지난해 2월 화성에 착륙한 우주 헬기 ‘인저뉴어티(Ingenuity)’는 두 달 후인 4월 19일 첫 비행에 성공했다. 인류가 지구 이외의 행성에서 날린 최초의 제어 가능한 비행체라는 역사적인 사건이자 미래의 화성탐사를 위한 우주 헬기 분야의 첫걸음을 내딛은 순간이었다. 한편, 지구에서는 도심항공교통(UAM) 시대의 개막에 눈길이 쏠린다. 이처럼 인류의 상상 속에 머무르던 무인이동체가 서서히 눈앞에 모습을 드러내는 요즘, 김용하 교수는 스마트 복합재료구조 및 설계 최적화 연구실을 이끌며 관련 산업 경쟁력 강화에 힘을 싣고 있다.
복합재료구조의 구조 특성, 시뮬레이션에 특화된 연구로 항공우주 분야 경쟁력 제고
유한요소해석(FEA), 복합재료구조, 항공우주 응용 및 설계 최적화 분야 전문가인 김용하 교수는 수치적 방법을 기반으로 기계적 응용 분야에서 다양한 복합재료구조를 위한 고품질 엔지니어링 솔루션을 개발해왔다. 박사학위 취득 후 국방과학연구소에서 무인기 가스터빈 엔진에 대한 구조설계와 구조진동특성 분석, 감항인증 업무 등을 수행했다. 감항인증(Airworthiness Certification)이란, 군용항공기가 감항성을 갖고 요구된 항공기 체계의 성능과 기능을 발휘할 수 있음에 대한 정부의 인증을 의미한다. 이후 연구의 자율성에 무게를 두고 교수의 길을 택한 김 교수는 지난해 9월부터 충남대학교에 몸담고 스마트 복합재료구조 및 설계 최적화 연구실을 이끌고 있다. 그는 신임 교수로서 연구를 세팅하는 단계라며 앞으로의 연구에 대한 기대감을 전했다.
“항공기계 분야 중에서도 복합재료구조의 구조 및 진동 특성이나 시뮬레이션에 특화된 연구를 진행하고 있습니다. 복합재료(Composite materials) 등이 최근 각광받고 있는 무인 이동체나 시스템 관점에서도 활용성이 크기에 해당 분야에 집중하고자 했죠. 이는 제가 국방과학연구소 소속 연구원이 아닌 교수의 길을 택한 이유이기도 합니다. 연구실을 이끌며 기계, 항공우주, 무기체계 분야에 응용되는 복합재료구조의 시뮬레이션 및 설계 최적화에 관한 주제를 다루고 있습니다.”
항공우주 분야 복합재료구조의 구조적, 동적 거동 및 파손 특성 연구에 중점을 두고 있는 김 교수는 이에 관한 다수의 우수 논문을 게재하기도 했다. 대표적 연구로 항공우주구조의 구조 특성 분석을 위한 유한요소해석(FEA), 항공기 부품에서의 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 또는 유리섬유강화플라스틱(GFRP) 등과 같은 복합재료의 구조 특성 분석에 관한 연구 등이 있다.
“국방과학연구소의 풍부한 자원을 활용하며 연구에 몰두했던 기간은 저 스스로의 연구능력 함양은 물론 관련 논문을 집필할 수 있었던 소중한 시간이었습니다. 당시의 경험이 있었기에 지금 교수로서 저의 연구주제에 집중할 수 있게 되었죠. 국방과학연구소에서 수행해온 연구들을 심도 있게 확장하며 유의미한 연구 성과들을 쌓아가고 싶습니다.”
무인 이동체가 서서히 현실화되고 있지만, 초기 단계인 만큼 아직까지 관련 인증 체계 등은 미흡한 상황이다. 전 세계적으로도 무인기의 기술 표준과 인증절차를 마련하는 등 국제 표준 개발을 위한 움직임이 이어지고 있다. 김 교수는 국방과학연구소에서 인증 관련 업무를 수행했던 경험을 토대로 무인 이동체의 구조설계에 관한 인증 체계를 주제로 한 연구를 수행할 것이라 전했다. 무인 이동체의 형식 인증 작업이 안전과 직결된 만큼 관련 산업의 발전을 저해하지 않으면서도 안전을 담보할 수 있는 방안을 모색할 계획이다.
“최근 각광받고 있는 드론, 무인자동차, 무인항공기, 무인잠수정 등의 무인 이동체는 4차 산업혁명 기술의 집약체라 할 수 있습니다. 무인 이동체가 시장에서 경쟁력을 갖추기 위해서는 경량 최적화를 통한 무게대비 구조 성능 향상 및 가격경쟁력 확보가 필요합니다. 특히 연료의 효율성을 높이기 위한 각 구성품의 경량화가 중요하죠. 이에 무인 이동체용 첨단 복합재 구조의 핵심 기술개발에 집중하며 우리나라 무인이동체 산업의 경쟁력 확보에 힘을 보태고자 합니다.”
대전환기 맞이한 항공·우주산업, 장기적 관심과 지원으로 육성해야
미래 모빌리티의 등장과 우주로의 진출 등 항공·우주산업은 대전환기를 맞이했다. 이와 함께 장기적이고 안정적인 수익과 양질의 일자리를 창출할 수 있는 미래 먹거리 산업인 항공·우주산업에 대한 기대가 커진다. 1980년대 단순 조립·생산 단계에 머무르던 대한민국의 항공산업은 현재 세계 6번째 초음속기(T-50) 수출국, 11번째 헬기(수리온) 개발국으로 우뚝 섰다. 국내 생산액은 2019년 60억 달러를 기록했으나 코로나19와 함께 위기를 맞이하기도 했다. 이에 정부는 최근 항공·우주산업을 국가전략산업으로 육성할 것이라 밝혔다. 항공제조업 분야를 특별고용지원업종으로 지정하고, 상생협력보증제도를 수립·시행하는 등 생태계 지원에 나선다.
김용하 교수는 항공·우주산업은 다른 산업에 비해 지속성이 큰 데다 국가안보 및 경제력의 축이 되는 사업이기에 장기적이고 지속적인 관심과 지원이 필요한 분야라 말했다. 다만 단기간에 성과를 기대하기 어렵기에 10년 후, 20년 후를 바라보는 연구개발이 필요하다는 설명이다. 또한, 항공·우주산업은 국가안보상 다른 선진국의 경험적 DB를 얻기 어려운 만큼 경험적 DB나 시스템의 기초가 되는 소재 DB 구축이 중요함을 강조했다. 그 또한 첨단복합재 구조 관련 정책을 주목하며 구조설계 및 해석 관련 감항인증 및 형식증명, 소재 DB 구축에 집중하는 모습이다. 이외에도 국방과학연구소 재직 시절부터 한국항공우주공학회, 한국추진공학회, 항공우주시스템공학회에서 활동하며 학문적 교류를 이어가고 있으며, 올해부터는 항공우주시스템공학회의 편집이사를 맡았다. 그는 앞으로도 폭넓은 활동을 통해 관련 분야의 발전에 힘을 보탤 것이라 전했다.
김 교수는 항공·우주산업은 시행오차가 필연적으로 따를 수밖에 없는 분야라는 데에도 목소리를 높였다. 기술개발에 따른 실패는 단순한 실패가 아닌, 성공을 위한 경험적 DB를 구축하는 과정인 만큼 이에 대한 질책보다는 지속적 도전을 장려하는 문화가 자리매김해야 한다는 것이다. 실제로 항공·우주산업 분야 선진국인 미국과 러시아 등도 숱한 도전과 실패와 함께 기술력을 쌓아왔다. 김 교수는 대부분 선진국들도 발사체 발사에 안정적인 성공률을 얻기까지 10년 이상의 시간이 필요했었다며, 어느 정도 실패가 용인될 때 비로소 산업의 성장여력이 확보될 수 있다고 전했다.
소통과 다양한 경험으로 항공·우주 분야 전문가 육성하는 ‘멘토’ 꿈꿔
김용하 교수가 재직 중인 충남대학교는 충남·충북 지역의 대표 지방거점국립대학교다. 기계공학부는 고체역학, 동역학, 유체역학, 열역학 등 4대 역학에 관한 이론과 응용방법을 다룬다. 나아가 최신의 기술 발전 추세에 따라 친환경 에너지 기술, IT융합 로봇 기술, 초미세 공정기술 등을 아우른다. 김 교수는 졸업 후 기계, 자동차, 항공우주, 엔지니어링, 조선, 발전 등 분야 산업체에 취업하여 제작기술 개발의 업무에 종사하거나 인근의 대덕연구단지 및 각종 정부출연연구소, 기업연구소에서 연구 업무 등의 진로가 가능하다고 설명했다.
“연구자를 꿈꾸는 학생들에게는 석사 진학을 장려하고 있습니다. 본격적인 R&D 참여를 위해 관련 경험을 쌓았으면 하는 마음에서죠. 실제로 석사 과정에서 국방과학연구소나 항공우주연구원와 같은 국가연구기관의 연구과제를 수행하는 경험을 쌓는다면 취업에도 많은 도움이 될 것입니다.”
김 교수는 자신의 모습을 통해 학생들에게 동기부여를 하고 싶다고 말한다. 비록 비대면 강의로 학생들과 편안하게 소통하기 어려운 상황이지만, 김 교수의 진심은 학생들과의 상담을 통해 전해지고 있었다. 그는 충남대가 진행중인 상담 프로그램을 통해 학생들과 주기적으로 만나 대화를 나누고 있다며, 자신의 사례를 통해 주어진 상황 속에서도 충분히 노력한다면 꿈을 이룰 수 있음을 격려하고 있다고 말했다. 이러한 격려 속에는 지속적으로 노력하는 사람들이야말로 자신이 원하는 목표를 이룰 수 있다는 확신이 밑바탕이 되어 있었다. 김 교수는 충남대를 졸업한 선배 중에서도 우수한 분들이 많다는 점을 알아줬으면 한다며, 지속적으로 꾸준히 노력하는 것은 스스로에게도 여전한 삶의 원동력이라 전했다.
“저는 남들보다 다소 늦게 공부를 시작해서 지금의 자리까지 왔습니다. 그 과정에서 개인의 노력만 꾸준히 이어진다면 얼마든지 지속적인 성장이 가능함을 느꼈죠. 특히 2018년에 첫 직장을 가졌던 만큼 학생들이 취업을 준비하는 과정과의 연계성이 크기에, 보다 실질적 도움을 줄 수 있다고 생각합니다.”
빠르게 발전하는 항공·우주산업, 다양한 연구로 기술 국산화에 힘 실을 것
항공·우주산업의 르네상스가 도래한 지금 항공·우주산업은 그 어느 때보다도 빠르게 발전하고 있다. 지난 1월 개최된 세계 최대 ICT·가전 전시회인 ‘CES 2022’에서는 우주 비행선이 방문객을 맞이했으며, 지난해에는 우리나라의 첫 한국형발사체인 누리호가 발사됐다. 김용하 교수는 항공·우주산업 분야 내 한국의 기술력 또한 빠르게 성장하고 있다며, 최근 항공기 주요 구성품에 대한 국산화가 진행되고 있다고 설명했다. 가스터빈 엔진 또한 단수명 관련 기술을 넘어 장수명 기술 확보에 도전하고 있다.
“현재 연구 중인 기술들은 미국이나 유럽 등 강대국에서는 이미 확보한 기술이지만, 국방 등의 문제로 공유가 되지 않는 기술들입니다. 이에 기존에 수입에 의존하던 기술들의 국산화가 활발히 진행되고 있습니다.”
올 한해 김 교수는 연구과제 수주 등 연구실 기반 구축에 전념할 계획이다. 향후 복합재료구조의 구조 및 동역학 시뮬레이션과 최적화에 대한 연구를 이어가고자 한다는 설명이다. 또한, 국방과학연구소 재직 당시 무인기용 가스터빈 엔진의 구조 관련 연구를 수행했던 만큼, 관련 연구와 무인항공기의 감항인증, 형식증명과 관련한 연구 수주에 집중할 것이라 전했다. 다양한 분야의 연구과제를 수주하며 학생들과 함께 이를 수행한다면, 이는 자연스레 항공·우주산업 분야 전문가를 육성하는 결과로 이어질 것이라는 기대와 함께였다. 그는 충남대가 국방과학연구소, 항공우주연구원, 한국기계연구원 등과 인접한 만큼 이러한 장점을 살려 학생들이 다양한 경험을 쌓을 수 있도록 돕겠다고 다짐했다.
“연구적 측면에서는 제가 생각한 대로 연구 결과가 나왔을 때 보람을 느낍니다. 교육자로서는 아직 많은 경험을 하지는 못했지만, 제 수업을 들은 학생들이 연구에 관심이 있다고 찾아올 때 보람이 크더라고요. 연구에 뜻을 둔 학생들이 다양한 연구를 수행하며 자신의 전문분야를 가진 연구자로 성장할 수 있도록 곁에서 응원하겠습니다.”
항공·우주산업 기술은 반드시 국가안보와 직결되며, 이는 곧 국가 경쟁력이라 할 수 있다. 항공·우주산업의 육성은 더 이상 지체할 수 없는 지상과제가 되고 있다. 위기와 기회가 혼재된 지금, 그 어느 때보다 산업 육성의 필요성과 절실함에 힘이 실린다. 김 교수가 자신만의 특화된 연구와 인재 양성으로 대한민국 항공·우주산업의 미래를 꽃피우길 기대한다.
