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서울공대 이야기

바다에 새긴 21세기 인류의 꿈

2004.06.22 11:27

lee496 조회 수:5805

 

조선해양공학 - 바다에 새긴 21세기 인류의 꿈

 

                                                                                                        조선호/ 조선해양공학과 교수

21세기 인류의 꿈이 펼쳐질 마지막 무대, 바다. 이 무대를 지휘하는 연출가가 바로 조선해양공학이다. 각종 선박 개발은 물론 시추선이나 해양개발장비 등의 해양구조물 설계와 해양리조트의 개발 등 그곳이 바다라면 조선해양공학이 손대지 않는 곳은 없다. 조선해양공학이 이룩한 성과와 앞으로의 비전을 살펴보자.

TV나 각종 미디어를 통해 수많은 컨테이너를 가득 실은 컨테이너선이나 원유를 운반하는 유조선의 모습을 본 적이 있을 것이다. 또한 이라크 전에서 미국의 항공모함이나 각종 구축함이 바다에 떠서 미사일을 쏘아 올리거나 전투기를 싣고 가는 모습을 한번쯤은 본 적이 있을 것이다.


강철을 물 위에 띄우려면


 이런 선박이나 함정들의 크기는 과연 얼마나 될까. 일반적으로 9천TEU(1 TEU는 컨테이너 1대 분량의 화물) 컨테이너선의 경우, 그 길이가 무려 3백m가 넘는다. 여의도 63빌딩의 높이가 2백49m임을 생각해 보면, 일반 상선의 규모는 지상의 거대한 빌딩보다 더 크다는 점을 알 수 있다. 또한 10만t급 항공모함은 그 길이가 2백m 정도이므로 웬만한 건물의 2-3배의 규모를 갖고 있다. 이런 선박을 구성하는 재료로 옛날에는 물보다 비중이 낮은 목재를 사용했으나, 요즘은 물보다 비중이 무거운 강철을 사용한다.


그렇다면 이렇게 거대하고 무거운 구조물이 어떻게 바다 위에 뜰 수 있으며 운항할 수 있는 것일까. 선박이 물위에 뜨는 원리를 한마디로 얘기하면 ‘아르키메데스의 원리’(부력의 원리)에 의해서다. 즉 물 속에서 선박이 차지하는 부피에 해당하는 바닷물의 무게가 중력과 반대 방향의 부력으로 작용하기 때문이다.


강철로 만든 선박의 무게가 물에 잠기는 선박의 부피에 해당하는 해수 무게보다 가볍다면 그 선박은 물에 뜨게 된다. 선박이 무거워질수록 해수 속으로 가라앉지만 또한 그만큼 물 속에 가라앉는 부피가 증가하기 때문에 부력도 증가하게 된다. 선박의 중량과 부력이 평형을 이룰 때까지 아래로 가라앉게 된다. 바로 이것이 물보다 무거운 재질로 구성된 선박이 물 위에 뜨는 원리인 것이다. 잠수함의 경우에는 이런 부력을 함정 내부에서 조절함으로써 수중 또는 수상 운항을 할 수 있다. 이 모든 것을 고려해 강철을 물 위에 띄우는 사람들이 조선해양공학자들이다.


육상 교통수단과는 달리 선박은 중량이 엄격하게 제한되며 이는 운항 안전과 직결된다. 조선해양공학자들은 구조적 안전 범위 내에서 선체 자체의 중량을 최소화하는 노력을 하고 있으며 이를 통해 좀더 많은 승객이나 화물을 실을 수 있게 된다. 이를 위해서는 실제 선박을 건조하기 전에 공학자의 직관이나 경험보다는 수학적 모델을 만들어 컴퓨터 모의실험을 통해 구조적 안전, 중량, 성능 등을 확인해야 한다.


물 위에 떠 있는 선박은 움직임을 방해하는 갖가지 저항을 이기며 운항한다. 비행기가 공기라는 유체 속에서 프로펠러를 이용해 날아다니듯, 선박도 물이라는 유체에서 프로펠러를 이용해 추진력을 얻어 운항한다.


선박의 빠른 운항을 방해하는 저항에는 유체의 점성에 의한 점성저항과 선박이 운항하면서 생기는 파도에 의한 조파저항, 그리고 바람과 조류의 저항 등이 있다. 이런 종류의 저항을 충분히 이길 수 있는 추진력이 있어야 선박이 움직일 수 있다.


거대한 구조물인 선박을 움직이기 위해서는 추진력의 증대와 더불어 저항을 줄일 수 있는 선박의 형상 또한 중요하다. 이 때문에 선박은 각진 모양이 아니고 앞뒤가 복잡한 곡면으로 된 형상을 갖고 있다. 실험 및 시험 운항 이전에 수학적 모델에 의한 컴퓨터 모의실험을 통해 성능평가를 수행하면 단기간에 최적의 선체 및 프로펠러 형상을 얻을 수 있다.


21세기 개척자들의 꿈의 무대


 조선해양공학은 선박을 포함해 해양에서 발생하는 모든 공학적인 문제를 다루는 학문이다. 다시 말해서 역동적인 해양환경에 순응할뿐 아니라 이를 적극적으로 극복해 인류 생활을 윤택하게 하는 선박이나 해양구조물을 설계하고 개발하는데 필요한 모든 과학과 기술적인 문제를 공학적으로 다루는 학문이다. 따라서 조선해양공학의 특징은 변화무쌍한 해양에서 자연에 순응해 바다로 향한 인류의 꿈을 펼칠 수 있는 역동성과 거대함에 있다. 바다를 다스려 인류의 장래를 윤택하게 가꾸어갈 21세기의 개척자들이 꿈을 키우기에 적합한 곳이 바로 조선해양공학과이다.


그러나 조선해양공학이라 하면 아주 예전부터 있어온 전통적 굴뚝 산업으로 인식돼 첨단과는 거리가 먼 산업으로 생각하기 쉽다. 더불어 세계 조선해양 산업계에서 우리나라의 위상을 제대로 파악하는 사람은 그다지 많지 않다. 하지만 우리나라의 조선산업은 1970년대 초에 본격적으로 세계 시장에 진출해 짧은 기간에 세계 1위 조선국으로 도약했다. 조선산업은 국가 기간산업이며 단일 품목으로는 1991년 이후 꾸준히 수출 순위 4위를 유지하고 있는 수출 주력산업이다.


신조선 수주량과 선박 건조량에 있어서 각각 1999년과 2000년 이래 우리의 조선해양 산업은 세계적으로 1위 자리를 지켜오고 있다. 이와 더불어 우리나라는 삼면이 바다라는 점과 세계적인 경제 발전에 따라 물동량이 엄청나게 증가하고 있다는 점 그리고 지상 부존자원이 점점 고갈되고 있다는 점이 조선해양공학이 주목받는 이유로 대두되고 있다. 이런 시점에서 세계적인 해양 국가로 발돋움하기에 최상의 조건을 갖고 있는 조선해양 분야는 조선해양공학 문제의 복잡성 및 첨단성 그리고 산업 전반에 대한 종합성 및 파급성을 생각할 때 올바르게 인식돼야 할 부분이 많다.


첨단 기술 총동원된 종합 산업


 조선공학 분야는 그 동안 단순히 중공업이라는 개념으로 분류돼 왔다. 그러나 최근 선박이 점차 초대형화, 고속화 돼가고 있고, 1만TEU 이상의 대형 컨테이너선은 기존의 한개의 프로펠러를 갖는 단축 시스템에서 쌍축 시스템으로 전환해 대형 선박의 고속화 경향을 만족시키고 있다. 또한 에너지 절약장치의 개발과 같은 에너지 분야 기술의 수요가 증가하고 있다. 최근 선박 생산분야에서는 자동화의 요구가 증가하고 있기 때문에 전산화 기술이 많이 요구 되고 있으며 자동운항시스템의 개발 등 정보통신기술(IT)과의 연계도 빼 놓을 수 없는 분야이다. 이들 모두가 조선공업의 첨단화라 할 수 있다.


선박의 설계에서 시작해 유체역학적 해석, 구조 해석 등은 전산 해석기술 없이는 거의 불가능하게 됐다. 뿐만 아니라 가상의 해양 환경을 운항하는 선박의 컴퓨터 모의실험을 통한 선박 운항 훈련 등은 현재 선박관련 연구소 등지에서 활발히 연구되고 있다. 즉 선박의 설계에서부터 구조 해석, 건조, 항해에 이르기까지 조선공업의 첨단정보화를 여실히 보여주고 있는 것이다.


조선공업은 다른 산업과 긴밀히 연계돼 있어 파급효과가 큰 종합 산업이다. 선박의 건조에 필요한 각종 기자재는 우리나라 수출 주력 품목 중 하나인 자동차보다 훨씬 다양하고 많으며 철강 및 대형 엔진, 핵심 의장재 등에 대한 국산화율도 매우 높은 상태다. 또한 선박의 건조는 수많은 인력을 필요로 하는 노동 집약적 산업이기 때문에 우리나라 경제 전반에 막대한 영향을 미치고 있는 종합 산업이라고 할 수 있다.


초전도 전자추진선에서 해상호텔까지


 급증하고 있는 국가간의 교역 물동량을 수송하기 위해 21세기에도 선박 건조가 증가하고 선박 기술이 빠르게 발달할 것이다. 조선산업에서는 기존 선박의 고속화와 경량화, 대형화, 지능화, 전문화가 계속될 것이며 경제성장으로 인한 여가 활용을 위한 초호화 유람선 및 레저용 선박 산업이 새롭게 성장할 것이다. 또한 해양산업에서는 해양자원 개발, 해양공간 이용, 해양에너지 이용 등이 큰 잠재력으로 인류에게 희망을 주는 산업으로 빠르게 성장해 갈 것으로 예상된다.


21세기에는 인터넷, 통신 등의 영향으로 제품을 보다 빨리 이동시키려는 요구가 커져 선박의 고속화가 급진적으로 진행될 것이다. 선박의 고속화 기술의 핵심은 적은 동력으로 요구되는 속력을 얻을 수 있도록 선박의 중량을 지지하는 힘, 즉 부력, 양력, 공기압력을 적절히 조화시켜 저항을 최소화하는 복합 지지형 선형기술에 달려있다. 또한 선박의 고속화를 위해 초전도 전자추진선 등이 실현될 수 있을 것으로 예상되며 고속에서 효율적인 추진 시스템으로서 물제트 추진장치, 전기추진방식, 가스터빈 등이 사용될 수 있다.


1970년대 초 개발돼 30만t의 원유를 운반하던 유조선은 지속적인 기술개발로 현재는 선체 중량이 25% 정도가 경량화된 상태다. 선박의 대형화가 가장 급진적으로 진행되는 것은 컨테이너선으로 이미 1만2천TEU급까지 개발이 완료됐으며 지금은 2만TEU급이 개발되고 있다. 또한 현재 해상에서만 이뤄지는 항해, 운전 상황들이 2010년경부터는 육상 기지로부터 통제, 제어가 가능한 수준으로 지능화할 수 있을 것으로 예상되며 액화천연가스 및 액화석유가스 (LNG/LPG) 운반선, 초호화 여객선 등으로 전문화, 고부가가치화될 것이다.


해양자원 중 가장 많은 비중을 차지하는 해양 석유자원을 적극적으로 활용하기 위해 해양구조물의 설치해역이 점차 심해역으로 옮겨가고 있다. 이에 따라 새로운 개념의 구조물에 대한 요구가 높아지고 있다. 기존의 고정식 구조물의 경우에는 심해역으로 갈수록 구조물의 자체 하중이 커지게 돼 일정 수심보다 깊어지면 고정식 구조물의 경제적 유용성이 한계에 이른다. 따라서 해양플랜트 개발은 단순히 해저 깊은 곳에 고정시키던 장비와 기술 개발에서 벗어나 물 위에 띄울 수 있는 대형 부유 생산 시스템과 부유체 등으로 확대 발전하고 있다.


한편 해양공간의 이용형태를 보면 매립에 의한 도심부 과밀해소, 소음공해 해결을 위한 해상 공항, 어업생산 기지로서의 해양 목장, 그리고 각종 레저 장소로서의 공간 등을 들 수 있다. 구체적으로 해양 리조트 단지를 비롯해 관광 잠수정, 해중 전망탑, 해중 호텔 등을 비롯한 해중 공원이 이미 현실 속에 등장하고 있고 미국, 일본 등지에서는 메가플롯, 아쿠아폴리스, 마리노폴리스 등으로 불리는 대형 해상 복합도시가 개발되고 있다.


심해저에는 희소 금속이 다량 매장돼 있으며 이런 심해저 자원개발을 위해 정밀 해저 탐사 기술을 위한 잠수정(AUV, ROV)의 개발과 광물의 채취와 운반을 위한 전용 선박의 건조가 필요할 것이다. 또한 해양은 조석, 파랑, 해류, 해수의 온도차 등으로 막대한 양의 위치, 운동, 열 에너지를 갖고 있다. 이는 해류의 규칙적인 운동 에너지를 이용하는 해류 발전과 조수간만의 수위차인 위치 에너지를 이용하는 조석 발전, 파랑의 움직임을 이용한 파력 발전, 해수의 표면과 저층간의 수온 차이를 이용한 온도차 발전 등 다양한 방법으로 세계 여러나라에서 시험 또는 실제 가동되고 있다.


그 외에도 경제성장으로 인한 여가의 활용이 증대됨에 따라 초호화 유람선 및 레저용 선박 산업이 새롭게 성장할 것이다. 최근 경제 인구가 늘어나면서 관광과 유람을 함께 즐기려는 이용객이 계속 증가하는 추세다. 세계 유람선 관광 인구는 2000년 약 8백만명에서 2010년에는 1천4백만명으로 연간 약 17% 이상 증가할 것으로 전망된다. 국민 생활의 질적 향상과 소득이 증가하면 여가 활동 및 레저에 대한 욕구가 높아지고 레저 비용의 지출도 많아지며 질적 향상도 도모하게 된다. 선진국의 전례로 볼 때 국민소득 1만5천불 이상이 되면 육상 레저에서 해양 레저로 관심이 옮겨가며 주 5일 근무에 따른 주말 여가의 패러다임이 변화할 때 모터보트, 요트, 제트스키 등과 같은 해양 레저가 활성화됐다.


수학과 물리는 기본 진취적 마인드는 필수


 우리나라가 세계 수위권의 조선해양 산업국으로 기반을 굳히고 있는 현 시점에서 조선해양공학과는 조선해양산업계에 참신한 기술인력을 공급하는 동시에 첨단의 연구활동을 지원하는 역할을 하고 있다. 조선해양공학은 선박 및 해양구조물의 설계와 건조는 물론 해상에서의 거동 등을 포괄적으로 다루는 학문이므로 기초과학을 토대로 많은 분야의 지식을 함께 요하는 응용과학이다.


해양조선공학과의 교육은 크게 기본역학 교육과정, 기본 및 전문 조선해양공학 교육과정의 3단계로 이뤄지고 있다. 기본역학은 기초과학과 응용과학의 교량 역할을 해 후일 새로운 기술 습득과 학문연구를 위한 기초적인 능력을 배양시켜준다. 기본 조선해양공학 교육과정을 통해서는 선박 및 해양구조물의 구조 및 설계인자들을 이해하게 되며, 전문 조선해양공학 과정에서는 조선해양공학 분야의 여러 문제들을 구체적으로 계산하며 설계하고 또한 성능을 분석·평가할 수 있는 능력을 배양하게 된다.


조선해양공학은 수학, 물리를 기초로 한 역학 분야 및 컴퓨터 소프트웨어 개발 등에 적성이 있고, 과학적인 사고 능력이 있는 학생을 필요로 한다. 공학은 비록 응용과학이지만, 기초 과학을 토대로 실제 생활에의 응용을 목표로 하기 때문에 공학의 접근 방법도 기초 과학과 같이 기본 원리를 기초로 한 합리적인 접근 방법을 통해 문제의 해를 구하는 과학적인 사고 방법이 요구되는 분야다. 무엇보다도 가장 중요한 점은 우리나라가 세계 수위의 조선산업을 이끌어 가고 있는 만큼 강한 자부심을 갖고 있어야 하며 창의적인 사고와 뛰어난 개척 정신이 필요한 분야다.


조선해양공학과의 학사 과정을 졸업한 학생들의 진로를 분석해 보면, 대학원에 진학해 고급 기술인력으로 성장하거나 국내 대형 및 중소형 조선회사, 조선해양 관련 연구소, 해군 기술 장교 등으로 진출하게 된다. 주로 기술 개발과 관련된 일을 하게 되지만 조선회사로 진출한 경우는 뛰어난 어학 실력과 마케팅 능력을 갖추고 있으면 축적된 전문 조선해양기술을 기반으로 해외수주와 관련된 기술영업 분야에서도 일을 할 수 있다. 조선해양공학과의 석사 과정을 졸업한 학생들에게는 박사 과정 또는 국외 대학원으로 진출할 수 있는 길이 열려 있으며 박사 과정을 졸업한 학생에게는 학계와 산업계, 국내외 연구소, 해외 박사 후 과정 등 여러가지 진로가 있다.

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