셀카 촬영도, 친구와의 게임도

이제 드론으로 색다르게 즐긴다!

공상과학 영화 속에서 처음 등장해, 피자 배달이나 도로 순찰, 군사용, 드라마 촬영 등 상업용과 공공 기능용으로 활용되고 있는 드론이 휴대용으로 소형화되어 우리 곁에 다가왔습니다.

에어셀피(AirSelfie)는 스마트폰과 연결되는 포켓 사이즈의 혁신적인 비행 카메라로, 친구들과 가족들의 모습을 하늘에서 찍을 수 있습니다. 강력한 터보 프로펠러는 최대 20m 상공을 날아올라 넓은 화면으로 사진과 동영상을 찍을 수 있습니다. 무게가 52g밖에 안 되어 간편하게 휴대할 수도 있습니다. 역시, 작은 드론인 오나고플라이(ONAGOfly)는 GPS와 고해상도 비디오카메라가 장착되어 애완견처럼 어디든지 졸졸 따라다니면서 셀프 촬영을 도와줍니다.

폰드론(PhoneDrone)은 드론에 폰을 장착하고 세팅하면 정해진 지점을 날아다니면서 사진 또는 동영상 촬영을 해 줍니다. 폰의 기능으로 촬영하면 되니 별도의 카메라가 필요가 없습니다. 여분의 폰이 하나 더 있다면 자신을 따라다니며 사진을 찍어주는 셀프 기능을 이용하면 됩니다. 게다가 드론이 추락해도 폰을 보호할 수 있도록 설계가 되었다고 하네요. 게임도 이제는 답답한 실내를 떠나 야외에서 드론으로 친구들과 함께 즐기는 시대가 열립니다. 토비리치 베가스(TobyRich.Vegas)는 종이비행기처럼 생긴 드론으로 비행과 공중전, 곡예를 배우며 게임을 하듯이 친구들과 놀 수 있습니다. 무료 애플리케이션을 폰이나 태블릿으로 다운받아 컨트롤할 수 있고, 조이스틱을 이용한 부드러운 조종도 가능합니다.

“아직도 셀카봉 들고 찍으세요?”

셀카봉을 들고 사진을 촬영했듯이 관광지 여기저기서 휴대용 비행 드론으로 셀카 동영상을 촬영하는 시대가 곧 열릴 것입니다. (제품정보 번역 및 편집 : ioehub.net)

휴대폰 케이스 속의 비행 드론, 에어셀피 (AirSelfie)

에어셀피는 52g 무게로 알루미늄 케이스에 딱 들어가는, 가볍고 견고한 제품입니다. iPhone 6/6S, iPhone 7/7 Plus, and Samsung Galaxy S7 Edge, Huawei P9, Google Pixel 등에서 앱으로 조정해, 사진과 동영상 촬영이 가능하며 안전하게 알아서 착륙합니다. 최대 10초 지연시간을 설정해서 사진 찍을 충분한 준비를 할 수 있고, 다중 샷과 소셜미디어 공유도 가능합니다. 아이폰에서 사용할 수 있으며, 안드로이드 일부 기종에서 사용할 수 있습니다.

사진출처 : http://www.airselfiecamera.com

영상출처 : https://youtu.be/5sgi3A6OwWM

미소가 보이면 자동으로 사진을 찍는다, 오나고플라이 (ONAGOfly)

고해상도 카메라 아이폰 6s에 필적하는 15메가픽셀, 1080p HD 30FPS 비디오를 촬영할 수 있습니다. 내장된 적외선센서기술로 벽이나 나무를 피해 다닐 수 있고, 한 번의 버튼 터치로 이륙과 쉽게 조정할 수 있습니다. 140g으로 휴대가 간편하고 배낭이나 백에 넣어 다닐 수 있습니다. 스마트폰 또는 태블릿으로 먼 거리에서도 화면을 보면서 실시간 촬영할 수 있고, 스마일 감지 기능으로 미소가 보이면 자동으로 사진을 찍습니다. 내비게이션 컨트롤, 오토 팔로우 세팅, 사진 및 비디오 등의 동기화가 가능하고, 아이폰과 안드로이드폰 모두에 사용할 수 있습니다.

사진출처 : www.onagofly.com

영상출처 : https://youtu.be/fBVuBPqGUUg

스마트폰의 카메라 기능을 활용한다, 폰드론 (PhoneDrone)

드론 비행 조정 경험이 필요 없이 간편하게 사용할 수 있고, 스마트폰의 뛰어난 기능들을 사용할 수 있으며 별도의 장치가 필요 없습니다. 휴대가 간편하여 여행 시 가지고 다닐 수 있고 아이폰, 안드로이드, 애플시계 등 거의 모든 디바이스와 호환합니다. 다른 모바일기기와 연동하여 쉽게 비디오 스트리밍을 컨트롤하며, USB로 언제든지 충전할 수 있고, 아래, 앞, 옆에서도 촬영할 수 있습니다.

사진출처 : www.xcraft.io

영상출처 : https://youtu.be/oXeDIn8qHN4

비디오게임이 드론과 만나다, 토비리치 베가스 (TobyRich.Vegas)

전투 파일럿 또는 지상 대공포 슈터 중 하나를 선택할 수 있고, 비행경주를 할 수 있는 오토파일럿 기능을 제공하여 어디든지 쉽게 조종할 수 있습니다. 독특한 비행곡예를 배우고 달성한 만큼 포인트를 획득할 수 있으며, 조종사 안내서를 이용해 마스터하기 위해 비행을 배울 수 있습니다. 무료 애플리케이션을 폰이나 태블릿으로 다운받아 컨트롤할 수 있고 조이스틱을 이용한 부드러운 조종도 가능합니다.

사진출처 : www.tobyrich.com

영상출처 : https://youtu.be/ON-sZb5wzBY

[반도체 사전] Amkor Korea Overview

앰코코리아는 현재 K3공장(부평), K4공장(광주)과 더불어 인천 송도에 대규모 신규사업장인 K5공장 건립을 통해 100년 기업으로의 재도약을 준비하고 있습니다. 특히, 세일즈와 마케팅을 담당하는 미국의 Amkor Technology, Inc.(ATI, 1998년 NASDAQ 상장)와 함께 글로벌 생산기지의 중추적 역할을 담당하며 반도체 외주시장을 이끌어 나가고 있습니다.

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WRITTEN BY 미스터반

안녕하세요. 'Mr.반'입니다. 반도체 정보와 따끈한 문화소식을 전해드리는 '앰코인스토리'의 마스코트랍니다. 반도체 패키징과 테스트가 저의 주 전공분야이고 취미는 요리, 음악감상, 여행, 영화감상입니다. 일본, 중국, 필리핀, 대만, 말레이시아 등지에 아지트가 있어 자주 출장을 떠나는데요. 앞으로 세계 각 지역의 현지 문화 소식도 종종 전해드리겠습니다.

(지난 호에서 이어집니다) 시뮬레이션보다는 ‘유한요소 해석’이라는 표현이 정확합니다. 앞에서 말한 스프링을 요소(Element)라고 지칭합니다. 우리 주변에 모든 것들을 이런 Element로 표현할 수 있는데요, 이런 과정을 전 처리 (Pre-processing)라고 합니다. 실제 형상과 똑같이 만들려면 Element 개수를 늘리면 됩니다. 그런데 Element의 개수가 많아질수록, 계산하는데 시간이 오래 걸립니다. 그래서 결과에 크게 미치지 않는 범위 내에서 Element의 개수를 조절할 필요가 있습니다. 유한한 개수의 Element로 형상을 만들고 계산하는 방법이 바로 유한요소 해석 (FEM : Finite Element Method)이라고 합니다. 이 얘기를 하려고 멀고 먼 길을 지나왔습니다.

요소의 수가 증가하면 해석의 정확도 역시 증가하지만, 무한정 증가하는 것은 아닙니다. 요소의 수가 많아지면 당연히 해석 시간도 기하급수적으로 늘어납니다. 그러므로 될 수 있으면 적절하게 요소의 개수를 최적화할 필요가 있습니다.

▲ 요소의 개수에 따른 정확도와 해석시간

사진출처 : https://goo.gl/e82oJO

기본적인 원리는 이렇고, 이를 응용하여 다양한 해석을 할 수 있습니다. 지금 설명한 것처럼, 힘과 변형의 관계식도 있지만, 온도에 따른 팽창/수축에 대한 관계식도 있습니다. 이처럼 자연 세계에서 일어날 수 있는 물리적인 현상에 대해 그 상관관계를 수식화할 수 있다면, 유한요소 해석법으로 예측해 볼 수 있습니다. 그래서 패키징 분야를 비롯한 산업 전반에서 유한요소 해석법을 사용하여 다양한 해석을 하는데요, 금방 말한 힘과 열에 의한 변형 해석은 물론이고, 열 전달, 반복 하중에 의한 피로 해석, 전자기 해석, 유동, 진동 해석 등등 분야가 정말 다양합니다. 컴퓨터 성능의 비약적으로 발전했기에 이러한 해석이 더 발전하고 있지요.

▲ 다양한 종류의 유한요소 해석

Power & signal integrity analysis / Electrical and thermal co-simulation

사진출처 : (상) https://goo.gl/sYaxX9/(하) https://goo.gl/g9zG9g

▲ 다양한 종류의 유한요소 해석

Solder joint fatigue analysis / CFD analysis

사진출처 : (상) https://goo.gl/Kb1Dlq/(하) https://goo.gl/cD51r6

그렇다면 패키징에서는 어떤 종류의 유한요소 해석을 할 수 있을까요?

온도 변화에 따른 변형과 스트레스

반도체 패키지는 웨이퍼 단계에서 최종 패키지 제품이 만들어지는 동안 상당히 높은 온도 변화를 자주 거쳐야 합니다. 다양한 소재로 구성되어 있기에 각 소재가 갖는 열팽창계수 (CTE, Coefficient of Thermal Expansion), 탄성계수 (Young’s modulus) 등으로 인해 패키지에 변형이 발생합니다. 흔히 굽힘(Warpage)이라고 말하는데, warpage는 패키지를 만드는 동안에도, 보드에 실장을 하는데 많은 불량을 일으킬 수 있습니다.

▲ FCBGA의 모델링과 열변형 결과

사진출처 : (좌) https://goo.gl/MhWvuC/(우) 앰코코리아 자료

Shadow moiré는 실제 패키지를 온도가 변하는 동안 Warpage를 측정하는 방법입니다. 유한요소 해석으로도 패키지의 warpage를 평가할 수 있는데요, Shadow moiré 결과가 있다면 정말 맞는지 비교해 볼 수 있습니다. 이를 검증 (Validation)이라고 하는데요, 유한요소 해석을 하는데 아주 중요한 과정입니다. 흔히 하는 질문이 ‘정말 맞아?’, ‘믿을 수 있어?’입니다. 열심히 모델링하고 컴퓨터로 해석했는데 결과가 맞지 않는다면 아무 의미 없는 일이 되겠지요. 그래서 가능하면 이런 검증을 통해 해석이 신뢰할 만한지를 먼저 평가합니다.

아래 그림을 보면, fcCSP의 Shadow moiré와 유한요소 해석 결과가 전 온도 구간에서 유사한 것을 알 수 있습니다. 이를 바탕으로 패키지 내부의 소재를 바꾸거나 여러 가지 변수를 가지고 warpage를 평가하게 됩니다.

▲ Shadow moiré 원리와 2D, 3D측정 결과

사진출처 : (상) https://goo.gl/vR1ySg/(하) 앰코코리아 자료

▲ fcCSP의 Shadow moiré 와 유한요소해석 결과 비교

이번 이야기에서는 여기서 마무리를 지을까 합니다. 다음에는 못 다한 다른 종류의 유한요소 해석에 대해 이야기를 해보겠습니다.

졸업을 앞둔 기계공학을 전공한 분들은 보통 반도체, 패키징 분야에서는 이런 유한요소 해석을 잘 기대하지 않는 것 같습니다. 막연히 이쪽 분야에서는 전자공학 전공자만 있을 거라 생각하지는 않을까요? 패키지를 만드는 동안 휘고 깨지는 불량을 미연에 방지하고 개선하기 위해서는 유한요소 해석이 꼭 필요합니다. 혹 이 글을 보는 전공자가 있다면 도움이 되길 바랍니다. (^_^)

[반도체 사전] 한국 반도체 1호, 아남 & 앰코

1968년 창업 당시 반도체 산업은 유럽이나 일본에서도 큰 관심을 끌지 못했고, 오직 미국에서만 아폴로 우주 계획과 미사일 개발을 위해 반도체 산업을 성장시키려 했습니다. 우곡 김향수 명예회장은 화양동에 다이본더 2대, 와이어본더 3대로 반도체 공장 가동 준비를 마쳤으나, 워낙 한국인을 상대하려는 곳이 없는 데다 2년 넘게 수주가 없어 도산 위기에 직면하게 됩니다. 애초 우곡이 반도체 사업을 시작하겠다고 했을 때, 전문가들조차 ‘Crazy Business’라며 말리던 그대로였습니다.

이때, 미국 빌라노바대학교에서 경제학 교수로 재직 중이던 장남 김주진 회장이 이 소식을 듣게 되었습니다. 그리고 장래가 보장되어있던 대학교수직을 사퇴하고 앰코(Amkor Electronic, Inc.)라는 반도체 판매회사를 미국에 설립해 반도체 마케팅에 적극적으로 나섰습니다. 마침내 1970년, 미국으로부터 첫 주문이 성사되고 샘플 제작 결과가 엑설런트(excellent) 판정을 받았으며, 같은 해 12월에는 종업원 7명으로 미국 SSS사에 메탈 캔 형태의 반도체를 수출했습니다.

당시 달성한 21만 달러의 수출은 아남의 첫 수출이자 한국 반도체의 첫 수출이었으며, 향후 아남반도체의 신화로 이어지는 초석이 되었습니다. 이렇게 창업동지로서 아남과 앰코의 역사는 시작되었습니다.

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안녕하세요. 'Mr.반'입니다. 반도체 정보와 따끈한 문화소식을 전해드리는 '앰코인스토리'의 마스코트랍니다. 반도체 패키징과 테스트가 저의 주 전공분야이고 취미는 요리, 음악감상, 여행, 영화감상입니다. 일본, 중국, 필리핀, 대만, 말레이시아 등지에 아지트가 있어 자주 출장을 떠나는데요. 앞으로 세계 각 지역의 현지 문화 소식도 종종 전해드리겠습니다.

휜다, 접힌다, 아니 늘어난다! 

디스플레이 끝판왕, 스트레처블 (stretchable)

우리가 어릴 때 가지고 놀던 오색빛깔 고무 장난감처럼 디스플레이가 잡아당기는 대로 쭉쭉 늘어난다면 어떤 기분이 들까요? 앰코인스토리의 [디지털 라이프] 카테고리를 통해 플렉시블(휘어진·Flexible)과 폴더블(접는·foldable) 디스플레이 혹은 그 관련 기술 및 제품에 대한 포스팅을 본 적이 있을 겁니다. 하지만 불과 얼마 되지 않아 스트레처블(늘어나는·stretchable) 기술에 대한 이야기를 꺼내게 될 줄은 미처 몰랐는데요, 그만큼 스마트 디스플레이 기술과 그 관련 접점들은 무서운 가속도로 우리가 발을 디딘 시대와 시공간을 씽씽 가로질러 가고 있습니다.

▲ 디스플레이의 고정관념과 한계가 사라진다

사진출처 : https://pixabay.com

플렉서블 디스플레이의 최종 단계, 즉 종착역이나 마찬가지인 스트레처블 디스플레이는 뜻 그대로 화면의 탄력적 늘어남이 가능한 차세대 디스플레이 기술을 말합니다. 또 이음새 없는 완벽한 곡면 디스플레이를 만들기 위한 핵심 기술을 일컫기도 합니다. 특히 웨어러블, 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 차량용 디스플레이 등 현 스마트 IT기술 업계를 주름잡고 있는 주요 이슈들과의 접목이 기대되는 주요한 미래형 테크놀로지입니다. 기존 플렉시블 OLED와의 차이점을 살펴본다면, 화면을 구부리거나 접거나 둘둘 감는 등 한 방향만으로의 변형이 가능했던 것과 달리, 스트레처블 OLED는 두 방향 이상으로 변형할 수 있다는 장점을 가집니다.

이 한낮 백일몽 같은 꿈의 디스플레이를 적극적으로 실현해 나가고 있는 기업은 역시 삼성입니다. 삼성디스플레이는 얼마 전 미국 로스앤젤레스에서 개막한 디스플레이 전시회 ‘SID’ 중, 9.1인치 스트레처블 유기발광다이오드(OLED) 화면을 공개했습니다. 탄성을 자아내는 마술 같은 일들이 전시장을 찾은 관람객들의 이목을 한껏 사로잡았는데요, 위에서 손가락으로 누르면 아래로 움푹 들어가기도 하고, 손가락을 떼면 화면이 다시 제자리를 찾아가는 등 우리가 알던 디스플레이라고는 믿기지 않을 정도로 신비로운 탄력을 갖고 있었습니다. 삼성의 이 디스플레이는 최대 깊이가 12mm이며 누르거나 밀어 올려도 화질 또한 떨어지지 않는다는 게 특징입니다. 디스플레이를 구성하는 최소 입자인 픽셀(화소) 사이에 고무와 같은 신축성 소재를 넣은 것으로 알려져, 탄력의 근원지를 예측케 합니다.

▲ 밴드형 기기 등 웨어러블 제품에 탄력성을 부여할 스트레처블 기술

사진출처 : https://pixabay.com

플렉시블 OLED를 도입한 스마트폰 등이 반향을 일으켰던 것을 볼 때, 스트레처블 기술과 디스플레이가 상용화된다면 얼리 어댑터를 비롯, 더 혁신적인 디지털 라이프를 원하는 많은 이들의 갈채와 관심을 받을 가능성이 커졌습니다. 또 그 쓰임새 면에서도 긍정적인 평가 및 예상이 이어집니다. 신체나 옷에 부착하는 웨어러블 정보기술(IT) 기기 내 고정된 디스플레이도 탄력성을 보유하기 쉽지 않은데, 스트레처블 OLED는 이리저리 신축성 있게 변형할 수 있음으로써 인간의 움직임과 자연스럽게 동화됩니다. 한 마디로 신체가 이리저리 움직일 때 패널도 동시에 그 움직임을 쫓아 딱딱한 디스플레이가 가졌던 불편함 등을 해소할 수 있을 거란 이야기입니다.

▲ 스트레처블 OLED이 활용될 수 있는 분야, 헤드업 디스플레이

사진출처 : Maurizio Pesce 

https://www.flickr.com/photos/pestoverde/34072553053

▲ 스트레처블 이전, 쿼드엣지 플렉시블 OLED가 탑재됐던 갤럭시S7엣지

사진출처 : 삼성전자 뉴스룸 

https://news.samsung.com

그뿐만 아니라 외부 온도 등에 따라 팽창과 수축이 이뤄지는 차량 유리 안에 넣음으로써 차량 주행에 필요한 정보 등을 전면 유리에 띄우는 헤드업 디스플레이에도 활용 가능하다는 의견이 많습니다. 물론 디스플레이 기술의 끝판왕인 만큼 트랜스폼(Transform) 스마트폰의 결정체가 될 수 있으리란 희망 어린 관측도 나옵니다. 고정된 커브드와 폴더블에서 한 단계 진화된 형태의 스마트폰이 우리 곁으로 다가오는 것도 이제는 시간문제일지 모릅니다.

▲ 스트레처블 스마트폰의 등장, 과연 이뤄질까?

사진출처 : https://pixabay.com

▲ 삼성의 9.1인치 스트레처블 OLED 디스플레이

영상출처 : Samsung Display 유튜브 채널

 https://youtu.be/_EMBTHbkXnE

하지만 디스플레이뿐만 아니라 내부 부품들까지도 모두 ‘스트레처블’하게 만들어야 하기에 구현 및 상용화에서는 난이도가 매우 높은 기술이 아닐 수 없습니다. 반도체, 디스플레이, 배터리, 패키징 기술 등 4가지 하드웨어 핵심기술이 스트레처블할 수 있을지에 대한 부분은 조금 더 살펴봐야 하며 시간도 필요할 듯 보입니다. 애플이 수년 전 반도체까지 휘어지게 하는 내용의 특허를 출원한 바 있으나 애플리케이션 프로세서(AP) 등 핵심 반도체들의 스트레처블化는 아직도 많은 기업들에 난제일 것입니다. 아울러 구현해야 할 부품들도 많은 가운데, 효율적인 공정, 제품 단가 등 여러 관련 부분도 고려하지 않을 수 없기 때문입니다.

“디스플레이가 늘어난다.” 

왠지 어색하면서도 이질감과 생경함을 전하는 문장입니다. 휘고 접히는 것을 넘어서서 이제는 늘어나다니. 커브드(휘어진), 폴더블(접히는), 롤러블(말 수 있는) 형태 등을 통해 점점 더 발전해 가는 디스플레이 기술의 경주마 같은 풍광. 이를 모두 쫓기엔 숨이 턱까지 차오릅니다. 마치 공상과학영화에서나 보던 장면들이 이제는 오롯이 우리의 삶 한가운데 똬리를 틉니다. 마침표 없는 스마트 기술의 발전, 그 결승점에는 무엇이 기다리고 있을까요?

[반도체 사전] 반도체 패키지 기술의 변천사 History of Semiconductor PKG

2000년대 3D Package

하나의 패키지에 수 개의 칩을 적층(stack)하거나, 와이어 본딩을 대체하는 플립 칩(flip chip) 기술을 적용하는 패키지, 또는 기능이 다른 여러 칩을 하나의 패키지 기판 위에 올려놓고 칩과 칩을 와이어 본딩이나 플립 칩 같은 기술을 이용해 연결한 다음 하나의 패키지로 완성하는 SIP(System in Package) 등 3차원 입체 패키징의 시대로 돌입했습니다.

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WRITTEN BY 미스터반

안녕하세요. 'Mr.반'입니다. 반도체 정보와 따끈한 문화소식을 전해드리는 '앰코인스토리'의 마스코트랍니다. 반도체 패키징과 테스트가 저의 주 전공분야이고 취미는 요리, 음악감상, 여행, 영화감상입니다. 일본, 중국, 필리핀, 대만, 말레이시아 등지에 아지트가 있어 자주 출장을 떠나는데요. 앞으로 세계 각 지역의 현지 문화 소식도 종종 전해드리겠습니다.

안녕하세요, 앰코인스토리 독자 여러분! 한 달이 금방 돌아오네요. 오늘은 필자가 하는 일에 관해서 이야기하려고 합니다. 필자는 패키지의 특성 분석 업무를 하고 있고, 소위 말하는 ‘시뮬레이션’을 하고 있습니다. 시뮬레이션이란 말을 들으면 어떤 느낌인가요? 컴퓨터 화면에는 입체적인 형상과 알록달록한 색으로 변형이 일어나는 장면이 떠오르지 않나요? 이번에는 시뮬레이션이 무엇이고 패키지 분야에서 어떤 일을 하고 있는지 살펴볼까 합니다. 사실 대학을 졸업하고 먼지가 소복하게 쌓인 전공 책을 다시 펼치는 기분입니다. 말로만 듣던 시뮬레이션의 원리가 무엇인지 소개하여 이해하는 데 도움이 되길 바랍니다.

유한요소 해석 Finite Element Method

시뮬레이션의 사전적인 정의는 ‘복잡한 문제나 사회 현상 따위를 해석하고 해결하기 위하여 실제와 비슷한 모형을 만들어 모의적으로 실험하여 그 특성을 파악하는 일’이라고 합니다. 이번 주말에 캠핑을 가려고 성냥 한 통을 샀습니다. 막상 성냥을 켜보려고 했는데 불량이라면 너무 난처하겠지요. 그래서 성냥갑 안에서 하나를 켜봅니다. 다행히도 잘 켜집니다. 그렇다고 의심을 거둘 수는 없습니다. 남은 성냥은 모두 잘 켜질까 염려가 됩니다. 가장 좋은 방법은 무엇일까요? 좀 어리석어 보이지만 가장 확실한 방법은 다 켜 보는 겁니다. 모든 성냥이 잘 켜지는지 확인했고 안심할 수 있지만, 더는 사용할 수 있는 성냥이 없기에 새로운 성냥을 또 사야 하겠군요. 그런데 어쩌지요, 새로 산 성냥은 과연 잘 켜질까요?

우스운 이야기이지만, 제품의 성능을 예측할 수 있다면 염려 대신 안심할 수 있고 위험한 일도 피할 수 있습니다. 가끔 TV를 통해 차량 충돌 테스트가 나오는데, 무서운 속도로 달려와 장애물에 부딪히고 얼마나 안전한지를 평가하는 모습을 봅니다. 그런데 자동차의 안정성 확인도 좋지만, 왠지 ‘아깝다’라거나 ‘나 주면 좋을 텐데’하는 생각이 들기도 하지요. 실제로 한 번 쓰고 폐기할 차량을 충돌 테스트를 위해 엄청난 비용으로 만듭니다. 양산이 아닌 시제품이기에 비용이 엄청나다고 하네요. 앞에 말씀드린 성냥처럼 수도 없이 테스트하면 좋겠지만, 차 한 대 값을 우습게 볼 수는 없습니다. 만약 예측할 수 있다면, 실제 테스트를 대신하여 요즘처럼 좋아진 성능의 컴퓨터로 예측할 수 있다면 비용이나 제품 개발 시간 단축에 엄청난 효과가 있겠지요. 시뮬레이션으로 모든 테스트를 대체할 수는 없고 테스트 횟수를 상당히 줄일 수는 있습니다. 오늘 설명하고자 하는 시뮬레이션도 이런 이유로 산업계 많은 분야에서 다양하게 적용됩니다.

▲ 자동차 충돌 테스트와 시뮬레이션

사진출처 : (좌)https://goo.gl/f6yEMm/(우)https://goo.gl/TdTG03

그럼, 지금부터는 원리를 알아봅시다. 여기에 스프링이 하나 있습니다. 한쪽 끝을 천장에 고정하고 반대쪽 끝을 잡아당긴다면 어떻게 될까요? 당연히 늘어나겠지요. 잡았던 손을 놓으면 다시 원래 상태로 돌아갑니다. 기억에는 중학교 과학 시간에 배웠던 것 같습니다만, 스프링의 힘과 변위의 상관관계가 있고 k값을 스프링 상수라고 합니다. 힘을 주면 늘어나고, 그 길이는 힘의 크기만큼 커지는데 그 정도는 스프링 고유의 값, 스프링 상수와 관련이 있습니다. 이런 이야기를 길게 설명하는 이유는 이 수식이 우리가 하는 시뮬레이션의 가장 기본이기 때문입니다.

선뜻 동의하기는 그렇지만, 대부분의 소재는 스프링처럼 탄성을 갖습니다. 심지어 단단한 철, 돌덩어리도 스프링처럼 힘을 주면 늘어납니다. 물론 너무 작아서 눈으로 보이지 않지요. 힘을 주면 늘어나고 스프링이 가진 고유의 물성(탄성계수)에 따라서 늘어나는 정도가 달라집니다.

▲ Hook's Law

사진출처 : https://goo.gl/oIXF3b

여기에 긴 막대기가 있습니다. 정확히 절반은 철로 되어 있고 반대쪽은 알루미늄으로 되어 있습니다. 양쪽에서 잡아당기면 얼마나 늘어날까요? 간단하게 스프링 2개로 바꾸어서 생각할 수 있습니다. 앞에서 언급했던 F=kx라는 간단한 수식을 가지고 늘어난 길이를 계산할 수 있습니다. 지금처럼 간단한 형상은 어렵지 않게 종이에 써가며 계산할 수 있겠지만, 스프링이 많아지고 모양이 점점 복잡해진다면 손으로는 많이 어려워지겠지요? 여기에서부터 컴퓨터가 필요합니다.

▲ x_합계= x_철+ x_알루미늄=F/k_철 +  F/k_알루미늄 

사진출처 : https://goo.gl/PTyTyk

시뮬레이션보다는 ‘유한요소 해석’이라는 표현이 정확합니다. 앞에서 말한 스프링을 요소(Element)라고 지칭합니다. 우리 주변에 모든 것들을 이런 Element로 표현할 수 있는데요, 이런 과정을 전 처리 (Pre-processing)라고 합니다. 실제 형상과 똑같이 만들려면 Element 개수를 늘리면 됩니다. 그런데 Element의 개수가 많아질수록, 계산하는데 시간이 오래 걸립니다. 그래서 결과에 크게 미치지 않는 범위 내에서 Element의 개수를 조절할 필요가 있습니다. 유한한 개수의 Element로 형상을 만들고 계산하는 방법이 바로 유한요소 해석(FEM: Finite Element Method)이라고 합니다. 이 얘기를 하려고 멀고 먼 길을 지나왔습니다. (다음 호에서 계속)