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Journal of the KSME

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3저널(12월호).ok 2013.12.6 1:17 PM 페이지33 DK 그림 2 2012 IMEES에 참가한 주요 관계자 그림 3 2012 IMEES에서 강연하는 필자 대회는 2012년 12월 11일부터 12일까지 북경에서 개최 지식이 실제 산업 문제에 적용해야 한다는 의견이 29%, 되었고 학술대회 명에서 알 수 있듯이 초청논문 형식으 깊은 이론적인 이해를 유지해야 한다는 의견이 20%, 창 로 진행되었다. 주제는 Education System Design 의력과 혁신을 격려해야 한다는 의견이 19%, 팀워크 개 Focused on Students Competence, Evaluation 발이 15% 등이었다. 이것은 Problem-based learning접 Process of Students Outcomes, Measures and 근, 설계와 제작 연습, 개인과 그룹 프로젝트, 산업과 대 Pathways to Promote Students Engineering Ability, 학 사이의 긴밀한 협력, 산업체가 이끄는 프로젝트 등 Measures and Pathways to Promote Students 으로 해결될 수 있다고 생각하고 있다. Evaluation Innovation Ability의 4개의 대 주제로 진행되었다. 초청 Process of Students Outcomes의 분야에는 미국 Rose- 연사는 한국을 포함하여 미국, 영국, 캐나다, 중국의 교 Hulman Institute of Technology 대학의 Patrica Brackin 수와 회사 임원들이었다. 그림 2는 미국기계학회 회장, 교수가 Using IDEALS to demonstrate a program s 영국기계학회 회장 등 주요 초청 연사와 찍은 사진이고 development of professional skills의 제목으로, 영국 그림 3은 본인이 발표하는 사진이다. 이 학술대회는 영 Bath 대 교수인 Steve Culley가 The Design Continum: 어와 중국어로 동시 통역되었고 중국CCTV에 40분 간 Building Engineering Design Competence의 제목으로 소개되는 비중 있는 학술대회이었다. 발표하였다. Measures and Pathways to Promote 각 주제에 주요발표자로 Education System Design Students Engineering Ability의 분야에는 영국의 Rolls- Focused on Students Competence에는 미국 콜로라도 Royce 회사의 부사장인 Patrick Kniveton이 How we 주립대 Allan Kirkpatrick 교수가 design of outcomes- find and develop innovative engineers-an industry based mechanical engineering education programs의 view의 제목으로 회사가 원하는 인물의 견해를 발표했 제목으로 미국기계학회가 시도하고 있는 ASME Vision 고, 미 국 의 Imtiaz Haque 교 수 는 Developing 2030을 소개하였다. 영국 Coventry 대학의 Peter White engineering talent for the automotive industry: A case 교수는 Educating Engineers fit for purpose in the 21st study의 제목으로 자동차 전문 인력을 개발하기 위한 Century의 제목으로 영국의 공학교육 개혁을 위해 대학의 노력을 전달하였다. Pathways to Promote Royal Academy of Engineering에서 팀을 조직해 영국 Students Innovation Ability에서는 본인이 Mechanical 대학과 산업계의 견해를 조사하였다. 그 결과 이론적인 Engineering Education Activities in Korea의 주제로 한 2013. 12., Vol. 53, No. 12 33

3저널(12월호).ok 2013.12.6 1:17 PM 페이지34 DK 국제 기계공학교육 학술대회를 통해 본 설계 교육 발전 방향 국 기계공학 교육에 대해 소개하였고, 미국 Georgia Tec.의 교과과정 개편 내용인 Measures & pathways to promote student creativity and innovation이란 주제로 ASME의 Thomas Perry가 발표하였다. 설계 교육 및 교과과정 앞서 언급한 바와 같이 최근 설계 교과목의 중요성으 로 인해 설계 초급 단계에서부터 종합 설계 단계까지 많은 교과서가 국내외에서 발간 되고 있다. 대개 국내 의 초급 단계 설계 교과서에서는 창의력 개발에 대한 내용이 많이 다루어 지고 있고 설계 과정의 언급은 초 그림 4 설계 과정 급 설계이상에서 주로 다루고 있다. 설계 과정의 단계 는 여러 학자들에 의해 다양하게 제시되고 있으며, 작 로 기술적인 가능성 연구를 한다. 마지막으로 Phase 3 게는 개념설계와 상세설계의 2단계로부터 많게는 여러 에서는 전 학생이 그룹 설계와 산업 프로젝트를 수행한 단계를 두어 구분하고 있다. 그러나 설계 세부 영역을 다. 이를 위하여 1학년에서는 도면과 스케치 연습을 하 어떻게 나누느냐의 문제이지 그 내용의 차이는 크지 않 고 설계 요소와 원리를 가리킨다. 또한 국내 대학과 특 다고 사료된다. 설계의 시작은 고객의 요구를 수렴하는 별히 다른 것은 제작과 관련된 절삭가공, 소성가공, 조 과정부터 시작하여 개념설계 단계에서 많은 창의적인 립과 재질의 특성과 마이크로 구조물도 강의 내용에 포 아이디어의 도출 및 평가가 이루어지고 개념설계 안이 함하고 있다는 것이다. 2학년에서는 앞서 언급한 Phase 선정된다. 이 안을 토대로 구체화 설계(embodiment 2에 해당되는 프로젝트로 강의 내용은 설계, 선택, 해석 design) 혹은 예비설계(preliminary design)하에서 해석 을 종합하여 강의하며 설계 방법, 제작 고려설계, 조립 을 통하여 설계 내용이 정해지고 상세설계 단계에서 도 고려설계, 환경 고려설계 등의 DFX(Design for X)와 전 면의 제작 등이 완료된다. 이러한 설계 과정은 독일의 문적인 면도 강의 내용에 포함한다. 3학년에서는 Phase Pahl과 Beitz 등에 의한 3단계 설계 과정으로 많은 교과 3단계로 학기에 6시간으로 공학자를 위한 사업과 연결 서에서 채택된다. 그림 4는 Dym의 Engineering design 시켜 가능성 연구와 상세 설계와 상세 사업계획을 한 3판에 포함된 고객의 문제점 진술에 의한 설계 문제 정 다. 이 과정은 외국이나 산업체에서 할 수도 있다. 4학 의, Pahl과 Beitz 모델에 근거한 3단계 설계 과정, 보고 년에서는 전문가 선택이란 주제로 학기에 8시간하며 프 서, 도면, 제작 제원 등 최종 설계를 문서화하는 단계와 로젝트 계획, 가능성 연구, 제원을 정하여 상세 설계, 해 각 단계에서 하여야 되는 주요 내용을 소개하고 있다. 석, 선택을 하고 제작과 시험을 하며 산업체와 연계하 영국의 Bath 대학에서도 이러한 3단계 설계 과정을 여 한다. 교육하고 있고 전체적인 설계 교과목은 3개의 Phase로 미국 조지아 공대의 기계공학부(The George W. 나누어서 구성되고 있다. Phase 1에서는 도면과 스케치 Woodruff School of Mechanical Engineering)는 1888 연습으로 배치 및 외형 스케치를 포함한다. Phase 2에 년 10월에 시작되었고 조지아 공대에서 가장 오래되었 서는 서브 어셈블리 설계, 제품설계, 기계설계, 그룹으 으며, 미국에서 기계공학 학부 프로그램 3위, 대학원 프 34 기계저널

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3저널(12월호).ok 2013.12.6 1:18 PM 페이지47 DK (separation of variables)을 통해서 슈 터널링 현상의 개념적 도 만났을 때 반사만 하는 것이 아니라 그 뢰딩거 운동방정식은 공간부분과 시간 해와 전기장을 걸어줌으로 장벽을 통과하는 성분이 존재하는데 부분으로 분리되어 그 계산이 훨씬 간 써 에너지 장벽의 폭을 제 이를 터널링이라고 부른다. 단해질 수 있다. 또한 에너지의 고유함 어하여 터널링 확률을 높 수를 이용하여 양자우물의 경우에 일 일 수 있음을 알 수 있다. 입자를 파동으로 해석하는 양자역학 에서는 전자도 자신의 운동에너지보다 반해를 수학적으로 기술할 수 있으며, 더 높은 에너지 장벽을 만났을 때에도 이를 기반으로 양자우물(quantum 터널링의 확률이 존재하고 더 낮은 에 well), 양자선(quantum wire), 양자점(quantum dot)의 너지 장벽을 만나도 반사할 확률이 존재한다. 터널링 경우에도 그 현상들을 고유함수를 기반으로 이해할 수 확률은 에너지 장벽의 폭이 작을수록 지수함수로 증가 있다. 이는 현재 나노기술에서 흔히 이야기 되는 그래 하게 되므로 그림 2와 같이 전기장을 걸어줌으로써 그 핀, 탄소나노튜브, 나노와이어, 나노입자 등에서의 나 확률을 제어할 수 있다. 이러한 현상은 우리의 상식에 노물리현상을 슈뢰딩거 방정식에서부터 이해할 수 있 크게 위배되는 것으로 보이지만, 핵분열, 핵융합, 터널 는 기초가 된다. 링 현미경, 방사선 암치료, 탄소연대측정 등의 기본원 리가 된다. 결국 인간의 에너지원인 태양을 비롯해서 터널링 현상 밤하늘에 빛나는 별들, 원자력 에너지, 방사선 치료, 원 자 하나까지 볼 수 있는 가장 정밀한 나노 측정기술인 그림 1과 같이 높이가 변하는 레일 위에서 구슬을 떨 터널링 현미경까지 가능하게 해주는 셈이다. 뿐만 아니 어뜨리는 경우를 상상해보자. 오른쪽 장애물 A보다 높 라 열손실이 많고 부피가 큰 전자총(electron gun)을 대 은 위치에너지를 가지도록 B에서 구슬을 놓게 되면 이 체하는 고효율, 저전력의 소형 전자방출기능은 다양한 구슬은 항상 장애물을 넘어가게 된다. 반면에 오른쪽 디스플레이 및 전자현미경 등에 응용되고 있다. 장애물보다 낮은 높이인 C에서 구슬을 놓게 되면 그 구 슬은 항상 장애물 A를 넘지 못하고 다시 돌아오게 되고 스핀과 파울리의 원리 결국은 C와 A 사이를 진동하게 된다. 그러나 파동은 자 기보다 높은 에너지를 가지는 장애물(energy barrier)을 그림 1 레일 위 구슬의 운동 예 전자, 양성자, 중성자 등 기본 입자들뿐만 아니라 각 그림 2 터널링에서 파동함수의 변화 2013. 12., Vol. 53, No. 12 47

3저널(12월호).ok 2013.12.6 1:18 PM 페이지48 DK 나노물리개론 과목 소개 원자핵 등은 각 고유의 스핀을 가지는데 이는 자기 모 서로 강하게 상호작용(interaction)하는 결정구조 멘트와 유사한 상호작용을 가진다. 이러한 스핀이 정수 (crystal) 등의 고체(solid)를 이루게 되면 그 에너지 준 인 입자를 보존(Boson), 반정수인 입자를 페르미온 위가 분화(energy split)되는데 이는 같은 공명진동수를 (Fermion)이 라 고 하 는 데, 포 톤 (photon)과 포 논 가지는 동일한 두 진자(pendulum) 사이에 커플링 용수 (phonon)은 보존이고 전자(electron)는 페르미온이다. 철을 달면 2개의 동일했던 공명진동수가 다른 진동수로 보존의 경우에는 같은 상태에 무한개의 입자가 동시에 분화하는 것을 직접 유도해 봄으로써 알 수 있다. 이처 존재 가능한 반면, 페르미온은 같은 상태에 오직 한 개 럼 N개의 진자가 연결되면 N개의 다른 진동수를 가지 의 입자만 있을 수 있다는 것이 파울리의 원리이다. 이 듯이 아보가드로수만큼 매우 많은 원자가 연결된 고체 러한 전자의 성질 때문에 금속 내부의 자유 전자는 약 내에서의 전자 에너지는 매우 많은 거의 연속적인 에너 1,000km/s 정도의 매우 큰 속도로 움직이게 되어 전기 지 준위가 가능한데 이를 에너지 밴드(energy band)라 전도도나 비열과 같은 현상에 영향을 미치게 된다. 이 고 한다. 결정구조에서 전자의 에너지 밴드를 Kronig- 러한 양자현상의 응용으로는 수소핵의 스핀을 공명시 Penney 모델을 이용해서 구해보면 연속적인 에너지 밴 켜 이미징하여 의료 진단에 적용한 자기공명영상(MRI: 드 사이에 전자가 가질 수 없는 에너지 준위인 밴드갭 Magnetic Resonance Imaging)장치가 대표적이라 할 수 (band gap)을 사이에 가지게 된다. 있다. 그림 3과 같이 전자가 에너지 밴드의 끝까지 채워지 고 바로 그 위에 밴드갭이 있을 때 전자가 외부 전기장 고체 내 전자의 에너지 밴드 을 받아도 가속되기 어려우므로 부도체의 성질을 가지 게 되므로 밴드갭이 크면 절연체, 작으면 반도체라고 원자 내부의 전자 에너지 준위는 고유 성질이므로 같 통상적으로 부른다. 한편, 전자가 밴드의 중간까지만 은 종류 원자에서 양자화 되어 있는 전자의 에너지 준 채워져 있어 외부 전기장에 쉽게 가속될 때가 도체 또 위는 항상 동일하다. 이러한 동일한 종류의 원자들이 는 금속의 경우이고 이 밴드 내의 전자를 자유전자라고 부른다. 이러한 밴드와 밴드갭에서 도핑된 전자 (electron)와 홀(hole)의 현상을 이용하여 LED(Light Emitting Diode), 레이저, 센서, 태양전지, 광전소자, 열 전소자, CCD 등 여러 가지 전자 소자가 가능하다. 특히 트랜지스터는 20세기 인류에 가장 큰 영향을 미친 디바 이스 중의 하나이고, 광리소그래피를 이용한 전자산업 의 대량 생산 공정을 소개한다. 디지털 개념이 재생된 신호의 노이즈를 아날로그에 비해서 획기적으로 줄일 수 있는 기본원리도 설명한다. 그림 3 밴드를 이용한 고체 물성 개념도 48 기계저널

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3저널(12월호).ok 2013.12.6 1:18 PM 페이지52 DK 기계공학의 의공학교육 이 궁극적으로 사회, 산업 발전에 기여하는 핵심 학문 으로 자리매김하는 것에 도움이 될 것이다. 한국과학기술원 기계공학과 내 의공학 교육 커리큘럼 앞으로 대학원 진로 및 전공선택을 해야 하는 학부생 뿐 아니라, 이미 융합연구에 관심을 갖고 연구를 하는 석박사 학생들을 위해서도 융합분야에 대한 열린 교육 이 필요하다. 대학은 좀더 적극적으로 의공학 연구의 산업적, 사회적 수요를 반영하는 테마를 파악하고 이를 그림 3 기계공학이 의학기술에 기여할 수 있는 분야 반영하는 커리큘럼 개발에 힘쓰는 것이 바람직 할 것으 로 보인다. 예를 들면 인공고관절 및 재활치료 관련 의 기장, 초음파 등)들이 해당 조직 세포의 생장, 사멸, 분 료산업의 수요에 대응하여 학부 과정부터 기초적인 생 화 등에 미치는 영향에 대해 이해하고 가장 인간 친화 체에 대한 인식을 심어주고 생체구조의 이해를 돕는 수 적인 기술을 개발하기 위해서는 세포 수준의 반응에 대 업의 개설이 매우 중요할 것이다. 또한 치료 및 분석을 한 이해가 필요하다. 이 강의는 먼저 세포생물학의 기 목적으로 하는 다양한 의료 기기 개발 기술을 연구하는 초적인 지식을 소개하고 세포의 물리적 특성(물성치 학생이나 재활기술, 생체모사기술, 인간-기계 간 인터 (Cellular Stiffness)과 바닥면과의 견인력(Traction 페이스(Human-Machine Interface) 기술을 연구하는 학 Force)) 등에 대해 다루는 세포역학(Cell Mechanics)과 생들에게 인체의 생리에 대한 기초 지식을 가르치는 것 세포가 처한 여러 물리적 환경에 대한 세포의 반응을 은 매우 중요하다. 이에 본교의 기계공학과에서는 인체 다루는 메케노바이올로지(Cellular Mechanobiology) 생리학(Human Physiology) 교과서를 기반으로 기계공 분야의 연구를 소개한다. 이 강의에서는 앞서 언급한 학과 학생들을 위한 인체의 구조와 거동(Structure and 두 세부 분야의 최근 연구 동향을 소개하고 이러한 연 Function of Human Body)이라는 과목이 개설되었다. 구들이 실제 질병의 진단 및 치료 그리고 기기개발에의 이 수업은 생리학을 세포(Cellular Physiology), 신경 기반기술로 어떻게 활용될 수 있는지에 대한 학습을 통 (Neural Physiology), 감각(Sensory Physiology), 근골격 해 기계공학도로서 미래에 기여할 수 있는 전혀 다른 계 (MusculoskeletalPhysiology), 심 장 혈 관 계 새로운 연구분야에 대해 과감히 소개하는 기회가 되고 (Cardiovascular Physiology) 생리학 등으로 구분하여 있다. 기초적인 지식을 가르치고 각각의 파트에 적합한 공학 이 밖에도 그림 3에 요약된 바와 같이 기계공학 학문 및 의공학 분야에의 적용사례를 들어 강의하여 공학과 은진단기술, 진단장비, 물리치료기술, 약물전달기술, 수 생명과학이라는 두 학문간 진입장벽을 낮추는 데 크게 술로봇을 비롯하여 의사들을 교육하는 의료시뮬레이션 기여하고 있다. 기술의 개발에 이르기 까지 진료, 치료, 수술에 등 의료 또한 예로, 세포역학개론 강의가 있다. 기계기반 기 의 전 분야에 걸쳐 다양하게 기여할 수 있다. 좀더 효율 술의 진단, 수술, 치료에의 적용 과정에서 파생되는 여 적이고 합리적인 융합 기술의 개발을 위해서는 단순히 러가지 물리적인 자극원(압축력, 인장력, 열, 전기장, 자 여러 다른 분야의 전문가와 협력을 하는 독립적인 협엽 52 기계저널

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