Analysis for Lithium-Ion Battery Cells to Predict Internal Short Circuits Due to Separator Fractures under Hemisphere Indentation, J. Electrochem. Soc., 2020, 167, 120511. Lee, D.C., Kim, C.W. Two-way nonlinear mechanical-electrochemical-thermal coupled analysis method to predict thermal runaway of lithium-ion battery cells caused by quasi-static indentation, J. Power Sources, 2020, 228678. Kim, J.S., Lee, D.C., Lee, J.J., Kim, C.W. Optimization of Lithium-Ion Battery Pouch Cell for Maximization of Energy Density while Preventing Internal Short Circuit Caused by Separator Failure under Crush Load, J. Electrochem. Soc., 2021, 168, 030536. Yoo, D.H., Park, J.H., Moon, J.M., Kim, C.W. Reliability-Based Design Optimization for Reducing the Performance Failure and Maximizing the Specific Energy of Lithium-Ion Batteries Considering Manufacturing Uncertainty of Porous Electrodes, Energies, 2021, 14(19), 6100. Park, J.H., Yoo, D.H., Moon, J.M., Yoon, J.H., Park J.T., Lee, S.A., Lee, D.H., Kim, C.W. Reliability-Based Robust Design Optimization of Lithium-Ion Battery Cells for Maximizing the Energy Density by Increasing Reliability and Robustness, Energies, 2021, 14(19), 6236. Moon J.M., Chang H.K., Lee, J., Kim, C.W. Prediction of Internal Circuit and Mechanical-Electrical-Thermal Response of Lithium-Ion Battery Cell with Mechanical-Thermal Coupled Analysis, Energies, 2022, 15(3), 929. Chang, H.K., Lee J., Kim, C.W. A statistical analysis of thermal characteristics of 55-Ah large-format LIB pouch cell with different tab-type, tab size, and tab position, Case Studies in Therm. Eng., 2022, 30, 101777.   김창완 건국대학교 기계공학부 교수이다. 미국 Univ. of Texas at Austin에서 소음 진동에 대학 박사 학위를 취득하고, 다단계부분구조합성법을 이용한 NVH 해석 알고리즘 AMLS 기법을 개발했다. 다양한 산업제품에 대한 다중물리해석 및 최적설계 연구를 수행하였으며, 최근에는 전기모터에 대한 전자기-구조진동-다물체동역학 연성 해석 기법과 배터리에 대한 전기화학-열-비선형구조 연성 해석에 대한 연구에 집중하고 있다. (홈페이지)     ■ 기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.

트렌드에서 얻은 것 No. 13   BE IN IT! 거대한 혁신의 흐름에 동참하라! - CES 2023 슬로건 거대한 혁신의 흐름 가트너 10대 전략에 이어 CES 2023는 해마다 기술 발전의 잣대가 되고 있다. 무엇을 얻는가? 숙성된 기술, 미래 가치 천명 등 각 기업들은 기술 발전의 우위에 있음을 증명하려고 노력을 한다. 다 연결하라(2016), 가전에서 이동성(mobility)으로(2017), AI 플랫폼 전쟁(2018), 롤러블 OLED TV 시대(2019), 데이터의 시대, 경험의 공유(2020), 그리고 코로나19 시대를 맞았다. 2021년에는 더 나은 일상, 평안하게로 코로나19 팬데믹 시대를 지나, 2022년에는 미래 모빌리티 시대로 산업간 진입 장벽이 무너지는 ‘빅 블러(Big Blur)’였다. 현대자동차는 로보틱스 기반의 모빌리티, 메타버스가 결합된 ‘메타모빌리티’를 비전으로 제시하였다. 그리고 1년 후 CES 2023의 슬로건은 ‘BE IN IT!, 거대한 혁신의 흐름에 동참하라!’이다. 다양한 산업과 융합하면서 발전하는 시대의 원년처럼 보인다. 미래 모빌리티는 자율주행 플랫폼도 상용화를 본격화하고, 전기차 부품의 최적화가 진행되면서 자율주행 기술, 배터리 및 충전 기술, 자율주행 센서를 비롯, 자율주행 프로세스 및 네트워크, 데이터 분석 및 서비스의 발전, 그리고 생활 공간으로의 진화가 이어지고 있다. 1 AI는 ‘AI Everywhere’처럼 전분야에 골고루 활용되는 양상이다. 디스플레이는 본격 OLED 시대를 맞이하여 구부러지는 디스플레이 LG OLED Flex가 눈에 띈다. 로봇은 배송 로봇, 서비스 로봇, 산업용 로봇, 전기차 충전 로봇 등이 발전하는 양상이다. 푸드테크도 식량 위기를 벗어나기 위한 혁신으로 스마트 팜 팩토리의 성장 및 지능형 농업기계로 발전을 계속해 나가고, 디지털 헬스는 ‘진단에서 치료로의 변화’를 통해 디지털 치료 시장의 발전 가속화로, 진단기기 위주에서 치료 기기 중심으로 변화하는 모습이다.   그림 1. CES 시대별 키워드 정리(Map by 류용효) (클릭하시면 큰 이미지를 볼 수 있습니다.)   제조기업에서는 CES를 어떻게 바라볼까? 제조기업에서는 디지털 트랜스포메이션(DX)의 혁신을 위해 발빠르게 움직여야 할 것으로 보인다. CES에서 주목받는 기술과 기업에 대한 집중 분석으로 자사에 필요한 기술을 협업해야 할 때일 것이다. 자사의 큰 DX 그림을 그린 후 필요한 요소기술을 나열하고 조합하는 것이 무엇보다 중요한 때라고 생각된다. 메타버스는 2022년에는 핫하게 각광을 받았으나, 2023년에는 성과를 내야 하는 부담이 작용하는 듯하다. ‘융합기술’을 통해 시장에 없는 서비스와 제품을 만들어가는 것이 기업 경쟁력이며, 비전 기업(visionary company)으로 성장할지 비교 기업(comparison company)으로 남을 것인지 판가름날 것 같다. 삼성전자는 이번 CES 2023에서 ‘캄테크(calm technology)’의 철학을 바탕으로 한층 강화된 보안과 사물의 초연결 생태계에서 누리는 새롭고 확장된 스마트싱스(SmartThings) 경험을 선보인다. 연결은 보다 쉬워지고, 개개인의 맞춤 경험은 AI로 더욱 정교해지며, 기기간 연결은 보다 안전해질 것이다. 2 LG전자는 ESG 비전과 진정성을 담은 ESG 존을 전시관 내에 별도로 마련하며, 지구를 위한(For the Planet), 사람을 위한(For People), 우리의 약속(Our Commitment) 등 3가지 테마로 구성한다고 밝혔다. 3 “디지털 트윈은 제대로 만들면 과거, 현재, 미래를 모두 볼 수 있는 요술거울이 된다.” - 김탁곤 KAIST 명예교수   기업 경쟁력 내재화의 첨병 - PLM의 역할 성공 지속 기업을 만드는 요소는 무엇인가? PLM의 사명이다. PLM의 존재 이유는 자산을 보존하고 혼란 없이 일사불란하게 시스템으로 디지털화를 추진하는 원동력이다. MZ 세대에 맞는 교육과 기업문화도 큰 몫을 할 것이다. PLM의 역할은 해마다 CES에서 펼쳐지는 기술의 원천을 관리해주고 보존하며, 기획하고 설계하며 시뮬레이션하면서 생기는 다양한 경우의 수를 기록하고 모니터링, 분석하는 역할을 할 것이다. 디지털 트윈, 메타버스, ESG, 디지털 트랜스포메이션 혁신 도구로 자리매김할 수 있도록 끊임없는 노력을 해야 할 것이다. 특히 PLM은 플랫폼(platform), 웹(web), 그리고 데이터베이스(DB), 디지털화를 포함한 4대 요소가 이를 뒷받침해 주는 핵심 요소이다. 우선 기업의 자산(과거, 현재) 필요한 것을 공감하고 찾아내어 무엇이 필요한지 파악하고, 모두가 이해할 수 있는 공통의 언어(예 : 디지털 맵)로 정리한 다음, 어떻게 구현할지, 어떤 기술이 적합할지, 그리고 어떤 변화 관리가 필요할지 대응하는 전략이 필요하다. PLM 구축이 목적이나 목표가 아니기 때문이다.   2023년에는… 의미 있는 한 해가 되었으면 한다. 늘 새해소망을 얘기하고 목표를 세우지만, 뭔가 해마다 반복되는 것이 있다면 그것부터 바로잡는 것이 최우선 순위일 수도 있다. 왜 그런지 이유를 알아보는 것으로 한 해를 시작해 보면 어떨까? “Learn from yesterday, live for today, look to tomorrow, rest this afternoon.” (어제로부터 배우고, 오늘을 위해 살고, 내일을 바라보고, 오늘 오후는 쉬세요.)  - 찰스 M. 슐츠   참고문헌 ‘CES 2023 프리뷰’, 정구민 교수(국민대), 페이스북 Smart Car 그룹, 2022. 12. 8. ‘[기고문] CES 2023: 超연결 시대를 위한 혁신’, 한종희 삼성전자 삼성전자 DX부문장, 삼성전자 뉴스룸, 2022. 12. 15. ‘LG전자, ‘CES 2023’ ESG존... ‘모두의 더 나은 미래’ 위한 혁신 지속’, 케미컬뉴스, 2022.12.19.   류용효 디원에서 상무로 근무하고 있다. EF소나타, XG그랜저 등 자동차 시트설계업무를시작으로 16년 동안 SGI, 지멘스, 오라클, PTC 등 글로벌 IT 회사를 거치면서 글로벌 비즈니스를 수행했으며,다시 현장 중심의 플랫폼 기반 엔지니어링 서비스를 수행하고 있다. (블로그)     ■ 기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.