한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 나노포토닉스연구센터 김종범 선임연구원 팀이 공기 중 1,000℃의 고온과 강한 자외선이 있는 환경에서도 광학적 특성을 유지하는 복사 스펙트럼 제어용 내화성 소재를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 란타넘이 도핑된 주석산염(이하 “LBSO”)을 레이저 증착법을 통해 격자 변형이 없는 나노 단위의 얇은 박막 형태로 제작했다. LBSO 소재는 고온에서 산화되는 텅스텐, 니켈, 질화 티탄늄 등 기존 내화 전도성 소재들과 달리 1,000℃의 고온과 9 MW/cm2의 강한 자외선 빛에 노출됐을 때도 성능을 유지했다. 이후 LBSO 소재로 적외선 대역의 파장만을 선택적으로 방출할 수 있는 다층 박막 구조 기반의 열 복사체를 제작해 실험한 결과, 복합적인 구조에서도 박막 형태일 때와 마찬가지로 열과 빛에 대한 안정성을 가져 열광전지(TVP) 발전 기술로의 적용 가능성을 확인했다. LBSO 소재를 사용하면 공기와 만나 산화하는 것을 막기 위한 추가적인 조치 없이도 열복사를 열광 전기 셀에 전달할 수 있다. KIST 김종범 선임연구원은 “날씨에 따라 전기 생산량이 달라지는 태양광이나 풍력 재생에너지의 대안으로 태양열 및 고온 환경에서 방출되는 복사에너지를 활용해 전력을 생산하는 친환경 열광 발전 기술이 주목받고 있다”라면서, “LBSO 소재로 열광 발전의 상용화를 앞당겨 기후변화 및 에너지 위기 대응에 기여할 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 나노 소재가 가지고 있는 다양한 성질을 한 번에 측정할 수 있는 융합 나노현미경을 개발했다. 나노 영역에서 융복합 신소재의 물성 연구에 필수적인 장비로, 상용화에 적합해 관련 소재 및 장비 산업 발전을 촉진할 전망이다. 이번에 개발한 현미경은 원자힘현미경, 광유도력현미경, 전기힘현미경의 기능을 합친 융합 나노현미경이다. 렌즈 대신 미세한 기능성 탐침으로 시료를 두드려 그 안팎을 들여다보는 방식으로, 나노물질의 형상과 광학적·전기적 성질을 단 한 번의 스캔으로 동시에 측정할 수 있다. 융합 현미경을 필요로 하는 대표적인 나노 소재는 이중층 그래핀이다. 단층 그래핀에 비해 기계적 강도와 유연성, 열전도율이 높아 응용 잠재력이 뛰어난 물질로 손꼽힌다. 각 층에 가해지는 전압을 달리하거나 겹쳐진 각도를 변형함에 따라 초전도성을 비롯한 다양한 물성을 띈다. KRISS 나노분광이미징팀은 융합 나노현미경을 이용해 이중층 그래핀에서 나타나는 독특한 적외선 흡수반응의 원리를 나노 영역에서 밝혀냈다. 그래핀은 이중층으로 구성하면 단층 구조일 때와 달리 적외선을 흡수하는 영역이 생겨난다. 연구진은 이 같은 현상이 그래핀 두 층 간의 전하 불균형으로 인해 발생한다는 점을 융합 현미경을 통해 확인하고, 인위적으로 전하 불균형을 조절해 적외선 흡수 성질을 제어할 수 있음을 실험을 통해 입증했다

한국전자통신연구원(ETRI)은 조작 및 삭제할 수 없는 블록체인 플랫폼의 장점을 살리면서 중복저장, 느린 속도, 획일화된 검색이라는 블록체인 기술의 한계를 극복하는 연구를 진행했다. 본 연구를 통해 특정 분야에서만 활용되던 블록체인 기술의 활용성이 어류의 질병 모니터링 등 타 분야에도 크게 확대될 것으로 보인다. ETRI 연구진은 이번 개발한 연구 결과를 다양한 분야에 활용할 계획이며, 제주해양수산연구원과 협력해 어류 질병 모니터링 서비스를 개발한다고 밝혔다. 연구진은 지난달 10일, 그동안의 실증 성과를 발표했다. 이번 발표회에서는 ETRI가 개발한 블록체인 기반 저장/분석 플랫폼을 통해 어류의 질병을 신속하게 판단하고 대응할 수 있는 시스템을 구축했다. 이 플랫폼은 제주도에서 수행한 어류 개체 영상 데이터 구축사업에서 수집한 질병 데이터를 기반으로 개발됐다. 연구진은 양식장에서 촬영한 넙치 사진과 다양한 데이터를 탈중앙 스토리지 및 블록체인에 저장해 다양한 인덱스를 구축했다. 향후 빠른 검색과 분석을 통해 질병 발생을 판단하고 예측할 수 있는 신뢰 기반 서비스를 제공할 계획이다. 제주도와 제주해양수산연구원은 서비스의 수요자 관점에서 넙치 데이터 수집부터 질병 진단, 항생제 처방에 이르는 전 과정에 의견을 제시하고 실사용자 요구사항을 수렴해 시스템의 유용성을 더욱 향상시킬 계획이다.

한국원자력연구원 저장처분기술개발부 김정우 박사 연구팀은 고준위 방사성폐기물 지하 처분장 내 물질의 이동, 변화 등의 거동을 수십만 년 후까지 예측하고 영상으로 확인할 수 있는 모듈화된 시뮬레이션 프로그램(아프로, APro*) 개발에 성공했다고 30일 밝혔다. 500m 지하에 처분된 방사성폐기물 주변에서는 수십만 년 이상 동안 복합적 현상들이 다양하게 발생한다. 처분된 사용후핵연료 붕괴열에 의한 열전달 현상, 암반과 단열을 통해 흐르는 지하수 유동 현상, 매우 높은 압력을 받는 암반과 처분장 구조물들의 역학 현상, 확률은 매우 낮지만, 폐기물로부터 방사성핵종이 물에 녹아 누출됐을 때 다른 물질과 반응하는 지화학 현상 등이 연계된다. 연구진은 처분장 내에 발생하는 복합 현상들을 고려한 종합적인 안전성 평가 기술 개발에 집중했다. 병렬계산, 기계학습과 같은 고성능컴퓨팅 기술을 이용해 복합적 현상들의 변화 과정을 3차원적으로 평가하는 데 성공했다. 또한, 지하 처분장에서 발생할 수 있는 특정 현상들만 조합해서 상호 작용 등을 평가할 수 있도록 전산 모듈화했다. 프로그램 사용자는 레고 조각을 조립하듯 원하는 요소들만 조합해서 시공간에 따른 변화 과정을 3차원 영상을 통해 확인할 수 있다.

한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 한석윤)은 인천교통공사와 공동으로 인천도시철도 1호선에 ‘무선통신 기반 장대레일 실시간 모니터링 장기계측 시스템’을 구축했다. 장대레일 실시간 모니터링 장기계측 시스템은 레일의 온도 및 대기의 온도와 습도, 레일에 가해지는 윤중과 가속도 등 궤도의 상태를 실시간으로 모니터링하는 시스템이다. 궤도의 오랜 거동 상태를 실시간 감시할 수 있도록 계측 데이터 자동 추출을 위한 실시간 모니터링 프로그램을 개발하여 해당 구간의 데이터 변화 추이를 일, 월, 년 단위로 확인 및 관리하고 있다. 열차가 다니는 길인 레일은 온도와 하중에 민감하다. 특히, 승객의 승차감 증대와 열차의 고속화를 위해 이음매가 없는 길이 200m 이상의 장대레일에서는 극심한 온도 차이로 인한 내부응력 변화로 문제가 발생될 수 있다. 영상 40도 이상의 폭염에서는 레일이 평소보다 늘어나면서 자칫 휘거나 솟아오르는 레일 장출이 발생할 수 있고, 추운 겨울에는 레일이 수축하면서 끊어지는 레일 절손 등이 일어날 수 있다. 레일의 변형이 생기면 열차 탈선사고가 발생할 수 있고, 열차 운행에 지장을 주기 때문에 레일 거동상태를 모니터링하여 선제적으로 대응하는 것이 매우 중요하다. 개발된 장대레일 실시간 모니터링 장기계측 시스템은 현장에서 실시간 계측한 정보를 무선통신망으로 클라우드 웹서버에 데이터를 전달하면 컴퓨터나 휴대용 태블릿으로 손쉽게 모니터링할 수 있게 구축했다. 레일온도 및 대기의 온도와 습도를 측정하는 통신망은 측정 위치에 설치된 단말노드끼리 서로 연결하여 정보를 주고받는 메시(Mesh) 방식의 멀티홉(Multi-hop) 무선통신망을 활용한다. 이 방식은 측정범위가 넓고, 네트워크 연결지점인 일부 노드에 신호 단절이 발생하더라도 다른 노드에 연결할 수 있어 안정적인 데이터를 얻을 수 있다. 그리고, 열차 운행에 따른 간섭을 최소화할 수 있다.

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.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연) 김영 책임연구원 연구팀과 중앙대학교(총장 박상규, 이하 중앙대) 김민성, 김동규 교수 연구팀은 기계적 방식이 아닌 전기화학적 방식을 활용하는 친환경 냉매 압축기 개발에 성공했다. 암모니아, 물 등 친환경 냉매는 오존층 파괴와 지구 온난화를 일으키는 HFC*를 포함한 기존의 냉매와는 달리, 환경에 미치는 영향이 매우 적다. 미국, 유럽, 일본 등의 선진국들은 HFC의 사용이 동결되는 2024년까지 친환경 냉매로의 전환을 가속화하는 추세이다. 친환경 냉매의 사용을 통해 환경오염을 방지하고, 지속 가능한 개발에 기여할 수 있다. 전기화학식 압축기는 이온교환막*을 이용해 이온을 이동시켜 가스를 압축하는 방식으로 수소를 매개체로 하여 냉매를 압축시킨다. 연구팀은 암모니아, 물 등 친환경 냉매가 수소와 같이 이온교환막을 통과하면서 냉매가 압축되는 원리를 이용해 전기화학식 친환경 냉매 압축기 구동 테스트에 성공했다. 개발된 압축기는 반복된 고압 상태에서도 견고한 구동이 가능하며, 에너지 누설 방지와 고출력 구간에서도 높은 성능을 낼 수 있도록 설계되어 전기화학식 압축기의 효율성을 극대화할 수 있다. 또한, 크기에 상관없이 안정적인 에너지 공급뿐만 아니라 소규모 시스템 구축에도 유리해 기존 대비 60%의 에너지 절감이 가능하다.