College Of Engineering
서울공대 이야기
 

                             “환경친화 엔진기술, 내가 맡는다”

                            민경덕 서울대 기계항공공학부 교수

 

 

국내 차세대 자동차 개발의 선봉장

엔진 성능 개량에 타고난 전문가


우리나라를 포함해 전세계 선진 각국이 미래형 자동차 개발에 혼신의 힘을 쏟고 있다.

미래형 자동차란 가솔린과 전기를 함께 사용하는 하이브리드카와

수소로 움직이는 연료전지 자동차를 모두 일컫는 말로써

보다 친환경적인 첨단 기술을 필요로 하는 분야다.

미국 MIT와 독일 메르세데스 벤츠의 연구원으로 일했던 경험을 살려

전자에서는 엔진을, 후자에서는 운행장치 개발을 담당하고 있는

서울대 기계항공공학부 민경덕 교수는 미래형 자동차 개발의 중요한 한 축을 이끌어 가고 있다.

지금까지 시도된 적이 없었기에 불모지와 같은 연료전지 자동차 개발에서

부딪히는 다양한 문제점들을 실험과 시뮬레이션을 통해 해결해 나가고,

현재 사용되고 있는 자동차 엔진의 특성을 파악해 보다 개선된 엔진기술을 확보하는 등 엔진관련 전 분야를 아우르는 다양한 연구를 수행하고 있다.

세계 속 한국자동차의 위상을 높이고 있는 국내 자동차 회사들이 민 교수에게 협력의 손길을 뻗는 것은 어쩌면 당연한 현상인지도 모른다.


맑고 푸른 가을하늘을 배경으로 관악산 깊숙히 자리잡은 서울대 신공학관에 다다를 무렵 오른쪽을 바라보면 최근 완공된 5층규모의 널찍한 건물이 눈에 들어온다.

바로 ‘현대기아차 차세대 자동차 연구관’이다.


MIT와 벤츠사에서 ‘기량 연마’


산학협력의 모범적 사례로 꼽을 만한 이곳에서는 기업의 전폭적인 지원아래 차세대 자동차에 대한 연구가 한창 진행되고 있다.

이러한 차세대 자동자 개발의 중심에 서울대 기계항공공학부 민경덕 교수가 있다.

82학번인 민 교수는 서울대 기계공학과에서 학사와 석사과정을 마친 후 지난 89년 도미, 메사추세츠 공과대학(MIT)에서 엔진을 연구하며 배기가스 관련 논문으로 박사학위를 받았다.

이후 독일 다이블러 벤츠 중앙연구소와 MIT대학 연구소에서 엔진관련 연구원으로 경험을 쌓은 뒤 97년초 귀국해 모교에서 교수로 재직하고 있다.

“사실, 지금까지 국내 미래형 자동차 개발은 연료전지셀 개발 등  화공분야에 치중돼 있었습니다. 연료전지에서 나오는 에너지를 효율적으로 이용해 자동차를 운행할 수 있게 하는 운행장치 개발엔 그만큼 소홀했던 거죠.”

민 교수의 짧은 한 마디로 기계와 엔진을 전공한 그가 미래형 자동차 개발에서 어떤 부분을 담당하고 있는지 금새 깨닫게 된다.

민 교수의 연구과제 중 하나인 연료전지차는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 연료전지를 이용해 달리는 일종의 전기자동차다. 다만 기존의 전기자동차가 내부 충전배터리에 전기를 충전해 달리는 외부에너지 의존형이라면, 연료전지차?산소와 수소를 내부의 연료전지셀에 공급해 줌으로서 외부의 전기에너지에 의존하지 않고 스스로 에너지를 만들어내는 구조를 갖고 있다.

연료전지차는 전기를 만들어내는 과정에서 부산물로 ‘물’만을 배출하기 때문에 친환경 미래형 자동차로 각광받고 있다.

우리나라는 지난 88년 동력자원연구소와 한국전력 기술연구원에서 메탄올을 연료로 열과 전기를 동시에 얻을 수 있는 5kW급 연료전지를 개발한 것을 시작으로 지금까지 관련 연구소와 자동차 업체 등에서 활발한 연구가 진행되고 있다.

민 교수의 연구과제 역시 이와 무관하지 않다. 특히 연료전지 자동차에서 그간 등한시 돼 오던 연료공급장치 등의 주변 운행장치 개발이 그가 담당하고 있는 것들이다.

“현재 여러가지 연구과제들을 진행하고 있지만, 차세대 엔진관련 기술 개발과 시뮬레이션을 통한 다양한 분석 그리고 연료전지 자동차의 실용화를 위한 세부연구를 진행하고 있습니다.”


시뮬레이션으로 문제점 해결


실험과 시뮬레이션을 병행하며 엔진과 다양한 운행장치의 특성을 파악해 기존 제품을 더욱 개량하거나, 연료전지 자동차의 경우 수소를 연료로 사용하는 과정에서 일어날 수 있는 각종 문제점들을 사전에 파악해 해결하는 역할도 민 교수의 몫이다.

“연료전지차는 분명 무공해 친환경 미래형 자동차이긴 하지만, 석유 연료를 사용할 때와는 전혀다른 문제들이 나타날 수 있습니다. 예를 들어 수소와 산소를 셀에 공급하다보면 파이프 내부에 물방울이 맺히는 현상이 자주 발생합니다. 그야말로 연료전지차만의 특성인 셈인데, 이런 문제들을 해결하고 개선하는 것이 제가 하는 일 가운데 하나입니다.”

민 교수는 이러한 실험과 시뮬레이션을 통한 기존 기술의 보완 외에도 엔진 설계 단계에서 완성된 엔진의 성능을 미리 파악할 수 있는 시뮬레이션툴도 이미 개발한 바 있다.

“엔진개발에서 시뮬레이션툴은 무척 중요한 요소 가운데 하나입니다. 정교하게 잘 만들어진 시뮬레이션을 통해 설계 단계에서 예상되는 오류들을 수정하고 보다 완성도 높은 시제품을 제작하게 합니다. 즉, 시행착오를 최소화하면서 전체적인 개발기간을 상당부분 줄일 수 있게 되는 장점이 있죠.”

민 교수가 개발한 시뮬레이션툴은 이미 국내 자동차 업체의 연구소에서 그 능력을 유감없이 발휘하고 있다.

한편, 연료 입자를 다양한 크기로 낙하시켜 그 특성을 파악함으로써 연료분사시 가장 효율적인 입자의 상태를 알아내는 연구에서는 무엇보다 민 교수의 아이디어로 직접 고안한 특수 실험장비를 통해 보다 정확하고 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있었다고 한다.


상용엔진 개량에도 ‘한 몫’


미래형 자동차 개발과 함께 기존의 엔진을 더욱 개량해 그 성능을 높이고 신뢰성을 확보하는 연구 역시 민 교수가 몰두하고 있는 연구분야다.

이 중 대표적인 것이 바로 VVL(Variable Valve Lift - 가변 밸브 리프트)엔진이다. 현재 국내 자동차에 쓰이고 있는 VVT(Variable Valve Timing - 가변 밸브 타이밍)엔진은 자동차 엔진에 연료를 공급하는 밸브 개폐시기를 운행상황에 맞게 유동적으로 조절할 수 있어, 저속과 고속운전 모두에서 최적의 엔진효율을 갖도록 돼 있다.

이처럼 VVT엔진이 연료를 공급하는 밸브의 개폐시기를 조절해 엔진효율을 높여주는 것이라면 VVL엔진은 이 밸브를 열어주는 리프트의 움직임을 제어해 밸브의 개폐 정도를 조절, 한 차원 높은 엔진성능을 끌어내는 데 초점이 맞춰져 있다.

민 교수의 이러한 왕성한 연구활동은 세계 유수의 SCI 저널에 20회 가까이 논문이 개제되면서 결실을 맺기도 했다.

한편 민 교수는 국내 한 자동차 업체의 전폭적인 지원으로 최근 완공돼 다양한 자동차 기술 연구가 이뤄지고 있는 차세대 자동차 연구관에 대한 자부심이 대단하다.

“연구관의 시설과 각종 실험장비들은 대부분 해당 업체로부터 기증받은 것들로써 전세계 어디에 내놔도 손색이 없는 최고의 실험시설이라고 생각합니다. 특히 엔진 등을 실제로 작동해 실험하는 공간은 특수 설계한 건물구조로 독립돼 있어 실험시 발생하는 진동과 소음, 매연 등이 차단 배출되도록 해 항상 쾌적한 환경에서 연구를 수행할 수 있습니다.”

이러한 첨단 실험실에서 진행되고 있는 연구 중 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진 개발은 민 교수가 은근히 신경을 쓰는 과제다.


배기가스 저감기술에 몰두


HCCI란 연료를 고압으로 압축해 연소가 이뤄지는 디젤엔진에서, 연료를 미리 공기와 잘 혼합해 엔진에서 연소가 이뤄지게 함으로써 연료효율과 엔진성능을 높이는 차세대 기술이다.

엔진 연소시 배출되는 배기가스의 농도를 줄이는 등 관련 연구를 통해 박사학위를 받은 민 교수이니만치 이와 연관된 HCCI엔진 개발에 신경이 쓰이는 건 어쩌면 당연한 결과인지 모른다.

“미래형 자동차를 개발하는 것 만큼이나 미래형 자동차가 개발되기 전까지 기존의 기술을 더욱 보완해 보다 공해가 적고 연료효율이 높은 엔진을 개발하는 것 역시 중요하다고 생각합니다. 무공해 자동차가 당장 실용화 된다면야 좋겠지만, 모든 기술개발이 끝나고 상용화가 이뤄져 소비자의 손에 제품이 넘겨지기 전까지는 현재 사용하는 자동차에 대한 개량을 게을리 해선 안되겠죠. 더군다나 지금 개발된 기술이 미래현 자동차 개발에 밑거름이 될 수도 있으니까요.”

배기가스를 줄이고 효율을 높이는 건 디젤엔진만의 이야기가 아니다. 가솔린 엔진을 마치 디젤엔진처럼 압축해 연소시키는 CAI(Controlled Auto-Ignition) 엔진 역시 그런 맥락에서 조만간 민 교수가 추진할 연구과제 가운데 하나다.

학부에서 기계를 전공한 후 다양한 전문분야로 진출할 수 있는 상황에서 독한 석유냄새와 기름때를 안고 살아야 하는 ‘엔진’분야을 선택한 이유를 묻자, 민 교수는 오묘한 미소를 지어보이며 담담하게 말한다.

“엔진이 좋으니까요.”

당분간 엔진 분야에서 그의 열정을 따라갈 사람은 없을 것 같다.




민 경 덕


·現 서울대 기계항공공학부 부교수

·서울대 기계공학과 졸업

·서울대 기계공학과 석사

·MIT 공학박사

·독일 다이믈러 벤츠 중앙연구소

·MIT Sloan Automotive 연구소

·KAIST 책임연구원


 - 노진수기자 

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