열역학과 엔지니어 제품 개발

열역학과 엔지니어가 제품 개발하는 것과 어떤 관련이 있을까요? 정확히는 엔지니어가 열역학을 이용해서 제품 개발하는 과정에 대해서 말해보겠습니다. 제품 개발을 하면서 구체적으로 열역학이란 단어를 언급하지는 않습니다. 다만 제품 개발 과정 중에 열 관련 문제가 발생했을 경우 엔지니어의 열역학 관련이 필요할 수 있습니다. 말씀드리는 내용이 일반적이지 않을 수 있습니다. 다만 이런 방식으로 열 관련 제품을 개발할 수 있다는 것을 참고하시면 될 것 같습니다. 최근에 만들어지는 대다수 제품들은 열 관련 문제가 있을 수 있습니다. 왜냐하면 전기 에너지를 동작에 필요하는 에너지 소스로 사용하기 때문입니다. 전기 에너지를 사용한다는 것 자체가 열 관련 문제를 야기하는 것은 아닙니다. 다만 받은 전기 에너지를 사용하는 것이 아니기 때문이죠. 정확히는 전기 에너지를 다른 형태의 에너지로 전환합니다. 열역학 제1법칙 에너지 보존의 법칙을 아신다면 이해가 좀 쉬울 수 있습니다. 에너지의 총량은 같습니다. 다만 에너지가 변환할 때 손실이 발생하게 됩니다. 그 의미는 변환된 에너지와 손실된 에너지를 합치면 초기의 에너지와 같다는 의미입니다. 그렇다면 손실된 에너지는 어떻게 되는 걸까요? 대부분은 열의 형태로 나타납니다. 그 열은 의도하지 않았던 것입니다. 따라서 제품에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. 원치 않은 동작을 하거나 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 제품 개발에서 이러한 영향을 최소로 해야 합니다. 엔지니어는 완전한 답을 찾는 일이 아닙니다. 여러 가지 요소를 고려해서 80퍼센트의 답을 선택할 때도 있습니다. 혹은 70퍼센트의 답을 선택할 수도 있습니다. 열 관련 문제를 예로 들자면 열을 발생시키지 않는 것이 완전한 답일 수 있습니다. 하지만 이러한 답에 도달하기 위해서는 많은 것을 희생해야 합니다. 오직 이 한 문제를 위해 과도한 재료비가 들 수도 있고 필요 없는 구조가 적용될 수도 있고 제품의 크기가 과도하게 커질 수도 있습니다. 그렇다면 이때 엔지니어가 선택할 수 있는 합리적인 답은 무엇일까요? 바로 성능에 문제가 없는 수준의 열은 허용한다는 것입니다. 즉 발열은 어쩔 수 없는 현상이니 허용한다. 다만 발열로 인해 제품 온도가 올라가는데 그 온도가 성능에 문제만 주지 않게 하자. 이런 의미인 것이죠. 이렇게 하기 위해서는 먼저 파악해야 하는 것이 있습니다. 바로 어떤 온도가 성능에 문제가 되는지 설정하는 것입니다. 아마도 대기업이나 역사가 오래된 회사라면 개발하는 제품에 노하우가 많이 쌓여 있습니다. 그럴 경우 선배들이 쌓아 놓은 지식이 있어 그 지식을 이용하면 됩니다. ‘이 제품은 이 온도 이상으로 올라가지 않으면 된다’ 라고 알려줄 겁니다. 그렇다면 제품 개발 과정에서 그 온도 아래로 유지하게 설계를 하시면 됩니다. 스타트업이나 기존에 없던 제품이라면 이야기가 달라집니다. 이럴 경우에는 시제품을 만든 후에 테스트를 통해서 온도가 얼마까지 올라가는지 파악해야 될 수도 있습니다. 그런 후에 그 온도에서 성능 저하가 있는지 없는지를 확인해야 합니다. 성능 저하가 없다면 다행입니다. 그러나 성능에 문제가 있다면 온도를 낮출 방법을 찾아야 합니다. 그 방법을 찾아 적용해서 온도가 떨어지는 것을 확인합니다. 떨어진 온도에서 문제가 없는지를 다시 확인해야 합니다. 이런 과정을 거쳐야 합니다. 규모가 제법 있고 제품 개발을 꽤 오랜 기간동안 진행한 회사라면 내부 프로세스를 따를 것입니다. 그런 프로세스 한 가지를 말씀드리겠습니다. 기구개발자가 제품 설계를 진행합니다. 어느 정도 대략의 설계가 완료되었다면 CAE 엔지니어에게 요청을 합니다. 발열로 인한 성능 저하가 있는지 파악하고 싶다. 정확히는 성능 저하를 확인할 수 없습니다. 포화 온도가 몇 도인지를 문의합니다. 이것이 정확한 문의입니다. CAE 엔지니어에게 설계를 이 정도까지 진행했다. 이 상태에서 포화 온도를 알고 싶다. 이렇게 말하면 회사의 CAE 엔지니어가 시뮬레이션을 시작합니다. 회사 내부에 축적된 데이터로 무한의 시간으로 동작을 시켜 포화되는 온도를 찾아줍니다. 성능 저하가 발생하지 않는 온도 범위로 결과값이 나온다면 아주 행복할 것입니다. 그러나 시뮬레이션 결과가 성능 저하를 줄 수 있는 값으로 나올 수도 있습니다. 이럴 때는 설계를 변경해야 합니다. 변경된 설계로 다시 의뢰를 합니다. 그러면 CAE 엔지니어는 다시 시뮬레이션을 합니다. 이 과정을 반복합니다. 그러나 이 과정은 시뮬레이션일 뿐입니다. 중요한 것은 제품에서 다시 측정을 해봐야합니다. 시제품을 만든 후에 실제 온도 측정을 합니다. 그래서 결과값이 시뮬레이션과 유사하게 나온다면 아주 좋습니다. 하지만 회사 내 데이터가 충분하지 않아서 시뮬레이션 값과 실제 결과가 다를 수 있습니다. 이럴 때는 차이가 나는 이유를 확인해야 합니다. 그래야 다음 번 시뮬레이션에서 정확한 값을 확인할 수 있습니다. 이런 단계까지 검증을 하면 큰 문제는 없습니다. 다만 제품 개발 과정 중에 문제가 발생할 경우는 이야기가 달라집니다. 사실 제품 개발 과정 중에는 수많은 문제가 발생합니다. 그 문제를 하나씩 정리하면서 양산까지 가게 됩니다. 발생한 문제가 열과 관련된 문제이고 제품의 온도를 낮춰야 한다면 추가적인 고민을 해야 합니다. 사실 제품 온도를 낮추는 것 자체는 그리 어렵지 않습니다. 문제는 비용을 최소화하면서 온도를 낮추는 것이 어렵습니다. 제품이라는 것이 비용을 최대한 절감해야 경쟁력이 있습니다. 그래야 타사 제품보다 경쟁력이 있어서 시장에서 승리할 수 있습니다. 따라서 제품 온도를 낮추기 위해 무조건 돈을 쓸 수는 없습니다. 최소한의 돈을 쓰면서 성능에 문제없게 만들어야 하는 것이죠. 어떻게 보면 지루할 수 있는 이런 일련의 과정을 거친 후에 소비자가 보는 제품이 탄생하게 됩니다.