전기융합 기술이 미래를 바꾼다

KERI, `미래 유망 전기융합기술 11선` 발표

`2차 오염이 없는 초전도 방식을 이용한 환경 처리기술, 대기 오염이 없는 친환경 수송기술, 고해상의 초정밀 의료진단기기, 초고압/대전류 기술을 적용한 초고속 공격용 및 방어용 무기,현명한 전력소비를 가능케 하는 전력 정보 실시간 교환기술.` 친환경화, 고자장화, 고전계화, 지능화, 초정밀화, 초소형화로 진화하는 전기기술을 기존 산업에 `융합` 시켜 나온 기술들이다.

전기분야 정부출연연구기관인 한국전기연구원(KERI-원장 유태환 www.keri.re.kr)은 4월 과학의 달을 맞아 기존의 전통적인 산업과 전기기술의 상승적인 결합을 통해 기존 산업에 비해 부가가치가 높고 신산업 창출의 기회를 제공할것으로 예측되는 기술들을 대상으로 기술성(파급성, 실현 가능성) 시장성(시장규모, 시장 성장성), 공공성(사회편익성, 국가전략성) 기술공급성(기술경쟁 정도, 기술선점 가능성) 등을 바탕으로 한 `미래 유망 전기융합기술 11선`을 선정 발표했다.

KERI 연구팀이 제시한 미래 유망 전기융합기술 11선은 △초고자장 수처리 △소형 핵전지 △도시형 풍력발전 △전기차 무선충전시스템 △초전도 전기추진 선박 △마그네틱 약물전달시스템 △테라헤르츠파 진단 장치 △비살상 전자파 무기 △전자기 발사장치 △소비자 전력정보시스템 △지능형 에너지 섬유 등이다.

한국 전기 연구원 미래전략실 연구팀은 우선 전기융합기술이 구현할 수 있는 미래사회로서 (1)에너지/환경 전기융합기술을 이용한 자연과 함께하는 미래사회 (2)수송 전기융합기술을 이용한 편리한 미래사회 (3)의료 전기융합기술을 이용한 건강한 미래사회 (4)국방/우주 전기융합기술을 이용한 안전한 미래사회 (5)생활 전기융합기술을 이용한 풍요로운 미래사회를 설정하고 미래기술전략지도 2025(METI), 과학기술 미래비전, 국가 녹색기술 연구개발 계획안 등 우리나라와 일본 등이 발표한 유망 기술군을 분석한 184개 기술을 1차 모집단으로 삼아 이후 선별된 기술 간 수준을 조정하는 단계를 거쳤으며 분야별 전문가의 표적집단면접법(FGI)을 이용해 72개의 최종 대표 전기융합 기술 선정했다.

이후 1,2차에 걸쳐 5개 분야별 총260명의 내외부 전문가 델파이 조사를 실시, 11개 장단기 유망기술을 최종 도출했다.

이번 선정작업을 총괄한 KERI 이홍식 미래전략실장은 "전통적인 전기산업은 전기에너지를 생산하여 수요자에게 공급하는데 소요되는 기기 즉 전기기기산업에 한정 됐지만, 향후 전기기술은 친환경화, 고자장화, 고전계화, 지능화, 초소형화, 초정밀화 등의 기술 트랜드 변화에따라 그 응용범위가 전 산업 분야에 걸쳐 광범위 하게 확대 적용될 것이라고 전망하고 전기 분야 정부출연연구기관으로서 향후 국가 과학기술 미래 비전 실현과 국가경쟁력 강화를 위해 국가주도적으로 추진해야 할 전기기술 연구분야의 방향성을 제시했다는데 그 의미가 있다"고 설명했다.

KERI는 이번에 도출된 유망기술을 관련 연구기관의 중장기 발전계획 및 미래비전 수립에 활용하는 한편, 정부주도형 R&D 정책수립과 업계 발전방향 수립 등에 적극제안하는 등 관련 국가경쟁력 강화를 위한 기술개발 방향성 정립에 기여할 방침이다.

1. 초고자장 수처리 기술
강력한 자기장을 이용하여 오?폐수 미립자를 초고속 처리 하거나 원료의 고순도 정제 등을 실현하는 기술이다. 작은 설치 면적, 적은 에너지 사용이 특징이며 약한 자기장에서는 철과 같은 강자성체만 거를 수 있지만, 자기장이 강력해지면 강자성체는 물론 상자성체까지 걸러낼 수 있다. 원소를 기준으로 말하면 자연계에 존재하는 원소 중 3분의 1 정도를 걸러낼 수 있다.

국내에서는 한국전기연구원에서 최초로 초전도 자기분리 기술 연구를 하고 있으며 한국전기연구원과 산업과학기술연구원 공동으로 포스코의 열연 냉각수 정수를 위한 초전도 자기분리 기초 연구를 수행한 바 있다. 현재 제지 페수의 재활용도를 높이기 위한 목적으로 1일 80톤급의 초전도 자기분리 장치의 개발이 한국전기연구원 주도로 수행 중이다.

제지공장의 폐수를 초전도 자기분리에 의해 정수하여 재활용한다면 연간 130억 톤의 물 소비를 줄일 수 있어, 제지공업의 자원 이용효율을 크게 향상시킴과 아울러 수자원 절약에 크게 이바지할 것으로 예상된다.

2. 소형 핵전지 기술
방사성 동위원소에서 방출되는 방사선의 에너지로 전기를 생산하는 기술이다. 동위원소에서 방출되는 방사선 에너지를 사용한다는 점에서는 동일하지만, 전기로 바꾸는 방법에 따라 열전형, 태양전지형 등으로 나눌 수 있다.
산출되는 전기는 저전력이지만 수명이 수십 년 정도 되므로, 전원 공급이나 배터리 교체가 곤란한 고립지의 센서나 인공 장기의 구동 등에 이용할 수 있다.

열전형 핵전지는 미국 나사(NASA)에서 개발하여 우주선에 사용되고 있다. 특히 태양에서 멀리 가는 보이저류의 우주선의 경우, 처음의 주전원은 태양전지이지만 태양에서 멀어질수록 태양광 발전이 어려워지기 때문에 핵전지를 탑재한다. 태양전지형의 경우 미국의 몇몇 회사를 중심으로 상용화하기 위한 연구 개발을 하고 있다.
향후 인공 심장용 전원으로 핵전지를 사용하게 되면 전지 교체를 위해 몇 년에 한 번씩 재수술을 할 필요가 없어지며 지중 케이블, 해저 케이블, 배관 등에 부착되는 센서를 위해 별도의 전원선을 설치하지 않아도 된다.

3. 도시형 풍동식 소형 풍력발전 기술
기본적으로는 큰 날개(블레이드) 대신 풍동(Wind Tunnel, 風洞: 빠르고 센 기류를 일으키는 장치) 속에 터빈을 두어 바람의 힘으로 회전시키는 방식이다.

풍력의 경우 바람이 많은 곳에 대형 풍력 발전기를 설치하는 것이 보통이나 한 걸음 나아가서 도시에 항상 불고 있는 상대적으로 약한 바람을 이용하여 발전을 하는 것이 도시형 소형 발전이다. 터빈을 이용하여 날개 없고 조용한 소형 풍력 발전기를 만들 수 있으면 건물 옥상 등 도시 곳곳에서 발전을 할 수 있게 된다.

이 기술의 가장 큰 가치는 분산전원으로서의 가치로서 전력을 사용하는 바로 근처에서 발전을 하여 장거리 송전을 거치지 않고 전력을 공급받는 것이므로, 송전 손실이 적다. 특히 태양광 발전과 함께 설치하면 바람은 보통 태양이 잘 비치지 않는 날에 강하므로 상호 보완적이며 더 큰 효과를 얻을 수 있다.

4. 전기차 무선충전시스템(자계공진방식)
수미터 이내의 단거리에서 강한 자계 결합(Magnetic Coupling)과 수백 이상의 선택도를 갖는 자기 공진기의 공진을 이용하여 전기 에너지를 무선으로 전기자동차에 전력을 효율적으로 안전하게 공급할 수 있는 방식이다.
자계 공진 방식 기반의 무선충전 기술과 EV 기술의 융합으로 EV 전력 공급의 편의성과 안전성을 매우 높일 수 있으며 자기장이 주성분인 전자기파를 이용하여 인체에 영향을 주지 않고 에너지를 전송할 수 있다. 특히 저손실 소재 및 공진형 중계 방식을 이용할 경우 공간의 제약 없이 에너지원으로부터 근거리(수 m 내외)에 위치에 있는 부하에 높은 전달 효율로 에너지 전달 가능하여 기존의 근거리 무선전력전송의 에너지 전달 신뢰성, 효율, 다중 기기 충전 문제를 해결할 수 있는 기술이다.

현재 한국전기연구원을 포함하여 여러 기관에서 자계 공진 방식에 대한 연구를 수행중이며, 특히, 한국전기연구원 및 (주)그린파워에서는 수백와트에서 수십 kW급 무선전력전송 시스템 개발 추진 중이다.

EV 기술에 무선전력전송 충전 기술이 접목될 경우, EV 뿐만 아니라 모든 전기 구동체에 적용이 가능하며 무선 에너지 전송은 이동성이 중요한 모바일 기기, 가정용 로봇 및 가정용 전자기기의 전원공급, 전기로 움직이는 EV와 같은 운송수단의 충전 분야 등을 포함해 산업 전 분야에 걸쳐 무선통신/인터넷에 버금가는 경제적인 효과와 파급효과를 가질 것으로 기대된다.

5. 초전도 전기추진 선박
선박추진용 추진체는 일반상선의 경우 주로 저속 디젤기관을 사용하고 특수목적선(LNG선박, Drill Ship, 시추선)의 경우 주로 증기터빈을 사용하고 있는데 90년대 후반부터 선박추진이 전전기 추진방식(All-Electric Propulsion System)으로 기술 패러다임이 옮겨가고 있다. 전전기 추진 방식으로는 초전도 모터를 사용하는 전기모터 스크류 추진과 바닷물의 도전성을 이용하는 전자유체력(MHD, Magneto-Hydro Dynamics) 워터젯 추진방식이 있으며, 초전도 전기추진 시스템을 갖추면 제어성이 뛰어나며 동력부가 간편해져 선박디자인이 자유로워진다.

현재 국외 선박추진용 초전도모터는 미국의 AMSC사에서 미해군의 요청으로 36.5MW급 고온초전도 모터를 개발하여 납품하였고 현재 부하시험평가까지 완료했으며, 독일 Siemens사는 4MW급을 개발 완료한 바 있다. 국내인 경우 21C 프런티어사업으로 2004년 75kW급 시험기 개발 완료 이후 2007년 산업용 1MW급 고온초전도모터를 성공적으로 개발했으며, 현재 5MW급 선박추진용 고온초전도모터 개발을 수행하여 한국전기연구원과 두산중공업이 공동으로 2011년 중반에 성능시험 수행 예정이다.

선박추진체인 저속 디젤기관은 환경오염 문제가 심각하여 전 세계적으로 연안부두 허용이 제한되는 나라가 늘고 있고, 증기터빈 추진체인 경우 기계적인 효율이 낮아 경제성이 떨어지므로 보급에 어려움이 있는 가운데, 선박용 전전기추진체 보급이 2000년대 들어 지속적으로 성장하고 있다. 현재 46MW급 선박추진 모터가 시장의 주력을 형성하고 있으며 2010년 기준으로 국내조선사의 특수선인 경우 연 3,000억 원 규모의 전기모터 시장을 형성하고 있다.

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