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Nikkei Monozukuri_2023.5 뉴스의 심층 (p17~20)

NIMS의 신재료 개발 시스템 ‘민트(MInt)’
‘비밀주의’ 일본기업이 세계에서 승리하는 방법

‘고온으로 살짝 열을 가한 뒤 저온에서 천천히 굽는다’. 마치 요리 설명 같지만 사실 이것은 물질재료연구기구(NIMS)가 발표한 니켈(Ni) 기초합금의 시효처리 시 가열 공정을 표현한 것이다.

시효처리란 금속부품을 분말 단조(Powder Forging)나 적층 조형 등으로 조형한 뒤 수 백℃의 고온으로 가열 및 유지해 강도를 높이는 과정이다. 서두의 가열 패턴은 NIMS 등이 개발한 구조용 금속계 재료의 재료 개발 시스템 ‘민트(MInt, Materials Integration by Network Technology)’가 대략 35억 가지의 패턴에서 도출했다.

민트는 재료 개발에 있어서 일본의 국제 경쟁력을 한층 더 강화하기 위해 ‘올 재팬(All Japan)’ 체제로 개발되었다. 재료 내부의 조직 형성을 계산하는 페이즈 필드(Phase field)법이나 재료 강도 예측 모델 등 다양한 알고리즘을 구비하고 있다.

복수의 알고리즘을 조합한 해석 프로그램을 해결함으로써 재료 조성을 통해 강도나 밀도 등의 물성을 예측하고, 원하는 성능을 얻기 위한 생성 조건이나 조성 등의 프로세스를 검토할 수 있어 각각의 재료나 제품을 개선하는 기존의 머티리얼즈 인포매틱스(MI)와는 구별된다.

-- 실험보다 100배 이상 빨라 --
서두의 시효처리 사례는 가열 온도와 시간의 방대한 조합에서 강도가 가장 높아지는 가열 패턴을 AI가 선별해 최적의 시효처리 프로세스를 검토한 역문제 해석 사례이다. 민트 개발을 이끈 NIMS 통합형 재료개발·정보기반의 데무라(出村) 부문장은 “민트를 사용하면 1개의 가열 패턴을 반나절 이내에 계산할 수 있다. 이것은 기존의 실험을 통한 검토와 비교해 100배 이상 빠르다”라고 자랑한다.

지금까지 시효처리는 단일 온도로 처리하는 것이 일반적이었다. 그 이유는 실험에서 하나의 가열 패턴을 시험하는데 보름 이상이 소요되기 때문에 실질적으로 ”시간과 온도 중 하나의 파라미터를 바꾸는 검토 밖에 할 수 없었기 때문이다”(데무라 부문장)라고 한다. 그러나, 민트를 활용한 데이터 사이언스의 접근을 통해 시행 횟수가 비약적으로 증가해 시계열로 가열 온도를 바꾸는 새로운 프로세스의 발상이 가능해졌다.

이와 같이 민트는 재료 개발에 데이터 사이언스를 응용하는 개발 방법인 MI의 일종이라고 할 수 있다. 하지만, 민트를 개발한 진정한 목적은 재료 개발에 있어서의 일본의 국제 경쟁력 강화이다. 각각의 재료나 제품을 개선하는 기존의 MI와는 차별화되는 시스템의 구조 및 운용 방법에 세계적 개발 경쟁에서 이기기 위한 열쇠가 있다.

-- 범용성을 높이는 모듈과 워크플로우 --
어떤 금속 부품에 착안했을 때, 그 부품의 조성이나 형상 등을 결정하는 ‘프로세스’가 원자나 분자의 배치라고 하는 ‘마이크로 구조’를 결정하고, 마이크로 구조가 재료의 밀도나 강도 등의 ‘특성’을 결정한다. 그리고 그 특성은 부품의 내구성이나 사용 편리성  등의 ‘성능’에 영향을 준다. 민트는 이 네 가지 요소의 인과율을 전제로 하고 있다.

일반적으로 재료 개발은 원하는 성능을 얻기 위한 조성이나 프로세스을 밝혀내는 역문제 해석이며, 앞에서 말한 인과율의 4가지 요소의 관계를 알면 된다. 그래서 MI를 활용한 재료 개발에서는 프로세스와 성능 조합 데이터를 학습시킨 AI 등을 구축하는 것이 일반적이다. 마이크로 구조와 특성 등의 중간 요소를 무시할 수 있기 때문에 알고리즘은 단순해지지만, 특정 부품이나 제품에만 적용할 수 있고, 노하우도 축적하기 어렵다.

반면 민트의 경우, “인과율을 세밀하게 나누면 범용성을 높일 수도 있지 않을까?”(데무라부문장)라는 발상으로 시스템을 구축했다. 즉, 인과율의 각 요소를 하나하나 예측하는 ‘모듈’을 개발해 그 모듈들을 조합함으로써 폭넓은 성능 예측에 대응할 수 있도록 했다.

모듈이란 예를 들어, ‘니켈 알루미늄의 감마 석출 조성 형성의 계산 모델’이나 ‘고온 특성 예측 모델’ 등 구체적인 알고리즘을 가리킨다. 그리고 모듈을 조합한 해석 프로그램을 '워크플로우'라고 부른다

요소 별로 개발한 모듈은 민트에 축적되며, 다른 성능 예측에도 활용할 수 있다. 새로운 워크플로우를 작성할 때에는 부족한 모듈만을 개발하면 되기 때문에 개발 공수를 단축할 수 있다. 그러면 단축한 만큼의 개발 자원으로 보다 혁신적인 개발 테마에 주력할 수 있다. 이러한 선순환을 만들어 일본 전체의 재료 개발을 가속화하는 것이 민트의 목적이다.

데무라 부문장은 ”일본 기업들은 서로 개발을 공유하지 않기 때문에 여러 기업들이 비슷한 실험과 계산을 하는 것을 상상하기란 어렵지 않다”라며 일본의 비밀주의적 기업 체질이 안고 있는 문제를 지적한다. 그는 “민트의 모듈을 공유화하는 구조를 통해 이러한 개발 자원 낭비를 해소하고 싶다”라고 말한다.

-- 컨소시엄 회원 증가가 발전의 열쇠 --
올 3월, 민트에 탑재된 모듈의 수는 361개, 242건의 워크플로우가 구축되었다. 하지만, 산업계가 안고 있는 다양한 재료 과제(예를 들면, 고강도화나 경량화, 저비용화 등)에 대응하기에는 부족하다. 지속적인 모듈 개발을 추진해나가기 위해서는 대학이나 공적 연구기관의 적극적인 참여를 통한 데이터와 성과, 풍부한 노하우 제공이 관건이다.

NIMS는 민트를 운용하는 조직 ‘머티리얼즈 인테그레이션 컨소시엄(Materials Integration Consortium)’을 발족시켰다. 컨소시엄에서는 대학 및 공적 연구기관이 기업의 재료 과제에 대한 산∙관∙학 연대의 연구 프로젝트를 구성해 민트 시스템을 활용한 재료 개발을 추진한다.

그 결과를 바탕으로 새로운 재료를 기업이 제품으로 개발하는 등 실용화하고, 모듈이나 워크플로우 등을 개발 툴로써 공용할 수 있도록 하는 등의 성과는 민트 시스템에 환원한다. 모듈이나 워크플로우가 늘어나면 민트 시스템을 활용한 재료 개발이 더욱 진전될 것이다.

이와 같이 대학이나 공적 연구기관의 연구자들은 민트 시스템의 고도화에 관한 협력을 통해 연구 성과의 사회 구현을 가속화할 수 있다. 한편, 기업 회원은 연간 250만엔(세금 별도)을 내면 민트 시스템을 활용해 효율적으로 재료 개발을 추진할 수 있다. 독자적인 모듈을 공유해 워크플로우의 어레인지도 할 수 있다.

-- ‘일본의 특색’을 활용한 인소스형 개발 --
민트와 같이 다양한 재료 과제에 대응하는 것을 목표로 하는 이른바 멀티 스케일형 재료 개발 시스템은 해외에서도 미국 QuesTek Innovations의 시스템이나 핀란드 VTT의 ‘ProperTune’ 등이 이미 존재한다. 하지만, 이들과 민트는 연구개발의 진행 방법이 크게 다르다.

구체적으로 민트는 '인소스형', 구미의 시스템은 '아웃소스형' 개발을 위한 툴이라고 할 수 있다. 민트의 경우는 요구되는 재료에 대한 개별 프로젝트를 시작해 참가 멤버가 가진 자원(인소스) 안에서 연구개발을 추진해나간다. 한편, 아웃소스형 개발의 경우는 재료개발 시스템을 가진 기업 등이 프로세스 개발을 의뢰 받아 개발 성과를 솔루션으로 고객에게 제공한다.

“일본의 재료 및 소재 업체 대부분은 이미 개발 인재나 연구 시설 등 풍부한 개발 자원을 가지고 있기 때문에 툴만 제공해 성과의 일부(모듈이나 워크플로우)를 공유해나가는 인소스형의 구조가 적합하다”(데무라 부문장)라고 한다.

일본의 소재 산업은 제조업 GDP(국내총생산)의 약 20%를 차지하는 기반 산업이다. 오랜 기간 높은 기술력을 세계에 과시하며 높은 해외 시장 점유율을 차지하는 제품도 많다.

하지만 최근에는 소재에 요구되는 니즈가 다양해지고, 개발 기간이 단축되고 있는 가운데 데이터 사이언스를 무기로 하는 해외 기업의 약진이 두드러지고 있다. 상대적으로 장기적인 연구개발을 통해 성과를 내는 일본의 강점이 희미해지고 있다. 꾸준하게 개발을 추진하는 ‘일본의 특색’을 활용하면서 개발 속도를 높일 수 있도록 지원하는 민트가 그 위력을 발휘하게 된다면 ‘금상첨화’가 될 것이다.

 -- 끝 --

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