1. 서 론

1.1 연구배경

국제해사기구(IMO)의 환경 규제 강화와 기후 변화 대응 요구에 따라 해양 산업 전반에 걸쳐 친환경 선박 기술 개발 이 핵심 과제로 부상하고 있다. 이러한 규제와 기술 개발은 주로 대형 상선에 집중되어 있으며 어선, 레저 보트 등 중소 형 복합재료 선박 분야는 상대적으로 관심이 저조한 실정이 다. 이들 선박 대다수를 차지하는 수적층(Hand lay-up) 공법 기반의 중소 조선소에서는 설계 단계의 이론적 제원과 실제 건조된 선박의 물리적 특성 간의 상당한 차이가 발생하며 이는 성능 저하와 불필요한 자원 낭비로 이어질 수 있다. 또 한 생산 과정의 비정형성과 가변성으로 인해 제품의 전과정 에 걸친 환경 영향을 정량적으로 평가하고 이를 설계에 반 영하는데 어려움이 있다.

기존의 역설계 연구는 주로 형상 복원이나 품질 검사에 초점을 맞추었으며 복합재료의 물리적 특성이나 실제 제조 공정에서 발생하는 변수를 반영하기에는 한계가 있었다. 마 찬가지로 선박에 대한 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)연구는 재료나 공법 간의 비교에 집중되었을 뿐 특정 공법 내에서 설계 변경이 환경에 미치는 영향을 정량적으로 분석하는 사례는 드물었다. 이에 본 연구에서는 3D 스캐닝 기반의 역설계 기술과 전과정평가를 통합하여 실제 생산 공 정의 특성을 정량적으로 반영한 디지털 모델을 구축하고 이 를 기반으로 선박의 성능과 환경성을 동시에 개선하는 체계 적인 지속가능 설계 방법론을 제안하고자 한다. 본 연구의 핵심은 이론적 설계 모델이 아닌 실제 건조(as-built)된 선박 의 물리적 특성을 정밀하게 재현한 디지털 모델을 기준으로 환경 영향을 평가하고 최적 설계를 도출하는데 있다.

1.2 연구 동향

3D 스캐닝과 역설계는 제품의 품질 검사, 손상된 부품의 복원, 도면이 없는 제품의 디지털화 등 다양한 산업 분야에 서 활용되어 왔으며 초기에는 자동차 금형 복원, 트랙터의 변형 검사(Lee, 2017), 고대 선박의 형상 복원(Wetherelt et al., 2014) 등 주로 물리적 형상을 디지털 데이터로 변환하는데 중점을 두었다. 최근에는 단순한 형상 복원을 넘어 인공지 능(AI), 사물인터넷(IoT) 기술을 결합하여 물리적 자산의 전 생애주기를 가상공간에서 모사하는 디지털 트윈(Digital twin) 을 구축하는 방향으로 발전하고 있다. 디지털 트윈은 설계, 생산뿐만 아니라 운영 및 유지보수 단계에서의 성능 예측, 원격 지원, 시뮬레이션 기반 의사결정을 가능하게 하여 조 선 산업의 디지털 전환을 가속화하고 있다.

한편 복합재료 제품에 대한 환경 영향 평가(Environmental Impact Assessment, EIA) 연구 또한 활발히 진행되었다. 최근 해양 복합재료 연구는 유리섬유-폴리에스터 대비 아마섬유- 바이오 에폭시 수지 대체에 따른 천연 섬유 대체 효과 분석 등의 연구가 진행되었으며(Lopez-Arraiza et al., 2025), 천연섬 유 복합재료의 포괄적 검토 연구에서는 지속가능한 제조 공 정과 바이오 기반 재료 대체를 통한 환경 영향 감소 전략을 제안하였다(El Hawary et al., 2023). 또한 모터보트를 대상으 로 30년 생애주기 동안 연료소비량과 환경 영향을 정량화하 는 방법을 제안하였으며(Zhang et al., 2021), 선박의 건조, 운 항, 폐기에 이르는 전과정을 포괄적으로 평가하고 이를 통 해 공급망 관리, 규제 대응, 친환경 설계 최적화 등 전략적 의사결정의 근거로 활용하는 방향으로 확장되고 있다.

1.3 연구 방법론

본 연구에서는 복합재료 소형선박의 지속가능한 설계를 위 하여 역설계 및 전과정평가를 통합하는 체계적인 방법론을 제안하고자 한다. 첫째로 디지털 모델 구축 단계에서는 3D 스 캐너를 이용하여 대상 선박의 외부 형상을 정밀하게 측정하 여 3D 스캔 모델을 개발한 후 복합재료의 중량 특성을 반영 한 초기 역설계 모델과 수적층 공법에서 발생하는 실제 생산 공정 변수들을 정량적으로 반영한 모델을 각각 개발하였다. 이 과정을 통해 디지털 모델의 추정 중량을 실제 선박의 측정 중량과 비교하여 공정 특성을 고려한 역설계 모델을 완성하 였다. 둘째로 성능 개선 설계 단계에서는 개발된 역설계 모델 을 기준으로 시운전에서 제기된 저항 성능 및 복원성 개선 요 구사항을 만족시키도록 선형, 폭, 높이 등 주요제원을 수정하 여 최종 개선 모델을 도출하였다. 마지막으로 환경 영향 평가 비교 단계에서는 ISO 14040 국제 표준에 따라 공정 특성을 고 려한 역설계 모델과 최종 개선 모델에 대한 전과정평가를 수 행하였으며 설계 변경으로 달성된 환경 영향 감소 효과를 정 량적으로 비교하여 환경 부하의 주요 원인을 분석하였다.

2. 복합재료 소형선박의 역설계

본 연구의 대상 선박은 8m급 복합소재 소형선박으로 Fig. 1에 일반배치도를 나타내었으며 Table 1에는 초기 설계와 실 제 측정된 시제선의 주요 제원을 비교하여 나타내었다. 시 운전을 실시한 결과 초기 설계안은 ISO 12215-5에 따라 구조 치수(scantling)가 결정되어 구조적 안정성은 확보된 것으로 판단되나 저항 및 복원성 개선의 필요성이 제기되었다. 초 기 설계 단계에서 추정된 선체 중량 1,019kg과 실제 건조 후 측정된 중량 1,202kg 사이에 약 18%의 상당한 차이가 발생한 것을 확인하였으며 이러한 오차는 성능 예측과 환경 영향 평가의 신뢰도를 저해하는 주요 요인으로 본 연구에서는 원 인을 파악하고 개선 설계의 기준이 될 실제 제작과 유사한 모델을 구축하기 위해 역설계를 수행하였다. 본 연구의 역 설계 과정은 3D 스캔 모델, 초기 역설계 모델, 공정 특성 반 영 모델, 최종 개선 모델로 구체화할 수 있으며 각 모델은 이전 단계의 정보를 기반으로 점진적으로 개선된다.

2.1 3D 스캔 모델

지속가능한 설계의 첫 단계로는 실제 건조된 선박의 형상 을 디지털 데이터로 변환하는 것이다. 본 연구에서는 비접 촉식 스캐너(Artec Eva)와 상용 소프트웨어(Artec studio, Geomagic for SolidWorks)를 사용하여 대상 선박을 스캐닝하 고 계측된 데이터를 처리하였다. 사용된 스캐너의 주요사양 을 Table 2에 나타내었으며 계측된 포인트 클라우드는 선체 형상을 나타내는 디지털 데이터로 모델의 기초가 된다.

Fig. 2에는 원본 데이터(raw data)로부터 3D 스캔 모델을 구 축하기 위한 후처리(post-processing) 과정을 나타내었다. 먼저 Fig. 2(a)는 3D 스캐너로 측정한 초기 데이터로 표면 형상 정 보뿐만 아니라 선체 표면의 실제 색상과 질감(texture)을 포 함하고 있다. 이러한 정보는 후속 데이터 정합 과정에서 각 기 다른 스캔 데이터의 공통 형상 영역을 식별하고 정밀하 게 정렬하는데 중요한 시각적 참조점으로 활용된다.

다음으로 대상 선박의 크기로 인하여 단일 스캔으로는 전 체 형상을 한번에 스캔할 수 없으므로 스캐너의 위치를 여 러 번 이동하며 다수의 부분 스캔을 수행하였다. Fig. 2 (b)는 이렇게 여러 차례에 걸쳐 획득한 원본 포인트 클라우드 데 이터 그룹이며 각각의 다른 색상은 서로 다른 위치에서 측 정되어 독립적인 좌표계를 갖는 개별 스캔 데이터를 시각적 으로 구분하여 나타낸 것이다. 이 개별 데이터들을 하나의 완전한 데이터로 통합하기 위해 각 스캔 데이터에 포함된 공통 형상 영역을 기준으로 정합(registration) 과정을 수행하 였으며 이를 통해 모든 포인트 클라우드가 단일 좌표계로 정렬되어 하나의 형상으로 통합되었다.

정합된 스캔 데이터에는 스캔 과정에서 발생할 수 있는 측정 오류나 주변 환경에 의한 미세한 노이즈(noise)가 포함 되어 있을 수 있다. 따라서 데이터의 정밀도를 향상시키기 위해 이러한 노이즈를 제거하고 데이터 밀도를 균일하게 조 정하는 최적화 작업을 수행하여 고품질의 포인트 클라우드 를 확보하였으며 그 결과를 Fig. 2(c)에 나타내었다.

이처럼 최적화된 스캔 데이터는 여전히 수백만 개의 점으 로 구성되어 데이터 용량이 매우 크기 때문에 후속 모델링 작업에 비효율적이다. 따라서 형상의 주요 특징을 손상시키 지 않는 범위 내에서 데이터 포인트를 줄이는 다운샘플링 (down-sampling)을 수행하여 Fig. 2(d)와 같이 처리 가능한 수 준으로 데이터 크기를 경량화 하였다.

모든 후처리가 완료된 포인트 클라우드 데이터를 기반으로 각 점들을 연결하는 폴리곤 메시(polygon mesh)를 생성하여 표 면을 재구성함으로써 Fig. 2(e)와 같이 실제 선박의 외부 형상 을 재현하는 3D 스캔 모델을 구축하였다. 마지막으로 생성된 메시 데이터를 참조하고 곡면의 특징을 추출하여 3D CAD 모 델링을 수행하였으며 그 결과를 Fig. 2(f)에 나타내었다.

2.2 초기 역설계 모델

앞서 구축된 3D 스캔 모델은 선박의 표면 형상에 대한 데 이터만 포함하므로 실제 선박의 완전한 디지털 모델 개발을 위해서는 내부 구조와 재료 특성을 반영하여야 한다. 이를 위해 본 절에서는 3D 스캔 모델의 외부 형상 데이터를 기반 으로 초기 설계 도면에 명시된 내부 구조부재를 추가하고 복합재료의 적층 특성을 반영하여 초기 역설계 모델(Initial reversed-engineered model)을 개발하였다. 이 모델은 선체(hull), 갑판(deck), 늑골(frame), 격벽(bulkhead), 보강재(stiffener) 등 주 요 구조부재를 포함하여 역설계를 수행하였다.

초기 역설계 모델의 목적은 실제 생산 공정의 변수를 고 려하기 전 설계 표준과 도면에 근거한 이상적인 조건에서의 선박 중량 및 구조 특성에 대한 이론적 기준선을 설정하는 것이며 이때 ISO 12215-5의 계산식을 준수하도록 하였다. 이 는 초기 역설계 모델을 구축하는 단계에서 각 구조부재의 이론적인 두께와 중량을 산정하기 위한 공학적 계산 근거로 활용하기 위함이며 ISO 12215-5는 이러한 이론적 기준선을 설정하는데 필요한 공학적 계산식과 재료 물성치 데이터를 제공하는 역할을 한다. 각 구조부재를 구성하는 복합재료 적층(laminate)의 두께와 단위 면적당 중량은 Table 3에 제시 된 실제 건조된 선박의 적층 사양(laminate schedule)과 ISO 12215-5에서 제안하는 경험적 계산식을 적용하여 산정하였 다. 본 연구에서는 유리섬유 함유율을 기반으로 두께와 중 량을 추정하는 공식을 활용하였다.

먼저 식(1)과 같이 복합재료를 구성하는 개별 강화재(Mat, Roving) 한 장을 의미하는 각 층(layer)의 단위 면적당 유리섬 유 중량과 해당 층의 유리섬유 함유율을 이용하여 여러 강 화재가 혼합된 복합재료 전체의 평균 유리섬유 함유율을 계 산하였다. ψ_avg는 복합재료 전체의 평균 유리섬유 함유율을 의미하며 w_i과 ψ_i는 각각 i번째 층의 단위 면적당 유리섬유 중량과 함유율을 의미한다. 이렇게 계산된 평균 유리섬유 함유율(ψ_avg )과 단위 면적당 총 유리섬유 중량(W_total)을 이용 하여 식(2)와 같이 복합재료 적층의 최종 두께(t)를 산출하였 다(ISO 12215-5, 2008).

여기서,

여기서,

다음은 대표적으로 선체(hull)의 복합재료 적층 사양을 기 준으로 두께와 단위 면적당 중량을 산정하는 과정을 예시로 나타내었다. 강화재별 유리섬유 Mat와 Roving의 함유율은 각 각 30% (0.30), 48% (0.48)을 적용하였으며 각 단위 면적당 중 량은 실제 건조에 사용된 Mat 380g/m², Roving 570g/m²을 적용하였다. Table 4는 선체의 적층 사양(M+M+R+M+R+M+R +M)에 따른 계산 과정을 나타내었으며 합계 값을 식(1)에 적 용하면 ψ_avg는 0.3648로 36.48%의 평균 유리섬유 함유율을 산정할 수 있고 식(2)에 적용하면 t는 약 6.65mm를 산정할 수 있다. 또한 선체의 총 복합재료 중량은 단위 면적당 총 적층 중량에 선체 표면적(24.77m²)을 곱하여 구하였으며 단 위 면적당 총 적층 중량은 총 유리섬유 중량(W_total)을 평균 유리섬유 함유율(ψ_avg )로 나누어 3,610/0.3648=9,895.8g/m²과 같이 계산하였다. 즉 선체 총 복합재료 중량은 약 245.12kg 이며 Gelcoat 중량 59.49kg을 더해 총 304.61kg으로 산정하였 다. 동일한 방법을 다른 구조부재에 적용하여 두께와 중량을 계산함으로써 초기 역설계 모델의 전체 중량을 추정하였다.

Fig. 3은 선체뿐만 아니라 선체 상부를 덮는 갑판(deck), 외 판을 보강하는 횡방향 구조부재 늑골(frame), 선박을 수밀 구 획으로 나누는 격벽(bulkhead), 판 부재가 외부 하중을 견디 기 위한 보강재(stiffener) 등 앞서 절차를 통해 각 부재의 두 께 및 중량이 모두 반영된 초기 역설계 모델을 구축하여 나 타내었다. 그러나 이와 같은 역설계 모델로 추정된 선박 중 량은 1,052.97kg으로 실제 건조된 선박의 계측 중량인 1,202kg과 약 150kg의 큰 차이를 보였다. 즉 역설계 모델이 실제 선박보다 약 12.4% 가볍게 추정되었으며 이는 실제 건 조 과정에서 설계 단계에서 예상하지 못한 추가적인 복합재 료가 사용되었음을 의미한다.

2.3 공정 특성을 고려한 역설계 모델

정확한 성능 예측과 환경 영향 평가를 위해서는 개발된 초기 역설계 모델이 실제 건조된 선박과 동일한 중량 특성 을 가져야 한다. 그러나 앞서 역설계 모델의 중량이 실제보 다 가볍게 추정되었으며 이러한 중량 오차는 복합재료 소형 선박의 건조 방법이 수작업 방식의 수적층(hand lay-up) 공법 에 의한 것으로 판단하였다. 수적층 공법은 초기 설비 투자 비용이 낮아 중소형 복합재료 선박 건조에 널리 사용되지만 공정 대부분이 작업자의 수작업에 의존하므로 품질의 일관 성을 확보하기 어렵다. 이에 따라 건조 현장에서 흔히 발생 하는 세 가지 주요 요인을 단계적으로 고려하여 역설계 모 델의 중량을 실제 중량과 유사하도록 보정하였다.

첫 번째 주요요인은 불균일한 수지(Non-uniform resin)로써 본 대상 선박에 적용된 수적층 공법은 작업자의 숙련도에 따라 함침되는 수지의 양이 달라져 설계 두께보다 두껍게 제작될 가능성이 높다(Elkington et al., 2015). 이를 반영하기 위해 역설계 모델의 모든 적층 두께를 1~5mm까지 증가시켜 다양한 제조 공차 역설계 모델을 검토하고 그에 따른 중량 을 재계산하였다. Table 5에는 1~5mm 두께 제조 공차를 적용 하였을 때 부재별 두께 및 중량 변화를 나타내었으며 그 결 과 2mm를 추가한 경우 역설계 모델의 중량이 1,123.71kg으로 추정되어 실제 중량에 가장 근접함을 확인하였다. 따라서 이후의 보정에서는 2mm의 두께 공차를 전체 구조부재에 적 용하여 역설계 모델을 수정하였다.

다음 두 번째로 주요요인인 겹쳐진 유리섬유(Overlapped fiberglass)를 반영하였다. 선체 구조 부재를 선체에 접합하는 과정에서 유리섬유 적층이 서로 겹쳐 시공되므로 설계 추정 치 보다 추가 재료가 소요된다(ACMA, 2016). 이에 역설계 모 델에서 각 구조부재가 선체와 겹쳐지는 모서리 영역의 길이 를 계측한 결과 늑골 57.3m, 보강재 121.3m, 격벽 37.8m로 나 타났으며 여기에 유리섬유 겹친 폭 0.2m를 적용하여 총 면 적을 계산하였다. 또한 적층 사양으로부터 단위 면적당 유 리섬유 중량을 추정하여 추가 투입된 유리섬유의 중량을 산 출하여 역설계 모델에 추가하여 보정하였다.

마지막으로 모서리부 수지 과적층(Resin accumulation at corners)으로 수적층 공법의 특성상 적층 시 각 부재의 모서 리 부분은 완벽한 직각으로 성형되지 않고 둥근 필렛(fillet) 형태로 마무리된다(Hubert and Kratz, 2021). 이는 상대적으로 압력이 낮은 공간으로 수지가 이동하기 때문이며 이로 인해 모서리 공간에는 수지가 과다 적층되어 추가적인 수지가 채 워지게 되며 재료량이 증가 할 수 있다. 본 연구에서는 역설 계 모델에서 모든 내부 모서리 길이를 추출하고 단위 길이 당 모서리 필렛에 채워지는 수지의 체적을 추정하여 추가 수지의 총량을 계산하여 역설계 모델에 반영하였다.

이와 같이 제조 공정상의 세 가지 요소를 순차적으로 적 용한 결과 최종적으로 보정된 역설계 모델의 추정 중량은 1,202.24kg으로 이는 실제 건조된 선박의 계측 중량 1,202kg 과 거의 일치하였다. 이처럼 초기 설계 단계에서 고려하기 어려운 생산 현장의 비정형적 변수를 정량적으로 보정함으 로써 실제 건조된 선박과 유사한 중량 특성을 갖는 역설계 모델을 구축하였으며 Table 6에는 초기 역설계 모델부터 각 생산 공정 특성이 반영된 구조 부재 별 중량 변화를 정리하 여 나타내었다.

2.4 최종 개선 모델

공정 특성이 반영된 역설계 모델을 확보한 후 이를 기반 으로 시운전에서 제기된 성능 개선 요구사항을 반영하여 최 종 개선 모델을 개발하였다. 최종 설계 변경의 주요 목표는 선박의 저항 성능과 복원성을 향상시키고 선체 중량을 감소 시키는 것으로 이를 달성하기 위해서는 몇 가지 주요제원의 변경이 요구되었다.

먼저 저항 성능 개선을 위해 선수부 선체 선형을 기존보 다 더욱 날렵하게 수정하여 조파저항이 감소하도록 하였으 며 추가적인 복원성 확보를 위해 선미부의 폭을 2.20m에서 2.30m로 증가시켰다. 다음으로 선체의 수직 무게중심(Vertical Center of Gravity, VCG)을 낮추기 위해 깊이(Depth)를 1.25m에 서 1.15m로 감소시켰으며 선체가 해수와 접촉하는 면적을 줄여 마찰저항을 감소시키기 위해 침수표면적(Wetted Surface Area, WSA)을 24.77m²에서 23.20m²로 감소시켰다. 한편 선 박의 요구 배수량을 만족시키기 위해 수선간 길이(L.B.P, 8.00m)와 흘수(Draft, 0.30m)는 초기 설계와 동일하게 유지하 였다. Table 7에는 공정 특성을 고려한 역설계 모델과 설계 변경을 반영하여 도출된 최종 모델의 주요 제원을 비교하여 나타내었으며 최종 개선 모델의 추정 중량은 1,184.70kg으로 생산 공정을 고려한 역설계 모델(1,202.24kg) 대비 17.5kg 감 소한 것을 확인하였다.

3. 복합재료 소형선박의 지속가능한 설계

본 연구의 핵심은 선박의 성능 개선을 위한 설계 변경이 환경에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고 두 목표를 동시 에 달성하는 것이다. 이를 위해 Fig. 4의 국제 표준인 ISO 14040 및 14044에 따른 전과정평가 프레임워크에 따라 수행 되었다. 평가는 앞서 도출된 공정 특성을 반영한 역설계 모 델(Case-1)과 성능 개선 요구사항을 반영한 최종 개선 모델 (Case-2)을 대상으로 수행되었으며 평가 범위는 복합재료 소 형선박의 제조 단계로 한정하였다. 이 평가는 지속가능한 설계 방법이 환경적 성과 개선으로 이어졌음을 정략적으로 보여주었다(ISO 14040, 1997).

3.1 전과정 목록 분석(Life Cycle Inventory, LCI)

전과정 목록 분석은 평가에 필요한 기초 데이터인 제품 생산에 투입되는 원자재와 에너지의 목록 및 사용량을 수집 하고 분석하는 단계이며 Case-1과 Case-2의 역설계 모델을 활용하여 원자재 정보를 기반으로 전과정 목록 분석을 수행 하였다. Table 8의 LCI 데이터는 설계 변경이 가져온 재료 소 비량의 변화를 나타내었으며 이는 모든 재료가 일률적으로 감소하는 경향을 보이지 않고 특정 성능 목표를 달성하기 위해 가감되는 경향을 보였다.

분석 결과 가장 두드러진 변화는 Polyester resin(-17.56kg), CSM(Chopped Strand Mat)(-4.79kg), Roving(-3.84kg)으로 선체의 주요 구조를 형성하는 재료들이 감소하였으며 이는 침수표 면적(WSA) 감소에 의한 것으로 해당 표면을 구성하는데 필 요한 재료 CSM, Roving과 이를 함침시키는 Polyester resin이 직접적으로 감소한 것으로 판단된다. 또한 선박의 깊이를 낮춘 것 역시 선체 측면과 내부 구조 부재의 표면적을 줄여 재료 소모량이 감소한 것으로 보인다. 반면 전반적인 재료 량의 감소 경향에서 Balsa의 사용량은 9.15kg 증가하였으며 이는 복원성 향상이라는 요구사항을 만족시키기 위한 설계 변경의 결과로 선미부 폭을 증가시키는 과정에서 선미 격벽 의 면적이 증가하고 격벽의 코어 재료로 사용된 Balsa의 사 용량이 증가한 것으로 판단된다. 이는 지속가능한 설계가 단순히 재료량을 감축시키기 위한 설계가 아닌 성능 개선을 위한 최적화 과정임을 보여주었으며 역설계 모델 기반 LCI 는 설계 변경에 따른 성능 개선과 재료의 사용량 변화 관계 를 정량적으로 나타내어 설계자의 의사결정을 지원한다.

3.2 전과정 평가(Life Cycle Assessment)

전과정 목록 분석 결과를 기반으로 수행된 전과정평가는 설계 변경에 따른 환경 영향을 구체적인 범주별로 정량화하 고 환경 부하의 주요 원인을 추정함으로써 향후 최적화 전 략의 방향을 제시한다. 이를 위해 유럽 복합재 산업 협회 (EuCIA)에서 제공하는 Eco Impact Calculator를 사용하여 환경 영향을 평가하였으며 평가 방법론은 ILCD 2011 Midpoint+ (v1.06)를 적용하였다(European Commission, 2011). 평가를 위 한 입력데이터는 Table 8에 제시된 Case-1과 Case-2를 구성하 는 각 원자재(유리섬유, 수지, 코어재 등)의 중량이며 이를 ILCD 2011 Midpoint+ (v1.06)에 내장된 데이터베이스를 참조 하여 각 원자재를 생산하고 가공하는데 필요한 자원 및 에 너지 투입량과 오염물질 배출량을 계산한다. 이를 통해 산 출된 결과는 Table 9와 같이 8개의 주요 환경 영향 범주에 대한 특정 환경 문제의 잠재적 환경 영향을 정량화하여 나 타내었으며 예를 들어 기후 변화(Climate change)는 kgCO₂eq 단위로 산출되어 객관적인 환경성 비교를 가능하게 하였다.

분석 결과 최종 개선 모델(Case-2)이 공정 특성을 고려한 역설계 모델(Case-1) 대비 중량 감소율 이상의 환경 영향 감 소 효과를 확인하였다. Case-2의 중량은 1,184.70kg으로 Case-1 대비 약 1.46% 감소하였으나 Table 9와 같이 8개의 환 경 영향 범주에서의 평균 감소율은 1.97%에 달하며 특히 기 후 변화 범주에서 최대 2.60%의 감소 효과를 보였다. 평균 환경 영향 감소율이 중량 감소율을 상회하는 원인은 재료 사용량의 변화에 의한 것으로 판단되며 앞서 LCI에서 확인 한 바와 같이 설계 변형은 환경 부하 기여도가 가장 높은 Polyester resin의 사용량을 감소시켰으나 상대적으로 환경 영 향이 미미한 Balsa의 사용량은 증가하였다. 이는 Fig. 5에서 나타낸 것과 같이 Polyester resin이 모든 환경 영향 범주 중에 서 압도적인 비중을 차지하는 반면 Balsa의 기여도는 상대적 으로 미미하였기 때문으로 판단된다.

결과적으로 설계 변경 과정이 환경 부하가 큰 재료를 집 중적으로 줄이고 부하가 적은 재료의 증가를 감수함으로써 전체 선박 중량의 감소율보다 더 큰 친환경적 효과를 얻음 으로써 지속가능한 설계를 달성하였다. Fig. 5와 Fig. 6에 제 시된 재료별 환경 영향 평가 결과 분석은 향후 환경 영향을 고려한 설계 변경 시 최적화 방향을 설정하는데 있어 전략 적 방안을 제공한다. 이 결과는 Polyester resin이 전체 환경 부하의 주요 요인임을 보여주었으며 이는 향후 선박 성능 및 환경 영향 개선을 위해서는 재료 및 공정 개선이 이루어 져야 함을 보여주었다. Fig. 5에서 Polyester resin은 특정 범주 가 아닌 모든 환경 영향 범주에 걸쳐 지배적인 영향을 미치 는 것을 확인하였다. 오존층 파괴(Ozone depletion)에서의 영 향은 76.5%이며 광물/화석 자원 고갈(Mineral, fossil resource depletion)의 영향은 49.1%로 그 영향은 모든 범주에 걸쳐 나 타났다. 이는 Polyester resin 사용량의 감소가 복합재료 선박 의 지속가능성을 높이는 가장 효과적인 전략임을 뒷받침하 며 Gelcoat와 같이 전체 중량에서 차지하는 비중은 적지만 특정 범주에서는 다른 재료 대비 높은 환경 영향을 보이는 재료를 식별하여 최적화하는 방안도 제안된다. Fig. 6은 가장 주요한 환경 영향 범주인 탄소 배출량을 나타내었다. LCI 측 면에서 약 48%를 차지하는 Polyester resin은 기후 변화 범주 에서는 각각 63.9%(Case-1), 63.4%(Case-2)로 압도적인 비중을 차지하였으며 반면 중량 비중이 13~14%에 달했던 Balsa는 2.6~2.8%의 미미한 기여도를 보였다. 이처럼 최종 개선 모델 을 활용하여 Polyester resin을 바이오 기반 수지(Bio-based resin)이나 재활용이 용이한 열가소성 수지(Thermoplastic resin) 등 환경 부하가 낮은 대체재로 변경하여 환경 영향 평 가를 수행할 수 있으며 현재 수적층 공법에서 진공 인퓨전 (vacuum infusion)이나 RTM(Resin Transfer Molding)과 같은 첨 단 공정으로 전환하는 시나리오로 모델링할 수 있다. 이는 두께 제조 공차나 모서리부 수지 과적층과 같은 초과 재료 를 줄이는 것을 의미하며 첨단 공정을 적용한 경우에는 더 높은 함유율을 LCI에 반영함으로써 환경 영향을 산출할 수 있다.

이로써 성능 개선에 따른 구체적인 설계 변경과 직접적으 로 연관된 1.97%의 환경 영향 개선 효과를 정량화하였으며 또한 전과정평가를 건조 후의 사후 검증 수단뿐만 아니라 설계 초기 Design spiral 단계에 통합하여 사전 예측 및 성능 최적화 도구로 활용할 수 있는 가능성을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구는 3D 스캐닝 기반의 역설계 기술과 전과정평가 를 통합하여 복합재료 소형선박의 실제 생상 공정 특성을 반영한 지속가능한 설계 방법론을 제안하고 유효성을 검토 하였다. 설계 도면상의 이론적 모델과 실제 건조된 선박 간 의 물리적 차이를 정량적으로 규명하고 수적층 공법의 한계 인 불균일한 수지, 유리섬유 겹침, 모서리부 수지 과적층에 대한 특성을 단계적으로 모델에 반영하였다. 그 결과 추정 중량이 실제 측정 중량과 거의 동일한 모델을 개발하였으며 이는 기존에 정량화하기 어려웠던 수작업 공정의 비정형성 을 모델에 반영할 수 있음을 보여주었다. 이와 같이 공정 특 성을 고려한 모델을 기반으로 성능 개선을 위한 최종 개선 모델을 개발하여 약 1.46%의 선체 경량화를 달성하였다. 이 후 전과정평가를 수행하여 설계 변경이 환경에 미치는 영향 을 분석하였으며 8가지 환경 영향 범주에서 평균 1.97%의 환경 영향 감소 효과를 확인하였다.

이와 같이 본 연구는 역설계를 단순한 형상 복원을 넘어 실제 생산 공정의 가변성을 반영한 디지털 모델 개발에 활 용하였으며 이를 환경 영향 평가와 직접 연계함으로써 성능 개선과 친환경성이라는 두 가지 목표를 데이터 기반으로 통 합하여 지속가능한 설계 프레임워크를 제안하였다. 다만 본 연구에서는 실제 생산 공정을 반영한 디지털 모델 구축과 환경성 평가에 집중하여 구조 강도의 상세한 변화를 직접적 으로 검증하지 못한 한계점을 가지고 있다. 이에 향후 연구 로 개발된 최종 개선 모델에 대한 구조적 안정성을 검토하 고 경량화와 구조 강도 간의 상호 관계를 최적화하는 연구 를 수행하여 본 방법론의 실용적 가치를 더욱 높이고자 한 다. 또한 전과정평가 범위를 확장하여 현재 선박 건조 공정 으로 한정되어 있는 범위를 선박의 운항 및 폐기 단계까지 포함하여 더욱 포괄적으로 적용하고자 한다.