GE에어로스페이스 리서치에서 만나는 '항공의 미래'

1996년 자전거 레이싱을 좋아하는 고등학생인 조 빈치케라(Joe Vinciquerra)는 두 번의 계기를 통해 미래를 엿볼 수 있었습니다.  

첫 번째 계기는 예술 학교 진학을 고민하던 그에게 진로 상담사가 수학과 과학에 재능이 있으니 STEM 분야로의 진로를 고려해 보라고 제안한 것이었습니다.  

두 번째는 하계 올림픽에서 미국 사이클 대표팀이 선보인 혁신적인 신형 "슈퍼 바이크"였습니다. 독특한 외관과 놀라운 성능의 이 바이크는 "복합소재"로 제작되었으며, 이 복합소재가 항공우주 산업에서 유래했음을 알게 되었습니다. GE에어로스페이스가 GE90 엔진의 팬 블레이드에 탄소섬유 복합소재(CFC)를 적용하기 위해 20년간 연구 개발을 지속해왔고, 미래의 비전으로 연결된 혁신적인 기술이라는 사실을 알게 되었습니다.  

시간이 흘러 빈치케라는 항공우주 공학을 전공하고 복합재료를 공부했으며, 30년이 지난 지금 GE에어로스페이스 리서치(GE Aerospace Research)의 제너럴매니저(GM)이자 총괄(Senior Executive Director)이 되었습니다. GE에어로스페이스 리서치는 회사에서 가장 다각화된 혁신 허브로, 매일 매일의 활동이 항공의 미래(Future of Flight)를 만들고 있습니다. 

빈치케라는 125년 전 뉴욕 주 니스카유나(Niskayuna)에 설립된 제너럴 일렉트릭(GE)의 일부 조직으로 시작한 GE에어로스페이스 리서치(GE Aerospace Research)에 대해 이렇게 말합니다. 

“우리는 제품 및 산업 분야 확장을 위한 응용 연구/개발에 중점을 두고 있습니다. 그래서 우리가 채용하는 인재의 유형은 매우 다양합니다. 학자, 엔지니어, 산업 과학자 등의 다양한 배경을 동시에 가지고 있습니다. 직원 모두는 의미 있고, 고객 중심적이며, 현실적인 혁신이라는 GE에어로스페이스 리서치의 미션 아래 함께 일하고 있습니다,” 조 빈치케라(Joe Vinciquerra), GE에어로스페이스 리서치 총괄. 

실제 사례로, 30년이 지난 현재에도 복합소재 팬 블레이드를 사용하는 엔진 제조업체는 GE에어로스페이스와 파트너사 뿐입니다. 이는 GE에어로스페이스 리서치 센터의 과학자들이 연구에 쏟은 헌신, 시간과 노력을 상징적으로 보여줍니다. 

“20년 전 처음 이곳에 왔을 때, 우리는 의료 산업에서 이미지 인식용 인공지능(AI)을 개발하고 있었습니다. 현재는 이 기술을 항공우주 제조 및 품질 관리 분야에 적용하고 있습니다. 이는 특정 기술의 긴 개발 기간을 보여주는 한 사례일 뿐입니다. 우리는 매일 이러한 기술을 개발하고 있습니다,” 조 빈치케라(Joe Vinciquerra), GE에어로스페이스 리서치 총괄. 

빈치케라는 GE에어로스페이스의 고유한 기술 혁신 유산과 장기적인 개발을 위한 노력에 대해 몇 가지 통찰을 공유합니다. 

항공우주 산업의 혁신은 장기적인 전략으로 보입니다. 현재 우리는 기술 개발의 새로운 단계로 들어섰으며, 업계는 차세대 대형 엔진과 기체 개발 및 완성도 제고에 집중하고 있습니다. 미래를 어떻게 전망하시나요? 

GE에어로스페이스는 연소 시험 셀부터 파일럿 규모의 재료 및 개발 시설에 이르기까지 35만 평방피트의 실험실과 장비를 보유하고 있으며, 1,000명이 넘는 직원 중 75% 이상이 특정 분야의 석박사 학위를 소지하고 있습니다.  

GE에어로스페이스에서 개발하는 제품은 엄청난 공학적 노력이 필요하고, 긴 제품 개발 주기를 요구합니다. 따라서 현재는 조용할지라도, 이는 폭풍 전야의 고요함이라고 생각할 수 있습니다. 

GE에어로스페이스가 독립 회사로 출범한 2024년, GE에어로스페이스 리서치는 전례 없는 연구개발 요청을 받았으며, 그 요청은 계속해서 증가하고 있습니다.  

장기적인 혁신을 추구하는 데 도움이 되는 리서치 센터의 유산은 무엇인가요?  

제너럴 일렉트릭(GE)이 설립된 지 8년 후인 1892년, 회사의 수석 과학자 찰스 스타인메츠(Charles Steinmetz)는 회사가 지속적으로 새로운 기술과 사업 분야를 모색하지 않으면 경쟁 우위가 약화될 것을 우려했습니다. 이에 따라 GE는 토마스 에디슨이 말한 것처럼 '세상이 필요로 하는 것'을 찾아내고 발명하기 위해 연구소를 설립했습니다.  

GE에어로스페이스 리서치는 일상적인 업무나 분기별 성과의 압박에서 벗어나 고객과 소통하고, 고객의 어려움을 이해하며, 고객의 일상을 개선하는 기술 솔루션을 구상할 수 있는 독특한 위치에 있습니다. 

우리 연구원들은 회사의 문제 해결 과정 전반에 걸쳐 노력을 집중하고 있기 때문에, 현장의 엔진 문제를 해결하거나 미래를 위한 연구 수행 등 여러 프로젝트를 동시에 수행하고 있습니다. 20년 후에 무엇이 중요해질지 연구하는 동시에 현재에 영향을 미치는 문제들을 해결하는 것입니다. 

리서치 센터에서 개발 주기가 길다는 것은 어떤 의미인가요?  

제가 대학에 진학했을 무렵, 복합소재 팬 블레이드가 본격적으로 적용되기 시작했습니다. 하지만, GE에어로스페이스는 NASA와의 협력 프로젝트부터 시작하여 이미 20년 넘게 이 기술을 연구해 왔습니다. GE에어로스페이스는 어느 시점이 되면 회사뿐만 아니라 국가 전체에 이 기술이 필요하다는 것을 인식한 것입니다.  

이와 유사한 일이 10년 뒤 세라믹 분야에서도 일어났습니다. GE에어로스페이스는 에너지부(DOE)의 의뢰를 받아 가스터빈의 효율을 높이기 위한 복합소재를 연구하고 있었는데, 제트 엔진처럼 니켈 기반 초합금 부품에 의존하는 가스터빈이었습니다.  

제트 엔진은 지구상에서 가장 정교하게 설계된 기계 시스템이라고 할 수 있기에, 효율을 단계적으로 향상시키는 방법 중 하나는 엔진을 훨씬 더 높은 온도로 운전하는 것뿐이었습니다.  

그래서 우리는 초합금 무게의 1/3에 불과하면서도 초고온에서도 강도를 유지할 수 있는 강화된 세라믹 매트릭스 복합소재(CMC)를 사용하여 문제 해결을 시도했습니다. 이 복합소재 기술을 완성하는 것은 매우 어려운 일이었지만, 지속적으로 실험을 거듭하여 궁극적으로 열 성능을 비약적으로 향상시키는 데 성공했습니다.  

이 복합소재는 CFM LEAP 엔진*의 성공에 기여했으며, 중요한 기술 차별화 요소가 되었습니다. CFM LEAP 엔진의 성공 사례처럼, 산업에 적용하기 위해 장기적으로 기술을 개선해 나가는 것이 궁극적으로는 성능의 획기적인 개선을 가져오는 것입니다. 

CMC 기술과 적층제조(3D 프린팅) 기술로 생산된 연료 노즐 팁과 같은 혁신적인 기술을 적용한 덕분에 CFM LEAP 엔진은 기존 엔진 대비 연료 효율이 15%나 향상되었습니다.  

GE9X 엔진이 GE90 엔진보다 효울성이 10% 향상된 이유 중 하나는 복합소재 팬 블레이드, CMC, 그리고 적층제조 기술의 발전으로 GE90의 300개 부품을 GE9X 엔진에서는 단 7개 부품으로 통합할 수 있었기 때문입니다. 이러한 다기능 구조를 구현하는 역량은 GE에어로스페이스의 설계 및 제조 역량을 탁월하게 만드는 핵심 요소입니다.  

GE에어로스페이스가 긴 개발 기간을 단축할 수 있는 방법은 무엇일까요?  

우리는 정부 및 학계와 폭넓게 협력하여 혁신을 가속화하고 있습니다. 예를 들어, 현재 오크리지 국립연구소의 슈퍼컴퓨터 프론티어(Frontier)를 활용하여 미국 에너지부와 공동 연구를 진행하고 있습니다. 프론티어는 지구상 최초의 엑사스케일(Exascale) 슈퍼컴퓨터입니다.  

시야가 닿는 곳까지 그래픽 처리 장치가 쌓여 마치 하나가 된 것처럼 초당 100경 번의 연산을 수행하는 모습을 상상해 보세요. 프론티어는 지금까지 세상이 경험하지 못했던 수준의 시뮬레이션을 가능하게 하며, 저희는 공기역학 설계, 음향학 등을 위한 전산유체역학(CFD)에 이를 활용해 매우 복잡한 물리 현상을 시뮬레이션하고 있습니다.  

과거에는 현상을 모델링하고, 테스트하고, 보정하고, 다시 모델링하는 과정을 반복해야 했지만, 프론티어 슈퍼컴퓨터 덕분에 이 과정을 수십 배 더 빠르게 수행하게 되었고, 물리적 테스트도 훨씬 적은 횟수로 충분하게 되었습니다. 이는 설계 주기를 수년을 단축시키는 효과를 가져왔습니다. 프론티어를 최대한 활용하는 데 필요한 수치적 방법은 수십 년 전 GE에어로스페이스리서치에서 시작되었습니다. 

다음 단계는 슈퍼컴퓨팅과 인공지능(AI)의 융합입니다. 물리 현상을 훨씬 더 높은 효율로 시뮬레이션하고, 생성형 AI 및 다중 목표 최적화 방법론을 적용함으로써 매우 긴 설계 주기에서 또 다른 몇 년을 단축할 수 있습니다. 이것이 GE에어로스페이스 리서치를 차별화하는 점이라고 생각합니다. 우리는 더 빠른 답변을 얻기 위해 가능한 모든 방법을 모색합니다. 

앞으로 어떤 혁신이 나타날까요?  

CFM RISE** 개발 및 시연 프로그램을 통해 우리가 발전시키고 있는 기술은 전례 없는 수의 새로운 혁신이 동시에 개발되는 플랫폼을 의미합니다. 

오픈 팬(Open Fan) 아키텍처를 개발하려면 슈퍼컴퓨팅 도구와 수십 년간의 복합 팬 블레이드 현장 경험을 활용해야 하며, 현재 최고의 수준의 엔진 소음보다 잠재적으로 더 조용한 성능을 발휘할 수 있는 스윕(Sweep) 특성을 가진 블레이드를 설계해야 합니다. 또한, 엔진 컴팩트 코어(Compact Core) 기술은 수십 년간 축적된 CMC 경험의 이점을 활용합니다.  

AI는 어떤 방식으로 활용되고 있나요? 

우리가 제조 및 수리 분야를 위해 개발 중인 보조 결함 인식 기술은 2000년대 초반 의료 분야의 이미지 인식에 적용한 AI 연구에서 비롯되었습니다. 디지털 트윈 기술 역시 유사한 개발 기간을 거쳤습니다. 

GE에어로스페이스는 항공우주 산업에서 AI 관련 특허를 가장 많이 보유한 기업 중 하나입니다. 우리는 AI를 활용해 엔지니어링이든 순수 물리 분야든 물리 과학(Physical Science) 개발을 가속화합니다.  

미국 국방고등연구계획국(DARPA)과 협력하는 MACH (극초음속용 재료구조 및 특성분석, Materials Architectures and Characterization for Hypersonics) 프로그램은 AI를 활용하여 극초음속 차량이 음속의 5배 이상으로 비행할 때 발생하는 열을 견딜 수 있는 새로운 고엔트로피 (High-Entropy) 합금을 연구하는 것으로 시작되었습니다.  

이 합금들은 극도로 불안정하며 화학적으로 결합하는 것조차 매우 까다롭습니다. 만약 이 문제를 전통적인 방법으로 해결했다면, 12개 정도의 새로운 합금 조성을 개발하는 데 약 1년이 소요되었을 것입니다. 하지만 머신러닝을 활용해 250개 이상의 합금을 개발했으며, 그중 일부는 기존 합금보다 수천 도 높은 온도를 견딜 수 있을 것으로 예상됩니다. 

고엔트로피 합금, 극초음속, AI ... 공상과학 소설처럼 들립니다만 ...  

첨단 기술을 개발하는 일의 흥미로운 점은 바로 가능성의 경계에 서 있다는 것입니다.  

결국 우리는 물리 과학에 기반한 산업입니다. 우리는 하늘을 나는 거대한 사물을 만들고 있으며, 언제나 안전을 최우선으로 생각해야 합니다. 필연적으로 고도로 규제되는 환경이기 때문에 혁신의 기회는 시간이 지남에 따라 더욱 제한적으로 느껴질 수 있습니다.  

하지만 우리는 모든 세대로부터 그리고 다양한 형태의 반복을 통해 학습해 왔습니다. 덕분에 RISE 프로그램과 같은 것을 실현하기 위해 끊임없이 노력할 수 있습니다. 최첨단 기술과 과학이 융합되어 혁신적인 변화를 이끌어낼 수 있습니다. 

*CFM LEAP 엔진은 GE에어로스페이스와 Safran Aircraft Engines가 50:50으로 합작한 회사인 CFM International에서 제조합니다.  

** RISE(Revolutionary Innovation for Sustainable Engines)는 CFM International의 기술 개발 프로그램이며, 제품이 아닙니다.