동아사이언스

기계공학 - 힘과 에너지로 첨단가치 창출

분야	산업기술/기계	날짜	2011-04-05

힘과 에너지로 첨단가치 창출 기계공학

자동차에서 인공생명까지 적용분야 무궁

편집부

우리나라 대학의 이공계에는 다양한 학과들이 존재한다. 그런데 학과를 어느 정도 알고 진로를 선택하는 것일까. 막연한 생각으로 잘못된 모습을 그리고 있지는 않을까. 진로 선택의 기본, 대학에 있는 학과를 제대로 알아보자.

기계공학은 힘과 에너지에 대한 이해를 바탕으로 장치, 기계, 제품을 창조해 인류의 삶을 풍요롭게 한 응용학문이다. 현대 문명의 산파 역할을 수행하고, 미래 지식기반사회의 중심축이 될 기계공학을 알아보자.

1. 기계공학이 뭐죠?

아침에 일어나 ‘시계’를 보며 하루 일과를 시작한다. ‘옷’을 입고 ‘자동차’를 타고 학교에 가 책상에 앉아 공부를 한다. 수업이 끝난 후 집에 돌아와 ‘샤워’를 한다. 저녁에는 ‘TV’를 보거나 ‘인터넷 게임’을 하다가 잠자리에 든다.

여러분의 하루 일과다. 여기에서 시계는 매우 정밀한 기계이고, 직조기의 도움 없이는 옷을 만들 수 없다. 자동차는 기계공학의 꽃이다. 샤워할 때의 따뜻한 물은 히터가 만들고, TV나 컴퓨터 또한 기계공학의 발전이 없다면 존재할 수 없다. 이처럼 기계공학은 일상생활과 매우 밀접한 관계가 있으며, 삶의 질을 풍요롭게 한다.

기계공학은 인간의 삶을 편리하게 하고 물질적으로 풍요롭게 하기 위해 힘과 에너지에 대한 연구를 수행하는 학문이다. 보통 사람들은 기계공학이 기계에만 관련된 학문으로 이해해 기계나 관련 장치와 설비의 설계, 제작, 성능의 구현, 운전에 관한 학문인 것으로만 생각하고 있다. 이런 오해는 서양 문물이 동양으로 전파되던 초기에 일본에서 영어 ‘Mechanical Engineering’을 한자어 ‘기계공학’으로 번역해 발생했다. ‘Mechanical’은 역학(힘에 대한 학문)의 의미를 갖는 ‘Mechanics’의 형용사이므로 기계를 의미하는 ‘Machine’의 형용사인 ‘Machinery’와는 그 뜻이 완전히 다르다.

기계공학의 기본 분야는 물체의 변형을 다루는 고체역학, 움직이는 물체의 현상을 규명하는 동역학, 흐르는 물체의 현상을 파악하는 유체역학과 열의 이동현상을 해석하는 열역학 등으로, 이런 역학을 살펴보면 기계공학의 본질에 좀더 쉽게 다가갈 수 있다. 고체역학은 고체에서의 힘의 평형이나 변형을 다루고 더 나아가 재료의 특성과 변형 등에 대해 연구하는 학문이다. 동역학은 물체의 힘과 변위, 속도와 가속도의 상관 관계를 고려해 물체의 운동에 대해 연구하는 학문이다. 유체역학은 기체와 액체 등의 유체의 운동을 다루는 학문이며, 열역학은 열과 기계적 일의 기본적인 관계를 바탕으로 열 현상을 비롯해서 자연계에서의 에너지 흐름을 체계적으로 다루는 학문 분야이다.

이런 4대 역학은 물리학과 매우 유사한데, 그 차이점은 물리학은 과학이고 기계공학은 공학이란 점이다. 다시 말해 과학인 물리학은 호기심에 기초를 두고 자연현상의 진리를 탐구하는 순수학문인데 반해, 기계공학은 4대 역학을 기반으로 해 인간 생활의 편리함을 위해 장치, 기계, 제품 등을 창조해 이윤을 창출하는데 기여하는 실용적 학문이다.

기계공학은 현대 산업사회에 적용되는 공학 중에서 가장 근간이 되는 중추적인 학문이며 그 응용분야가 가장 광범위한 기반학문이다. 또한 컴퓨터를 이용해 계산이나 시뮬레이션을 하는 수치해석, 기계나 구조물의 설계를 다루는 설계공학, 설계한 대상을 제작하는 기계제작, 에너지를 이용해 동력을 얻는 동력공학, 제품의 생산을 다루는 생산공학, 로봇이나 기계 장치를 제어하는 학문인 제어공학 등 매우 광범위한 학문 분야가 기계공학에 포함된다.

최근에는 지식정보공학(IT, Information Technology), 바이오공학(BT, Bio Technology), 나노공학(NT, Nano Technology), 우주공학(ST, Space Technology), 그리고 환경공학(ET, Environmental Technology)과 연계돼 기계공학이 확대 발전하고 있다. 따라서 현대 첨단사회에서 기계공학의 중요함은 더욱 강조되고 있으며, 그 응용분야의 범위 또한 계속해서 넓어지고 있다. 신기술이 대두되고 기존 기술이 고도화되는 미래는 한사람이 수만명을 먹여 살리는 시대다. 국가 경쟁력의 가장 핵심 원동력인 기계공학은 더욱 중요한 의미를 지닐 것이다.

2. 무엇에 사용되나요?

기계공학의 응용분야는 너무나 넓기 때문에 다 열거하기 어렵다. 편의상 대표적인 응용분야와 최근에 시작된 첨단 응용분야로 구분해보자. 먼저 기계공학의 대표적인 응용분야는 자동차, 항공기, 고속철도차량, 각종 선박을 포함하는 수송기계 분야다. 냉장고, 에어컨, 히터 등의 에너지 변화장치, TV, 세탁기, 비디오 플레이어 등과 같은 가전제품의 개발과 생산에, 원자력 및 화력 발전소, 가스 터빈 등 발전설비의 설계·건설·유지·보수에, 자동화기, 대포, 탱크, 미사일, 전투기, 군함 등과 같은 방위산업 제품의 개발과 생산에 기계공학이 필수적이다.

그리고 기계공학은 냉난방 배관 설계, 보일러와 같은 건축설비, 반도체 제조장비, 자동화 기계, 선반, 생산 로봇, 컴퓨터 제어 선반과 같은 생산기계에 이용될 뿐만 아니라, HDD와 DVD 플레이어 등 컴퓨터 관련 제품, 인공위성, 우주왕복선, 우주정거장, 로켓과 같은 우주분야에 근간이 되는 학문이다.

컴퓨터와 연계돼 발전된 기계공학 분야는 기계장치를 운용하기 위한 소프트웨어 개발, CAD와 같이 컴퓨터 이용 설계, 구조의 강도, 진동, 열, 유체를 해석하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램 개발 등이 있다. 또 놀이공원에서 볼 수 있는 롤러코스터와 같은 각종 놀이기구나 로봇의 설계·제작, 각종 지능제어 설비 등의 설계·제작·개발 등도 기계공학의 응용 분야다. 이밖에도 응용분야는 무궁무진하다.

최근에 태동해 미래 지식기반사회의 중심축이 될 것으로 예상되는 대표적인 첨단 기계공학 분야에는 마이크로·나노기술, 지능화기술, 바이오기술과 신에너지기술이 있다. 마이크로 기술 중에 현재 활발히 연구가 진행되고 있는 분야가 MEMS(Micro Electro Mechanical System)라고 불리는 초소형기계 분야다. MEMS는 1㎛(10-6m)에서 1mm 정도 크기의 초소형기계를 다루는데, 초기에 반도체기술에서 시작돼 초소형 정밀기계, 광학기기, 의료기기, 제어계측기, 정보화기기, 통신시스템 등 그 적용영역이 점차 확대되고 있다. 지능화기술은 스스로 인식해 판단하고 행동하는 인공지능 로봇에 대한 기술이다. 이런 기술은 주부의 가사 노동을 덜어주는 홈 오토메이션과 같은 원격조정 시스템, 가상현실의 구현, 생체로봇, 마이크로 로봇, 지능건물 시스템(Intelligent Building System) 등의 개발에 핵심적인 기술이다.

한편 바이오기술은 의학과 연계돼 의용기계공학 형태로 발전하고 있다. 지금까지 기계는 인간의 보조도구로 인식돼 왔지만, 앞으로는 인간의 장기를 대신하는 역할을 담당하게 될 것이다. 인간의 의지대로 움직이는 인공의수·의족, 인공피부, 인공혈관, 인공심장 등을 구현하기 위해 가장 중요한 학문이 의용기계공학이라 불리는 학문 분야다. 그리고 마이크로 수술 로봇손, 외과수술 없이 장기 속에 들어가 수술하는 원격제어 수술로봇 등 기계공학과 관련된 바이오기술이 많은 관심을 불러일으키고 있다.

마지막으로 신에너지 기술의 개발은 현재 석유나 석탄과 같은 화석원료의 고갈과 환경오염의 단점을 극복하기 위해 관심의 초점이 되고 있다. 기계공학에서 미래 대체 에너지로 연구 중인 것에는 수소에너지, 연료전지, 핵융합에너지, 바이오에너지, 태양열, 풍력, 조력 등이 있다.

3. 어디에 있어요?

기계공학은 공학의 가장 기본적인 학문이고 중심이 되는 학문이기 때문에 공과대학이 있는 거의 모든 대학에 관련학과가 있다. 전국 종합대학과 단과대학에 기계공학을 연구하고 교육하는 학과의 수는 2백여개 정도로 공대에서 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 기계공학을 연구, 교육하는 학과의 이름의 수도 60여개에 이른다.

그 중 대표적인 학과 이름을 열거하면, 기계공학과, 기계설계학과, 정밀기계과, 자동차공학과, 건축설비·기계공학부, 기계 및 산업공학부, 기계 및 제어공학부, 기계선박해양공학부, 기계시스템계열, 기계·메카트로닉스공학부, 기계·시스템디자인공학과, 기계·정보경영공학부, 기계·항공우주공학부, 기계에너지생산공학부, 기계정보공학과, 기계제어시스템공학부, 동력기계과, 로봇시스템공학과, 메카트로닉스과, 에너지시스템과, 자동차·메카트로닉스공학부, 자동화기계과, 전산응용기계과, 컴퓨터응용기계과, 항공기계과, 농기계공학과 등이 있다. 자세한 정보는 각 대학의 기계 관련 학과의 웹사이트에서 얻을 수 있다.

4. 뭘 배우는데요?

학부 과정 1학년에는 미적분학 등 수학과목과 물리학, 화학, 컴퓨터 프로그래밍, 영어 등의 기초과목을 배우고, 고학년에서는 고체역학, 동역학, 유체역학, 열역학 등 기본 역학과 이의 응용에 대해 배운다. 역학을 공부하기 위해서 수학이 많이 필요하기 때문에 공업수학 등의 수학을 심도있게 배우는 것이 일반적이다.

최근에는 기계공학, 전기공학과 전자공학이 동시에 필요한 시스템에 대한 접근을 위해서 전자공학이나 전기공학, 전기·전자와 기계의 접목학문인 메카트로닉스 등을 기계공학과에서 가르치는 경우가 많다. 이외에 많은 대학에서 필수적으로 이수해야 할 과목에는 기계의 각 부분에 작용하는 외력, 운동에 의해 생기는 마모나 부식 등 여러 조건에 견디는 재료를 선택하는데 필요한 재료학, 기계를 구성하는 각 부분의 상호운동을 다루는 기구학, 에너지의 전달현상을 다루는 열전달, 물체의 진동현상을 파악하고 분석하는 진동학 등이 있다.

또한 기계가 뜻한 대로 성능을 발휘하려면 어떻게 제작하는 것이 좋은지를 연구하는 기계설계, 설계한 것의 제작법을 다룬 기계공작법, 에너지를 이용해 동력을 얻는데 필요한 동력공학, 선박기관학, 그것들의 응용인 차량공학, 공작기계학, 그 외에 물품을 들어올리고 운반하는 운반기계, 물을 끌어올리는 펌프와 정밀기계, 전기기계, 소성가공, 냉동기, 난방기 등 기계공학의 대상은 매우 광범위하다. 최근에는 자동제어, 생산관리, 산업능률, 인간공학, 공해를 포함한 환경문제, 컴퓨터 프로그램 개발 등도 기계공학에 포함시켜 연구하고 있다.

5. 어떤 학생을 원하나요?

기계공학 외의 다른 학문영역도 복합적인 여러 적성이 요구되지만, 기계공학에서 특히 필요한 적성은 분석적 자세, 창의력, 도전정신 그리고 협동정신 등이다. 구조물, 기계 등을 포함하는 시스템에서 일어나는 현상을 이해하고 체계적인 분석 모델을 정립하기 위해 관찰력을 동반한 분석적 자세가 요구된다. 그리고 창의적인 사고와 접근 방법은 기계공학에서 새로운 현상을 규명하고, 부가가치가 높은 새로운 제품을 개발하며, 새로운 산업분야를 창출하는데 필수적이다. 이런 창의적 사고와 행동을 하기 위해서는 도전정신이 뒷받침돼야 한다. 요즘 활동하는 수많은 벤처기업은 바로 이런 도전정신 없이는 존립이 불가능하다. 마지막으로 기계공학과 관련된 대다수의 일은 개인 혼자에 의해 이뤄지지 않고 많은 사람의 협동에 의해 이뤄진다. 따라서 서로 유기적인 협력에 의해 일을 진행할 수 있도록 협동정신이 또한 필요하다.

일반적으로 분석적 자세와 창의력을 갖는 학생은 고등학교 교과목에서 물리, 수학, 컴퓨터 등을 좋아하는 학생이다. 이런 학생들은 기계공학에서 필요한 많은 학문분야에 쉽게 접근하고 좋은 결과를 빠른 시간 안에 얻을 수 있다. 미래에는 앞에서 말한 기계공학과 결합한 IT, BT, NT, ST, ET 등의 기술분야가 유망하므로 물리, 수학, 컴퓨터뿐만 아니라, 생물, 화학, 의학 등 넓은 분야에 관심이 있는 학생들이 미래의 기계공학에 적합하다.

6. 대학 졸업 후 진학하고 싶은데요?

기계공학의 학문분야가 매우 넓기 때문에, 대학과정에서는 기계공학의 기본적인 지식을 교육하고 좀더 심화된 전문분야에 대한 교육과 연구는 대학원의 석·박사과정에서 수행한다. 따라서 대기업의 기술연구소나 정부에서 지원하는 정부출연연구소 또는 대학에서 연구를 하고 싶은 경우에는 대학원의 석사나 박사과정에서 공부하는 것이 바람직하다. 대학원 과정에서는 세분화된 전문분야에 대한 교과목을 이수함과 동시에 특정 주제를 가지고 연구하고 논문도 쓰게 된다. 이런 과정을 통해 주어진 문제에 대한 접근방법과 논리적인 분석·해결방법을 터득하게 되고 더 나아가서 창의적인 연구활동을 통해 연구자 또는 개발자로서의 능력을 함양한다.

진학은 국내의 대학원으로의 진학과 외국대학으로의 유학으로 구분할 수 있다. 최근의 국제적으로 저명한 논문집에 실리는 국내 대학원의 연구 업적은 그 증가율이 세계 1위이며 순위는 세계 16위다. 정부의 고급인력 양성사업에 발맞춰 양적으로, 질적으로 국내 대학원이 발전하고 있으며, 대부분의 4년제 대학교의 기계 관련학과가 석사와 박사과정을 개설하고 있다. 한편 기계공학과 관련해 해외로 유학하는 경우 일반적으로 박사학위를 취득하기 위해 유학하는 경우가 많고 일부 석사과정부터 유학하는 학생들도 있다. 유학생들은 현재 미국을 제일 많이 선호하고 있으나, 일본이나 유럽을 선호하는 학생의 수도 점차 증가하고 있다.

7. 어떤 직장에 취업하나요?

기계공학의 학문 영역과 그 응용 영역이 넓은 것처럼, 기계공학을 전공한 졸업생의 취업 선택의 폭은 매우 넓다. 기계공학을 전공한 졸업생이 직업으로 선택할 수 있는 대상은 대기업, 중소기업, 벤처기업, 정부출연 연구소, 공기업, 정부기관, 교육기관, 변리사 등 실로 다양하다.
기업체로 취직하는 경우를 먼저 살펴보면 기계공학의 비중이 큰 자동차회사, 항공회사, 철강, 조선·발전설비를 다루는 중공업관련 회사뿐만 아니라, 전기, 전자, 반도체, 통신, 화공, 금속, 토목, 건축, 섬유 등 다양하다. 일반적으로 기업에 취직하면 제품의 설계, 개발과 생산 등에 참여하며 원하는 경우 구매, 판매 등에 참여할 수도 있다.

기계공학은 공학의 기반학문이며 여러 분야를 통합하는 학문 성격이 강하기 때문에 기업에서 관리자로 성공할 가능성이 가장 높은 학문분야 중 하나다. 자동차, 중공업 등 기계가 주축이 되는 회사뿐만 아니라 전자 또는 전기회사와 같은 기업체에서도 기계공학을 전공한 이사나 사장이 많은 사실은 이런 특성을 잘 보여 주고 있다. 이와 더불어 최근에 특정한 창의적인 기술을 기반으로 소규모 집단에 의해 운영되는 벤처기업은 기계공학과 관련해 무한한 가능성을 젊은 기계공학도에게 부여하고 있다.

기계공학 전공자는 정부출연 연구소로 취직하는 경우도 많다. 기계공학 전공자가 취직할 수 있는 연구소로는 한국과학기술연구원(KIST), 한국기계연구원, 한국생산기술연구원, 한국항공우주연구원, 한국표준과학연구원, 에너지관리공단 R&D 본부, 한국원자력연구소, 한국에너지기술연구소, 산업기술시험원 등이 있고, 공기업으로는 한국가스공사, 한국전기안전공사, 대한송유관공사, 한국지역난방공사 등이 있다.