힌국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 ‘에너지연’) 수소융복합소재연구실 김선동 박사 연구진이 고온에서 수증기를 전기분해해 청정수소*를 생산하는 고온수전해** 스택***을 개발했다.스택은 수증기 분해에 최적으로 설계돼 해외기술에 비해 낮은 작동온도로도 높은 수소 생산효율을 나타냈다. 현재까지 대부분의 고온수전해 스택 기술은 유사 기술인 고체산화물 연료전지*의 설계를그대로 도입해 제작되고 있으나, 에너지연이 개발한 고온수전해 스택은 초기 설계 단계부터 수증기 전기분해에 최적화될 수 있도록 설계됐다. 연구진은 고온수전해의 연료인 수증기가 고체산화물 연료전지의 연료인 수소와 매우 큰 유동 특성 차이를 가진다는 점에 주목했다. 수증기는 수소보다 부피가 크고 점성이 낮아 스택 내부에서 수증기가 잘 흐르지 못하면 셀의 촉매 층에 고르게 분포되지 못해 효율이 저하된다. 이에 연구진은 수증기 유동 특성에 최적화된 분리판을 설계해 유동 균일성을 확보하고 이를 통해 뛰어난 성능을 확보하는데 성공했다. 또한 연구진이 개발한 고온수전해 전용 스택은 대용량 수소 생산에 적합한 형태의 전극지지형 셀을 적용해 전해질 지지형 셀 해외 기술 대비 100~200℃ 낮은 650~750℃ 온도에서 작동해 소모 전력은 줄이면서도 수소 생산 효율은 우위에 있다. 스택이 750℃의 온도에서 작동할 경우, 하나의 셀로부터 저위발열양* 기준 100%에 달하는 전기 효율로 시간당 약32L 의 수소 생산이 가능하다. 일반적으로 스택은 30개의 셀로 구성되는데, 이 경우 시간당 약 1,000L의 수소를 생산할 수 있다.

한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 2024년 1월부터 「중대재해처벌법」 적용 대상인 소규모 건설공사(공사금액 50억 미만의 공사)의 위험 요소 분석 및 안전관리 업무지원을 목적으로 보급형 스마트 안전모를 개발했다고 밝혔다. 다양한 산업 분야에서 안전점검 및 현장 안전관리를 위한 IoT 기반 스마트 안전 기술이 개발되고 있다. 영상 수집 및 통신 기능을 탑재한 일체형 스마트 헬멧은 국내 대형 건설회사에서 일부 도입되어 활용되거나 시범적으로 적용된 사례가 있다. 그러나 높은 가격, 사용상의 불편함 또는 작업자의 낮은 안전의식 등의 원인으로 보편화되지 않는 상황이다. 이에 건설연 미래스마트건설연구본부 스마트 건설안전 연구팀(팀장: 김태훈 박사)은 경남지역 테크노파크(TP) 패밀리 기업인 ㈜오에스랩과 협력하여 기존 안전모에 결합이 가능한 저비용․고효율 스마트 안전모를 개발하였다. 스마트 안전모는 통신 기술과 최신의 IoT 디바이스를 안전모에 설치하여 작업자가 착용 시 실시간으로 현장을 모니터링 할 수 있다. 이를 통해 건설 현장의 심각한 위험 상황 및 크고 작은 사고들을 예방할 수 있다. 스마트 안전모는 차량의 블랙박스처럼 영상 송신 기능, WiFi 및 LTE 통신 기능, 음성 통신 기능, GPS 수신 기능 등을 포함하고 있다. 송신된 영상은 AI 기반 분석을 통해 위험 요소를 탐지하고, 위험 상황 발생 시 신속하게 작업자의 위치를 파악하고, 현장에 경보 알람이 울리기 시작하며, 동시에 즉각적인 구조요청이 관제센터에 전달된다.

한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 학생들을 위한 미세먼지로부터 안전하고 조용한 교실 환경 유지 관리 시스템을 개발했다고 밝혔다. 개발된 시스템은 안전하고 청정한 공기를 교실에 공급할 수 있으며, 동시에 공기조화기 소음을 최소화하여 40데시벨 이하로 상시 유지할 수 있다. 일반적인 교실에는 미세먼지 저감을 위한 공기청정기를 비롯하여 별도의 냉난방기가 각각 설치되어 있다. 건설연 환경연구본부 연구팀(팀장: 장춘만 박사)은 공기청정, 냉난방 및 환기 기능을 모두 수행할 수 있는 고성능 공기조화기와 기류 제어 시스템을 개발하였다. 개발된 공기조화기는 산화아연 코팅을 통한 항균·항바이러스 필터를 포함하고 있어 살균된 안전한 공기를 교실에 공급할 수 있다. 또한, 개발된 기류 제어 시스템은 교실로 공급되는 청정 공기를 실내에 균일하게 분포시킬 수 있도록 환기 디퓨저(배기구)의 위치를 최적 설계하였다. 연구팀은 개발된 기술의 성능평가를 위해 2개 교실과 복도를 포함한 학교 실환경 실증 테스트 베드를 구축하여 약 2년간 성능 평가를 진행했다. 공기조화기 및 기류 제어 시스템 적용 후 미세먼지가 얼마나 감소하였는지 측정하였다. 기존 방식인 환기 디퓨저 위치가 교실 천장 상부에 설치되는 경우, 미세먼지 농도 개선을 위해 20분이 필요했다. 기류개선 연구를 통하여 교실 복도 측면 바닥에 환기 디퓨저를 설치하였으며, 13분 만에 초미세먼지 나쁨(65㎍/㎥)에서 좋음(15㎍/㎥)의 상태로 변화하는 것을 확인하였다.

센터 연구진은 심부 시추공 물리검층 방법을 이용한 심지층 특성화 기술 개발과 더불어, 고성능 장비 제작 국산화기술 확보 연구의 일환으로 깊이 1.5 km까지 적용 가능한 공곡검층장비 K-DEV(KIGAM borehole DEViation logging tool)를 개발했다. 그동안 국내에서는 시추공 공곡검층을 별도로 수행하지 않고, 주로 시추공벽 영상검층 장비에 부착된 3성분 가속도계와 3성분 자력계로부터 제공되는 자료로부터 시추공의 궤적을 알아내는 것이 일반적이었다. 그러나, 수요가 늘어나면서 시추공 보호를 위한 철재 케이싱 설치로 인해 자력계를 사용하는 전통적 방식의 공곡검층이 불가능한 경우가 생겼다. K-DEV는 상용 와이어라인 윈치(winch)시스템에 호환되도록 실시간 통신 및 지상 제어 장비를 갖추고 있으며, 공곡 자료 뿐만 아니라 온도, 압력, 그리고 자연감마선까지 함께 연속적으로 측정할 수 있다. ‘21년 하반기에 500m 급 시작품이 개발된 후, 여러 개의 시추공에 적용하면서 기능을 개선하고 2023년에 이르러 최대 1,600m 깊이까지 그 성능을 검증하는데 성공했다. 개발된 K-DEV는 한국지질자원연구원의 고유 핵심 임무를 담당할 여러 기본사업(심부 시추공 지구물리 관측망 구축, 이산화탄소 지중 저장, 고준위 방사성폐기물 처분 연구 등)에서, 심부 시추공을 활용하는 다양한 연구 분야에 기여할 것으로 기대된다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 무단 굴착 등으로 발생하는 배관 누출 사고를 사전에 예방할 수 있는 지하 매설 배관 파손 예방 및 조기 탐지 시스템을 개발했다. 무단 굴착공사는 물, 석유, 가스 등을 수송하는 지하 매설 배관의 주요 파손 원인 중 하나로, 배관 관리주체에서 사전에 파악하기 어렵다. 파손으로 누출사고 발생 시 환경오염은 물론 폭발, 화재, 싱크홀 등의 위험이 따르지만 예방적 관리가 힘든 것은 이런 이유에서다. KRISS 구조안전모니터링팀이 개발한 이번 기술은 지하 매설 배관이 파손되기 전에 외부 손상 요인을 실시간 탐지해 사고를 방지하는 시스템이다. 무단 굴착공사 등으로 배관에 충격이 가해지면 이를 파손 위험 징후로 포착해 조기 경보한다. 기술의 핵심은 배관 충격 시 배관을 통해 전파되는 탄성파의 정밀측정 센서와 분석 알고리즘이다. 배관에 수백 미터 간격으로 한 쌍의 센서를 부착하면 두 센서 사이에서 발생하는 충격 신호를 실시간 모니터링해 충격이 발생한 시각과 위치 정보를 즉각 산출할 수 있다. 지진 관측센터에서 진동을 감지한 후 지진파의 도달 속도를 이용해 지진의 발생 시각과 위치를 계산하는 것과 같은 원리다.

한국전기연구원(KERI) 전기변환소재연구센터 최혜경·윤민주 박사팀이 자연계에 없는 ‘메타물질’을 활용해 열전발전 소자의 신축성과 효율성을 세계 최고 수준으로 높일 수 있는 기술을 개발했다. 일반적으로 힘을 가해 물질을 가로 방향으로 늘리면 세로 방향이 줄어드는 것이 정상이다. 고무공을 누르면 옆으로 납작하게 퍼지고, 고무줄을 당기면 팽팽하게 늘어나는 것과 같다. 이렇게 힘을 받은 수직방향으로 압축·팽창하는 비율을 ‘푸아송비(Poisson's ratio)’라고 한다. 반대로 메타물질은 자연계 물질과 달리 가로 방향으로 늘려도 세로 방향도 함께 늘어나는 인공적으로 설계된 물질이다. 메타물질은 음(Negative)의 푸아송비를 가진다. 최혜경·윤민주 박사팀이 활용한 개스킷은 메타 구조로 되어 있어 열전소자의 구조적 안정성을 크게 높여준다. 다양한 형태로 변형이 가능하고, 사람의 피부처럼 잘 늘어나며, 어느 곳에도 부착이 용이하다. 또한, 개스킷 내부의 공기가 우수한 절연성을 가지고 있어 열 손실을 막고, 기존의 유연 열전 소자 대비 온도 차를 최대 30%까지 높이는 등 열전소자의 효율성도 확보했다.

자동차 업계에서 주목하는 차세대 꿈의 배터리인 전고체 전지 기술 선점을 위한 경쟁이 치열하다. 폭발적으로 성장해온 리튬이온전지의 발목을 잡는 화재 위험성을 해소하고 높은 에너지밀도를 통해 전기 자동차의 주행거리의 족쇄를 풀어줄 해법이기 때문이다. 모든 구성 요소가 고체 상태인 전고체 전지는 고체전해질의 역할이 배터리의 특성을 좌우한다. 고체전해질 재료는 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계로 구분되며, 산화물계 전해질의 경우 안정성이 높고 공정비용이 낮다는 장점이 있어 활발한 연구가 이뤄지고 있다. 이러한 가운데 한국에너지기술연구원(원장 이창근) 에너지저장연구단 장보윤 박사 연구진이 상온에서도 높은 이온전도성을 가진 전고체 전지용 복합 고체전해질*을 개발에 성공했다. 복합 고체전해질을 적용한 전고체 전지는 310 Wh/kg의 높은 에너지밀도 성능을 보였으며, 구부리거나 자르는 극한 상황에서도 전지가 안정적으로 작동되는 우수한 내구성까지 증명했다. 연구진의 이번 연구 결과는 캐나다 국책연구소인 NRC와의 2년 간의 국제 공동연구를 통한 결과로, 캐나다의 핵심 광물을 활용한 전고체 전지 기술의 국제협력을 강화해 연구원의 역량 강화는 물론 이를 통해 북미 시장 진출의 중요한 발판이 마련될 것으로 기대된다.

동절기 공사는 극한의 온도 조건을 고려하여 재료 관리, 콘크리트 타설, 양생 등 철저한 동절기 공사계획 수립이 필요하다. 그러나 일부 현장에서는 동절기에 타설된 콘크리트의 재료 불량, 양생기간 부족 등의 품질관리 문제가 지속적으로 발생하고 있다. 이러한 품질관리 문제 때문에 콘크리트의 적정 강도를 확보하지 못해 인명피해를 포함한 다양한 사고로 이어진다. 또한, 매년 동절기 콘크리트 보온양생 작업 시 갈탄 연료 사용에 의한 일산화탄소 질식 사고가 끊이지 않고 있다. 2021년 한국산업안전보건공단에서 발표한 자료에 따르면 최근 10년간 건설업 질식 재해사고 25건 중 17건이 콘크리트 보온양생 작업 중에 발생한 것으로 나타났다. 이에 건설연 남북한인프라특별위원회 연구팀은(위원장: 고경택 박사) 동절기 충분한 공사 기간 및 품질 확보를 위하여 혹한 기후 조건에서도 건설시공이 가능한 ‘고성능 콘크리트 배합 기술’과 에너지 사용량을 최적화시킨 ‘저비용·고효율의 양생 기술’, 콘크리트의 품질관리가 가능한 ‘AI 기반 동절기 시공관리 시스템’을 개발하였다. 구체적으로 동절기에 고성능 콘크리트의 초기 강도 향상을 위하여 구성 재료 선정과 다양한 역학적 성능 검증 등을 통해 최적의 배합을 도출하였다. 결과적으로 국내 최초로 초기 응결 시간을 16% 단축하였고, 콘크리트 타설 후 1일 만에 거푸집 탈형 강도 14MPa(메가파스칼, ≒140kgf/㎠) 이상인 19.6MPa(≒196kgf/㎠)을 확보하였다.

한국기초과학지원연구원(원장 양성광, 이하 KBSI)은 소재분석연구부 한도경 박사가 한양대학교(총장 이기정, 이하 한양대) 생명나노공학과 성기훈 교수 연구팀과 공동으로 사람의 혈액 외에 타액과 같은 비침습적 방법으로도 CRP를 효과적으로 검출할 수 있는 고감도 신속 진단용 종이 슬립칩을 개발했다고 14일 밝혔다. CRP는 감염, 패혈증, 자가면역질환 등 염증성 질환 또는 심근경색, 악성종양, 외상, 수술 등 조직 손상이 발생하면, 수 시간 내 간에서 혈류로 분비되는 대표적인 급성기 반응성 단백질이다. 따라서, CRP 검사 수치가 정상 범위(혈청 1-3 μg/mL, 타액 0.5-10 ng/mL)를 넘어 고위험에 해당되면, 그 만큼 중증 세균, 바이러스 감염, 뇌경색, 심장질환, 암 등의 발병 가능성이 큰 것이므로, 신속한 진단을 통해 질병 여부를 확인한 후 추가적인 정밀 검사를 해야 한다. 기존 혈액 검체를 통한 CRP 검사법은 검사 과정에서 채혈 스트레스나 채혈 자체가 부담스러운 영유아, 노약자를 대상으로 한 진단 검사에는 사용이 제한적일 수 밖에 없었다. 이러한 문제를 해소하고자 공동연구팀은 기존의 진단 키트와 작동방식은 유사하지만, 고감도 비침습 분석이 가능한 신속 진단 슬립칩을 개발했다. 이 슬립칩은 저비용의 종이 소재로, 종이 상에 친수성과 소수성 패턴을 디자인해 대상자의 검체 시료와 검출 신호를 증폭해 주는 시약이 순차적으로 주입될 수 있도록 만든 종이 분석칩이다.

도금, 반도체, 자동차, 배터리, 신재생에너지 등 다양한 산업에서 발생하는 폐수 내 유가금속을 회수하기 위한 기술은 환경보호뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 중요하다. 우리나라에서는 주로 폐수에 화학물질을 첨가해 중금속 이온을 산화물 형태로 석출시키는 방식을 사용하는데, 이 과정에서 유해 화학물질이 유출되는 등 사고가 잇따르고 있어 보다 친환경적인 기술 개발이 필요한 상황이다. 이런 가운데 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 물자원순환연구단 최재우 박사팀이 금속을 흡착한 후 결정화하는 방식으로 수중의 금속 이온을 회수하고, 회수된 금속 결정은 스스로 탈착되어 자가 재생이 가능한 섬유형 금속 회수 소재를 개발했다고 밝혔다. KIST 연구팀은 섬유 형태의 소재 표면에 특정 화학기능기를 고정하면 수중 금속 이온이 결정화되는 현상을 활용하는 한편, 형성된 결정을 떼어내는 기술을 도입해 반영구적으로 사용할 수 있는 흡착 소재를 개발했다. 구리 이온으로 실험했을 때 기존 흡착제의 최대 흡착량은 약 1,060mg/g에 불과하지만, 개발된 소재를 활용하면 무한대에 가까운 흡착성능을 확보할 수 있다.