너무 지나친 경량화?

“경량화”는 기계 설계 분야에서 관심이 집중되고 있는 주제입니다. 간단히 말해 경량화란 유한 소자 설계(FEA) 등 다양한 CAD/CAE 도구를 사용해 설계를 모델링 및 시뮬레이션한 후 재료를 선별적으로 제거하거나 얇게 만들고, 다시 시뮬레이션을 실행하고, 설계가 여전히 실행 가능한지 확인하는 것입니다. 재료를 최소화하여 크기와 무게를 줄이면서 생산을 간소화하고 원재료 비용을 줄이는 것이 목표입니다.

좀 더 쉽게 설명하자면 기본적으로 재료를 자를 때 사용할 수 있는 한도 내에서 최대한 자르는 것입니다. 원론적으로 이는 좋은 방법입니다. 거의 모든 프로젝트에서 가장 우선시되는 것은 결국 무게와 비용을 줄이는 것이기 때문입니다.

이처럼 강력한 시뮬레이션 및 모델링 도구가 개발되기 전 “사정이 나빴던 시절”에는 설계자가 "만약을 위한" 여백을 약간 두거나 심지어 추가하기까지 했습니다. 설계자는 분석, 판단, 경험을 종합하여 이 추가 여백이 필요한 부분을 파악했습니다. 그런데 이제는 그러한 시뮬레이션 및 모델링 도구를 통해 확인이 가능하기 때문에 안전 여백을 최소화해야 하는 부담이 발생하고 있습니다.

하지만 정말 괜찮을까요? 모든 엔지니어는 어떤 시뮬레이션이든 모델이나 다름없고, 모든 모델에는 가정 및 단순화가 내포되어 있다는 것을 알고 있습니다. 이러한 사실은 Digital Engineering의 FEA 전문가 겸 강사인 Tony Abbey가 쓴 “FEA 데모 및 벤치마크”라는 최근 기사를 통해 분명히 알 수 있습니다.

이 기사는 구체적인 예를 통해 다수의 FEA 구성에 널리 사용되는 일부 표준 배열에서 구축 및 분석이 용이하도록 "사소한 것"을 단순화하지만 이로 인해 분석의 유효성이 큰 영향을 받게 됨을 보여줍니다.

물론 이러한 단점에 취약한 것이 기계 설계만은 아닙니다. 조인트, 브라켓 또는 부재의 장애에 비해 겉으로 드러나는 정도가 덜할 뿐 전자 설계 역시 동일한 문제점을 안고 있습니다. 모델이 어떻게든 기생을 충실하게 포함한다고 하더라도 이 기생에 어떤 값을 할당할 수 있을까요? 이 값은 시간이 지나고 온도가 변화하면서 달라질까요? 정상적인 재료 및 제조의 변동으로 인해 공칭에서 얼마나 편차가 발생할까요? 이 설계에 대해 적절한 Monte Carlo 시뮬레이션을 고안한다 해도 이를 가능한 모든 변동에 대해 실행하는 것은 거의 불가능합니다.

그림 1: 불가피한 저항기 방출로 인해 온도가 올라가면 실제 저항이 공칭 값에서 변이합니다. 이 그래프에서는 저항기 방출이 정격 전력 레벨에 근접함에 따라 온도가 급상승하는 것을 보여줍니다. (이미지 출처: TT Electronics)

모델 유효성은 RF 문제일 뿐 아니라 DC 문제이기도 합니다. 대개 밀리옴 범위에 있는 유비쿼터스 전류 감지 저항기를 생각해 보십시오. 원리상으로는 짧은 구리선을 사용해 이 문제를 해결할 수 있습니다. 이 방법이 효과가 있기는 하지만 자체 발열과 그로 인한 구리 저항의 변화로 장기간 사용할 수는 없습니다. 염기 구리의 저항 온도 계수(TCR)는 약 4,000ppm/°C이므로, 온도가 50°C 정도로 그리 많이 상승하지 않은 1밀리옴(mΩ) 저항기는 곧 20% 변이하여 1.2mΩ 단위가 됩니다(그림 1).

열 영향을 고려하지 않고 전자적 성능만을 검토하여 유효성을 입증하는 설계는 그 숫자가 매우 작습니다. Comsol과 같이 전자, 자기, 열 및 기계 분석을 연계하고 교차 모델링할 수 있는 다중 물리 도구가 있는 경우에는 여전히 이러한 상관관계를 들여다볼 필요가 있습니다.

Vishay Dale과 같은 특수 부품 판매업체에서 복합 소재 및 공정에 따라 제조된 TCR에서 낮은 특수 저항기를 제공하는 이유는 바로 이 때문입니다. 예를 들어 전력 금속 스트립 저항기 WSBS8518 계열은 TCR이 ±110~±200ppm/°C(공칭 저항값에 따라 달라짐)인 반면, WSLP 계열은 이보다 훨씬 낮은 ±75ppm/°C입니다. 고급 측량학 응용 분야를 염두에 두고 TCR을 한 자릿수로 낮춘 특수 저항기도 타사에서 판매하고 있습니다.

설계자로서 겸손한 태도를 보이는 것은 좋은 일입니다. 모델링이 충분히 양호하다는 확신이 들지 않는 한 설계에 약간의 추가 여유를 두는 것이 좋습니다. 0.22와트 저항기가 필요하다는 방출 계산 결과가 나왔다면 ¼와트 단위보다는 ½와트 단위를 선택해야 합니다. 사전 및 조기 모델링을 하던 시절에 설계자는 자신이 모든 것을 다 알 수 없음을 알기에 경량화를 극한으로 밀어붙이기보다는 성능 및 안전을 위해 통상적으로 상당한 여유를 추가했습니다.

최근에 개발된 강력한 도구와 모델을 과신하면 실제로 아는 것보다 더 많이 아는 것처럼 생각하고 행동하는 설계자의 오만으로 이어질 수 있습니다. 현실적인 대안으로 자신이 모델 및 시뮬레이션을 얼마나 확신하는지 평가한 후에 이를 설계 및 BOM에 반영하는 것이 현명한 처사일 것입니다.