선박이나 항공기의 금속에 충격이 누적돼 발생하는 피로파괴는 육안으로는 확인하는 것이 불가능에 가깝기 때문에 비파괴검사기법이 주로 사용됩니다.

최근 비파괴진단법은 항공기나 선박의 크랙 탐지는 물론 반도체 기판의 결함 탐지 등으로 응용범위가 확대되고 있는데요.

하지만, 현재 비파괴진단 기술은 보다 선명한 화질 개선과 함께 넓은 영역을 빠른 시간에 분석하는 것이 요구되고 있습니다.

이런 비파괴진단 검사의 근본적인 요구사항을 해결하기 위해서는 기존 자연계 물질이 갖지 못하는 고 굴절률 및 고 임피던스를 갖는 음향메타물질을 구현해 음향신호가 감쇠되는 문제를 해결하고, 또 이를 뒷받침할 고성능 음향 송·수신 기술을 개발해야 합니다.

외부 전력 없이도 음향신호 10배 증폭하는 기술

한국기계연구원 나노자연모사연구실 송경준 박사와 허신 박사는 부경대 기계공학과 김제도 교수와 공동으로 전원 없이 음향신호를 최대 10배까지 증폭할 수 있는 기술이 개발해 주목받고 있습니다.

고성능 무전원 신호 증폭이 가능한 음향 증폭 구조물고성능 무전원 신호 증폭이 가능한 음향 증폭 구조물


공동 연구팀이 개발한 기술은 지그재그 형태의 인공구조물을 통해 음파의 경로를 제어함으로써,이 구조물을 통과하는 음향 신호를 증폭하는 것이 핵심인데요.

이를 응용할 경우 초음파, 의료기기, 비파괴검사 등 다양한 분야에서 획기적인 발전이 있을 것으로 전망됩니다.

연구팀은 작은 소리의 파장보다도작은 초소형 인공구조물을 지그재그 형상으로 설계하고, 외부 음파 신호가 이 구조물을 통해 센서에 전달되도록 했는데요.

이 경우 구조물을 통과하는 음파의 진행 경로가 증가돼 기존 공기나 물 등 신호를 전달하는 자연계 매질이 갖지 못하는 고 굴절률(Refractive Index)과 고 임피던스(Impedance)의 특성이 나타나는 것을 확인했습니다.

음향 증폭 구조물 실험 장치음향 증폭 구조물 실험 장치

고 굴절률과 고 임피던스를 동시에 구현하면 음파의 진행속도를 줄여 소리를 작은 공간에 집중시킬 수 있기 때문에 음압(Sound Pressure Level) 증폭이 가능해지 것에 주목한 연구팀은 별도의 전원 없이 인공구조물만 활용해 음압을 증가시켜 기존의 음향 시스템의 송·수신 감도를 10배 향상시키고, 기존에 감지가 불가능하였던 미세한 신호까지 감지하는 데 성공했습니다.

또 인공구조물의 형상을 변화시키는 방법으로 신호의 증폭률과 공진주파수도 자유자재로 조절할 수 있게 됐고요.

인공구조물이 신호 파장의 1/10인 구조물을 기반으로 제작되기 때문에 초음파 등 파장이 극히 짧은 송수신 시스템에는 기기장치의 초소형화도 가능해졌습니다.

이번 연구는 송수신 신호 파장의 1/10인 구조물을 기반으로 제작돼 기존 음향기술인 헬름홀츠 공명기가 가졌던 크기의 한계를 소리의 파장보다 작은 구조물로 구현한 것에 큰 의미가 있고요.

이는 향후 초음파, 의료기기, 비파괴검사를 비롯해 플랜트 안전진단 분야, 수중통신 분야 등에도 폭 넓게 활용될 것으로 기대됩니다.

이번 연구결과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’  2014년 12월 11일 게재됐습니다.
   ※ 논문명 : Sound Pressure Level Gain in an Acoustic Metamaterial Cavity. 

 용 어 설 명

임피던스(Impedance)
음파전달 매질의 고유한 물성으로 매질 내의 속도와 음압 사이의 비율

헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)
공명현상을 이용해 복잡한 음(音) 가운데서 특정한 음을 증폭시키는 장치

 

연 구  개 요

Sound Pressure Level Gain in an Acoustic Metamaterial Cavity
Kyungjun Song, Kiwon Kim, Shin Hur,Jun-Hyuk Kwak, Jihyun Park, Jong Rak Yoon & Jedo Kim


1. 연구배경

비파괴 검사를 적용한 IT 및 정밀 기계 생산 분야에서 초음파 이미징 기술은 결함 탐지에 이용된다.

이를 통해 항공기, 선박 등 크랙 탐지에 사용되었고 최근에는 반도체 기판 결함 탐지 등 응용범위가 확대되고 있다.

그러나 현재 비파괴 진단 기술의 문제점은 화질 개선이 필요하고 넓은 영역을 빠른 시간에 분석하는 것이 관건이다.

이러한 비파괴 검사의 근본적인 기술적 문제를 해결하기 위해서 본  연구에서는 기존 자연계 물질이 가지지 못하는 高 굴절률 및 高 임피던스를 가지는 음향메타물질 구현을 통해 음향 신호 감쇠 문제를 해결하고 이를 통해 고성능 음향 송·수신 기술에 대한 연구를 수행하였다.

본 연구는 최근 2014년 3월에 Scientific reports 논문 게재된 음향 메타물질 송신기술 (Emission Enhancement of Sound Emitters using an Acoustic Metamaterial Cavity)의 후속 연구로써, 동일한 구조체를 이용하여 음향 신호를 송신 감도 뿐만 아니라 수신 감도를 10배 이상의 이득을 얻을 수 있는 음향메타물질 원천기술에 대한 연구를 수행하였다.

2. 연구내용

본 연구에서는 알루미늄 재질로 만들어진 지그재그 형상 인공 구조체를 정교하게 설계하여 작동할 수 있는 초소형 음향 증폭 메타물질을 만들었다.

지그재그 형상을 사용한 이유는 음파의 경로를 증가시켜 기존 자연계 물질이 가지지 못하는 高굴절률과 高임피던스를 구현이 가능하기 때문이다.

음향 증폭률과 공진주파수도 메타물질 형상변화를 통해 자유자재로 조절되기 때문에 원하는 주파수에서 작동할 수 있는 음향증폭기가 설계가 가능하다.

예를 들어 실험적으로 메타물질을 이용하여 13dB 이상 음향 신호 증폭을 측정하였고, 이론적으로는 20dB 신호 이득도 가능함을 알 수 있었다.

본 구조체의 지그재그 형상은 高 굴절률을 기반으로 하기 때문에 현재 널리 사용되고 있는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)보다 매우 작게 설계가 가능하며 이로 인해 디바이스 초소형화가 가능하다.  

(a) 음향메타물질 구조체 (b) 3가지 메타물질 형상이 다른 샘플 (a) 음향메타물질 구조체 (b) 3가지 메타물질 형상이 다른 샘플 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석 (e-f) 음향 증폭 시뮬레이션(공진주파수)


또한 연구진은 음향 증폭률이 공기에 국한되지 않고 수중에서도 음향 신호의 증폭을 증명하기 위해 수조 내에서 음향파가 발생 및 측정 하였으며 이를 통해 2배 이상의 음향 신호의 증폭을 확인하였다.

이 실험은 수중에서의 수많은 반사파에 의한 간섭현상을 극복하여 어디에서든지 음파를 이용한 수중통신을 가능하게 할 수 있는 핵심 기술이 될 수 있음을 보였다. 

(a-b) 수중실험 개략도 및 실험 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석(a-b) 수중실험 개략도 및 실험 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석


3. 기대효과
 

본 연구는 무전원 음향 증폭 디바이스 소형화뿐만 아니라 좋은 신호를 얻을 수 있는 음향 증폭 원천기술로써, 이를 통해 초음파 비파괴검사, 의료 이미징, 에너지 하베스팅(Energy Harvesting), 수중 통신 등의 다양한 응용분야에 크게 활용될 수 있다.

특히 초음파 비파괴 진단의 압전소자의 센싱 및 액츄에이팅 성능 향상을 통해 구체적으로 고속화 진단이 요구되는 항공기 부품 등의 크랙 탐지, 반도체 기판 결함 탐지에 활용 가능하다.

 

1문 1답

이번 성과가 기존과 다른 점은?(기존 기술과 차이 비교)

이번에 개발된 무전원 음향 증폭 메타물질은 기존의 음향 헬름홀츠 공명기보다 훨씬 작은 구조물을 이용하기 때문에 디바이스 초소형화가 가능하고, 10배 이상의 높은 증폭률을 얻을 수 있다.

어디에 쓸 수 있나?(활용 분야 및 제품)

무전원 음향 증폭이 필요한 고해상도 비파괴 초음파 진단, 고감도 수중통신, 고성능 음향 센서 등에 적용할 수 있다.

실용화를 위한 과제는?

초음파 영역에 적용하기 위해서는 마이크로미터 크기의 메타물질 구조체를 대면적으로 저렴하게 제작 할 수 있는 나노공정 기술과의 융합연구와 시작품 구현 및 성능평가 관련 연구가 필요하다.

실용화 가능 시기는?

현재 실용화 응용 가능성을 실험실 수준에서 규명한 상태이며, 대면적 제조 및 실용화 연구가 수행되면 고해상도 비파괴 초음파 진단 분야에서 향후 응용이 가능할 것으로 기대된다.

산업적, 경제적 파급효과는?

음향 엑츄에이팅/센싱의 원천기술과 밀접하게 연관된 플랜트 안전진단 및 수중 피탐지 구조체 관련 시장 규모는 2025년에 각 142억불, 176억불로 예상되고 있으며, 해당 기술개발 성과를 활용하면 관련 시장의 상당부분을 선점하고 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

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posted by 이재형 과학이야기

사랑하는 한국기계연구원 가족 여러분,

2013년, 계사년(癸巳年) 새해가 밝았습니다.
여러분의 가정에 건강과 행복이 가득하시길 기원합니다.

지난 한 해 최선을 다해 주신 여러분들의 노고에 깊은 감사를 드립니다.

2012년에는 많은 어려움들이 있었습니다만,그럴 때마다 우리 연구원 가족들이 합심해서 위기를 잘 극복했고, 주목할 만한 여러 연구 성과를 내어 연구원이 한 걸음 더 발돋움했습니다.

희망찬 새해를 맞이한 임직원 여러분!

2013년은 새 정부가 출범하면서 미래의 새로운 시작을 알리는 중요한 해입니다.
국가적으로 과학기술 분야의 중요성을 다시 한 번 일깨우는 의미 있는 한 해를 보낼 것으로 예상합니다.

유럽을 중심으로 한 세계경제 위기는 올해 상반기부터 완만하게 회복될 것으로 조심스레 관망하고 있지만 여전히 다양한 변수들이 산재해 있습니다.
이와 같은 상황 속에서 올해 우리는, 불확실한 외부 여건에 능동적으로 대응할 수 있는 우리 한국기계연구원 고유의 연구 환경과 조직문화를 만들어 보고자 합니다.

제가 강조하고자 하는 점은, 국내외의 기술/경제적 환경을 면밀하게 분석하여 기계연구원만이 수행할 수 있는 중장기 연구전략과 기술협력 전략을 수립한다면, 외부의 어떤 환경에도 능동적 으로 대처하며우리의 역할을 수행할 수 있고, 그것이 종국에는 우리나라의 기계산업 및 국가 발전에 핵심적인 역할을 할 수 있다는 점입니다.

이 같은 관점에서 저는 오늘, 올해 우리 연구원이 중점적으로 나아가야 할 네 가지 방향에 대해 여기 계신 여러분들과 함께 생각해보고자 합니다.

첫째, 우리 연구원이 축적한 세계 최고 수준의 기술이 필요한 분야에 활용될 수 있도록 하겠습니다.

지난 36년간 우리 연구원은 우리만이 가진 세계 최고 수준의 많은 기술들을 축적해왔습니다.
이 기술들을 국방, 원자력, 녹색환경 등 필요한 분야에 제대로 활용하고 융합 발전시켜 국가 성장을 견인하고 세계시장을 선점할 수 있도록 준비하겠습니다.

선택과 집중, 그리고 민·군·관 등과의 연계를 통해 우리 연구원이 앞서 있는 기술 및 상용화 산업에 필요한 기술을 집중 육성하고, 부족한 기술은 과감히 방향을 전환하는 공격적인 변화를 꾀하겠습니다.

가장 대표적인 예로 민군기술 협력이 있습니다.
민군기술 협력은 민간기술과 국방기술 간의 크나큰 시너지 창출이 가능한 융합기술 분야입니다.
지난 해, 국가과학기술위원회에서 민군기술협력기본계획을 수립하여 융합 기계기술이 보다 넓어지는 계기가 되었습니다.

우리 연구원은 산업기술연구회와 국방과학연구소 간의 기술 협력 TF 구성의 산파 역할을 한 바 있으며, 올해에는 우리 연구원을 비롯한 정부출연연구기관과 국방과학연구소 간 기술협력의 결실을 맺도록 더욱 노력할 것입니다.

둘째, 소통의 장을 마련하여 직원 상호간의 협력 뿐 아니라 융복합 연구가 가능한 환경을 구축하겠습니다.

최근의 기술혁신 기조는 개방과 융합입니다.

우리가 다른 사람들과 협력하고, 또 타분야 기술과 협력하기 위해서는, 개인적으로는 상대를 받아들일 수 있는 개방적 자세가 필요하며, 연구원에서는 소통과 화합의 장을 마련해야 한다고 생각합니다.

그 동안 하모니데이, 직원 간담회, 다양한 문화활동, 브레인스토밍 대회, 송년의 밤 등을 통해 우리가 서로 공감하며 하나가 될 수 있도록 다양한 활동을 추진해 왔으며, 앞으로는 기술과 문화, 인문과학이 서로 융합할 수 있는 만남의 장까지 만들겠습니다.

이러한 소통의 장이 건전한 조직문화를 만들 뿐 아니라 융합연구를 할 수 있는 기초가 되며, 이를 바탕으로 우리가 가진 풍부한 기계기술을 타기술과 융합한다면 그 효과는 기대 이상으로 커질 수 있다고 생각합니다.

셋째, 기계기술 분야 네트워크의 허브로 자리매김하겠습니다.

우리 연구원은 동구, 유럽, 미주, 아시아, 아프리카, 중남미의 6대 권역별로 성과 확산, 인재확보, 네트워킹을 통한 국제협력을 추진해왔습니다.

특히 작년에는 신흥 성장국 중심의 능동적 협력 전략으로 기존 개발도상국 대상의 과학기술 원조 모델을 탈피하고, 서로에게 도움이 되는 새로운 국제협력 모델을 창출한 바 있습니다.

올해에는 개발도상국과의 협력을 통해 해외 기술 마케팅을 본격화하고, 선진국과의 협력에서는 다자간 국제협력 프로그램 참여의 기반을 다지겠습니다.

권역별 국제협력 파트너와의 연구성과를 기반으로 국제연구과제 및 지역 내 연구 네트워크도 확대할 방침입니다.

이를 통해 우리 연구원의 성장만이 아니라 협력 기관 및 해당 국가와의 공동성장을 모색함으로써 지속가능한 기술 협력을 할 수 있으며, 우리연구원과 우리나라의 위상도 높일 수 있을 것입니다.

마지막으로, 윤리경영의 정착에 주력해서 우리 구성원 스스로가 깨끗하고 투명한 조직의 주체가 되는 환경을 만들겠습니다.

우리 연구원의 모든 절차는 깨끗하고 명확해야 합니다.
우리 연구원에서 행해지는 모든 일에는 아주 작은 의구심도 들지 않도록 공정해야 할 것입니다.

저는 취임한 이래, 지속적으로 투명경영, 윤리경영을 강조해 왔습니다.

윤리경영을 위한 제도와 정책이 있다고 해서 과연 투명한 조직이라고 말할 수 있겠습니까?

그렇지 않습니다.

경영진을 포함한 전 직원들이 그 원칙과 규정을 우리를 보호하는 울타리라고 생각하고 이를 준수하는 것이 지극히 자연스럽고 당연한 일이 될 때, 비로소 윤리경영을 실현하는 것이라 생각합니다.

작년에 투명성 강화를 위해 개선시킨 제도들을 올해에는 제대로 안착시키는 데 주력하여 깨끗한 조직문화를 만들어나가겠습니다.

우리 모두'기본'으로 돌아갑시다.
기본적인 절차와 규범들을 잘 지킨다면, 문제될 것이 하나도 없습니다.
올해가 우리 연구원이 투명한 조직으로 가기 위한 원년이라 생각하시고, 다 함께 노력해주시기 바랍니다.

친애하는 한국기계연구원 가족 여러분!

뱀은 지혜의 상징이라고 합니다.
또한 뱀은 몸뚱아리가 커지면서 자신의 껍질, 즉, 허물을 벗고 새 몸이 된다고 합니다.
허물을 벗지 못하면 비늘이 굳어버려 결국에는 죽습니다.

계사년, 뱀의 해를 맞아 우리 연구원 식구들 모두가 작년의 허물을 벗어내고 새 몸, 새 마음으로 다시 시작하여, 지혜로운 한 해를 보내시길 기원합니다.

여러분들께서 모두 함께 지혜를 모아 열린 생각으로 서로 소통한다면, 올해 우리 한국기계연구원은 좋은 일들만 가득할 것이라 믿습니다.

마지막으로 새로운 시작을 맞이한 오늘, 다시 한 번 여러분 모두의 가정에 건강과 행복이 함께 하길 바랍니다.

감사합니다.

2013. 1. 2.
원장 최 태 인

 

 

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posted by 이재형 과학이야기

한국기계연구원은 자체 발간한 월간 정책분석지 '기계기술정책' 6월호에서 곽기호 선임연구원이 작성한  '대만 기계산업 동향 분석'을 분석한 결과, 대만 기계산업의 대중(對中) 수출 증가율이 지난 2011년 1월 중국과 대만 간의 경제협력기조협정(ECFA)이 EHP를 통해 조기 실시된 후 우리나라를 앞선 것으로 나타났습니다.

또 주요 품목에서의 수출경합도도 심화되고 있어, ECFA 후속 협상 타결 이전 우리나라 기계산업의 대응책 마련이 시급한 것으로 분석됐습니다.

보고서에 따르면 대만 기계산업 생산액은 2011년 기준 약 327.5억 달러로 우리나라의 약 1/3 수준이나, ECFA EHP 실시에 힘입어 對中 수출액은 2010년 대비 22.0% 증가한 71.5억 달러를 기록해 2004년 이후 최고 수준의 증가율을 보였습니다.

같은 기간 우리나라의 대중 수출액도 17% 증가하였으나 대만의 증가세에 뒤쳐졌으며, 2012년 상반기 중국의 경기 둔화 속에서도 대만의 對中 수출(1월~5월)은 24.8억 달러로 전년 동기 대비 19.5% 떨어졌습니다.

특히 기계산업 세부 품목 가운데 섬유기계, 공작기계류, 밸브, 동력 전달장치, 비전기식 기계류 부품 등은 이미 우리나라보다 對中 수출 규모가 크고 점차 수출 경합도가 심화되고 있어, 향후 ECFA 후속 협상 타결 시 국내 관련 업계가 어려움에 봉착할 가능성이 높은 것으로 나타났습니다.

이 보고서는 ECFA 후속 협상에 따른 관세 인하 효과가 더욱 커지기 전에 중국 현지화 전략 강화와 제품 서비스 통합 솔루션 제공을 통한 차별화, 고객선 유지 확보 노력 등이 강화되어야 함을 제시했습니다.

또 중국시장 진출 시 대만 기업을 활용하고, 풍력발전, 태양전지 등의 신재생에너지 분야에서 중국과 기술 협력을 하는 방안도 고려해야 할 것으로 분석했습니다.

 

 용 어 설 명

ECFA(Economic Cooperation Framework Agreement, 중국-대만 양안간 경제협력기조협의)
중국과 대만이 양안 간 경제협력 확대 및 통합을 목적으로 2010년 6월 29일 서명한 FTA 협정

EHP(Early Harvest Program, 조기수확프로그램)
협정 전체가 발효되기 전에 관세 양허가 가능한 일부 제품부터 조기에 무관세화    하는 조치

수출경합도(Export Similarity Index)
양국의 수출상품구조가 유사할수록 경쟁가능성이 높다는 가정 하에 특정시장에 대한 양국 수출상품구조의 유사성 정도를 계량화한 지수

 


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posted by 이재형 과학이야기

3차원 나노금형을 고가의 노광장비를 사용하지 않고 값 싸게 대량 생산할 수 있는 원천기술이 개발됐습니다.

3차원 나노금형 제작기술은 차세대 메모리, 나노센서 등을 값 싸게 제작할 수 있는 나노임프린트 공정의 핵심기술입니다.

한국기계연구원 정준호 박사팀은 KAIST 김상욱 교수팀과 공동으로 3차원 나노금형 제작기술 개발에 성공했습니다.

연구팀은 금속 산화물 소재의 3차원 집적 나노임프린트 공정과 블록 공중합체 자기 조립공정을 융합해 30㎚급 3차원 나노금형을 제작했습니다.

이번에 개발된 기술은 공정이 단순할 뿐만 아니라 대면적 3차원 곡면 상에 수십 나노미터 크기의 구조물을 제작할 수 있습니다.

 

(A) 금속산화물 직접 나노임프린트와 블록공중합체 자기조립의 융합을 통한 나노금형 제작공정도
(B) 금속산화물 직접 나노임프린트공정에 의해 제작된 800 nm 주기의 금속산화물 패턴
(C) 금속산화물 패턴 안에 블록공중합체 자기조립공정에 의해 형성된 30 nm급 패턴

 

(A) 금속산화물 직접 나노임프린트를 사용한 3차원 곡면 구조 제작 공정도
(B) 3차원 곡면 구조 단면 전자현미경 사진
C) 3차원 곡면 구조 원자현미경 사진

3차원 금속산화물 곡면 상에 형성된 30 nm급 패턴, 블록공중합체 코팅두께에 따른 패턴 형상 변화
(A: 20 nm 두께, B: 40 nm 두께, C: 50 nm 두께, 각각의 단면사진(D-F))

연구팀은 이를 바탕으로 금속 나노와이어 기반의 투명전극을 개발할 예정입니다.

이번 연구결과는 나노분야 저명 국제 학술지 'small'(IF: 7.33)  5월 21일 자 내부 표지논문으로 선정되었습니다.

2012년 5월 21일자 'small'지의 내부표지 사진


<금속산화물소재 직접 나노임프린트공정>

기존의 나노패턴형성 공정에서 필수적인 고비용의 식각공정 없이 한 번에 금속산화물 소재의 나노패턴을 제작할 수 있는 공정이다.
금속산화물을 함유한 유무기 소재가 코팅된 기판에 나노금형을 가압한 후 자외선을 조사하여 경화 시키고 나노금형을 분리한다. 최종적으로 300oC 열 처리를 통해 유기물을 제거하게 된다.

<블록공중합체 자기조립>

블록공중합체는 서로 다른 화학적 구조를 가지는 고분자 블록들이 공유결합을 통하여 연결되어 있는 분자구조를 가지고 있다.
한 물질 내에 존재하는 고분자 블록들은 상분리를 일으키려고 하나 서로 공유결합으로 연결되어 있기 때문에 상분리가 제한되어 결국 구 (sphere), 실린더 (cylinder) 등의 형태로  5~50㎚의 주기를 갖는 나노 패턴을 형성한다.
일반적인 블록공중합체 자기조립으로 형성되는 나노패턴은 무질서한 배향 방향을 가질 뿐 아니라 많은 결함을 내포하고 있다.
따라서 실질적인 응용을 위해서는 나노패턴의 배향과 배열을 원하는 형태로 조절할 수 있는 기술이 필요하다.

<금속산화물 직접 나노임프린트 공정과 자기조립공정의 융합기술>

직접 나노임프린트 공정을 이용하여 넓은 면적에 큰 주기의 금속 산화물 패턴을 제작하고 금속 산화물 패턴 내부에 정렬된 블록 공중합체 나노구조를 형성시키는 기술이다.
식각공정을 사용하지 않는 직접 나노임프린트 공정으로 제작한 금속산화물 패턴은 표면 조도가 매우 우수하며 고온에서도 안정한 격벽구조를 유지할 수 있어 결함이 없는 블록공중합체 나노구조를 형성시킬 수 있다.

 

 용  어  설  명 

나노금형:
나노임프린트 공정의 필수부품으로 나노크기의 패턴이 새겨진 금형

나노임프린트 공정:
나노금형을 사용하여 도장을 찍듯 기판 상에 나노패턴을 전사하는 공정으로, 전량 수입에 의존하는 수백억대 노광장비로도 구현이 어려운 10 ㎚이하의 패턴 형성도 가능한 공정

 

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posted by 이재형 과학이야기

CCS(Carbon Capture & Storage)는 고농도 대량 배출원에서 발생되는 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 압축해 액체 상태로 만들어 지중 및 해양 퇴적 암반층에 안전하게 저장하고 장기 모니터링 하는 기술입니다.

저장소로 운반된 이산화탄소는 해양저장과 광물탄산화, 지중저장의 3가지 방식으로 처분됩니다.

이 중 이산화탄소를 땅 속에 넣어 영구적으로 처분하는 핵심 기자재와 지상 시스템이 국내 최초로 개발됐습니다. 

한국기계연구원 열공정극한기술연구실 이공훈 박사팀은 한국지질자원연구원과 공동으로 액체 상태의 이산화탄소를 90 기압 이상의 초임계 상태로 변환해 땅 속으로 넣는 시스템과 핵심 기자재인 원심형 부스터펌프, 재생형 4단 가압펌프, 열적 혼합을 향상시킬 수 있는 라인히터 등을 개발했습니다.

초임계 상태는 액체도 아니고 기체도 아닌 중간 상태로, 액체와 기체의 두 상태를 서로 분간할 수 없는 상태를 말합니다.

이산화탄소는 임계점(31.1°C, 72.9기압) 이상에서 초임계 상태로 존재하며, 지중 저장에 적합한 지하 1000m 이상의    깊이에서는 자연적으로 초임계 상태가 됩니다.

그동안 국내에서는 이산화탄소 포집기술과 지중저장 후보지를 확보하기 위한 연구가 주로 진행된 반면 지상시스템의 기계설비에 대한 관심은 상대적으로 부족했습니다.

이번 기술 개발로 이산화탄소 포집 이후 단계인 지중저장 지상시스템 기계설비가 국산화됨에 따라 국내 순수 기술로 이산화탄소의 포집과 저장(CCS) 사업을 전주기적으로 추진할 수 있게 됐습니다.

연구팀은 향후 액화 이산화탄소 뿐만 아니라 대용량의 기체 이산화탄소를 처리할 수 있는 시스템도 개발할 계획입니다.

한편 국제에너지기구에 따르면 전 세계 CCS 플랜트 수요는 2015년 18기, 2020년 100기, 2030년 850기, 2050년에는 3400기까지 늘어날 것으로 예측되고 있습니다.

이 가운데 20%를 우리나라가 점유한다고 가정할 때, 2030년까지 약 100조 원의 누적 매출과 연간 3200만t의 이산화탄소 감축효과를 기대할 수 있습니다(출처=국가 CCS 종합추진계획, 2010).

 

효율적 가압을 위한 CO2용 재생형 펌프 구성품 (1단 펌프 시제품)

CO2용 4단 가압펌프용 임펠러

CO2 용 4단 가압펌프용 축 및 Casing

CO2 용 4단 가압펌프 임펠러와 Casing의 조립 후

CO2용 라인히터 개략도

CO2 용 라인히터 구성품 (선회유동 발생기)

CO2용 4단 가압펌프 시제품

CO2용 라인히터 (조립 후)


<관련글 : 이산화탄소 잡아서 수소 만드는 기술
http://daedeokvalley.tistory.com/151>

<이산화탄소 지중저장을 위한 지상시스템>

□ 이산화탄소 포집·수송·저장 기술(CCS, Carbon Capture & Storage)은 이산화탄소 를 직접적으로 감축할 수 있는 기술로서, 기존의 고농도 이산화탄소 대량 배출원에서 발생되는 이산화탄소 를 포집하고, 포집된 이산화탄소 를 압축·수송하여 지중 및 해양 퇴적 암반층에 안전하게 저장하고 장기 모니터링 하는 기술을 의미함

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□ 주요국 이산화탄소  배출량 감축계획 (KISTEP 동향브리프 2010-1호, 2010)

국가

연도 및 감축량

EU

2020년까지 1990년 대비 20% 감축
- 범 세계 동참시 30% 감축

미국

2020년까지 2005년 대비 17% (1990년 대비 4%) 감축
- 2009년 6월 하원통과 ‘Waxmam-Markey 법안’에 명시

일본

2020년까지 2005년 대비 30% (1990년 대비 25%) 감축
- 2009. 9. 22. 하토야먀 총리 발표, UN정상회의

한국

2020년까지 2005년 대비 30% 감축
- 2009. 11. 17. 이명박 대통령 발표, 국무회의

 - 한국의 이산화탄소  배출량은 '05년 약 6억t으로, 감축계획에 따라 '20년까지 이산화탄소 배출량을 약 4억 2000만 t 수준으로 낮출 예정
  - 감축 계획량 1.8억 t  중 약 1억 t(55%)을 CCS기술로 감축할 계획  (우리나라의 에너지 다소비 산업구조, 중ㆍ화학공업 중심의  경제구조에서 이산화탄소 강제 감축은 치명적일 수 있음)

□ 국제에너지기구 (International Energy Agency(IEA)) CCS 로드맵 (2010)
   - CCS 기술을 사용하지 않으면, 2050년까지 온실가스 배출량을 50% 감축하는데 약 70%까지 비용 상승
   - 로드맵에 따르면 전 세계적으로 2020년 100개의 프로젝트에서 2050년에 3000개 이상의 프로젝트로 증가
   - 이를 위하여 2010년에서 2050년까지 2.5~3조 달러의 추가 투자가 필요하지만 이는 2050년까지 온실가스 배출을 50% 감축하는데 필요한 전체 투자 비용의 약 6%임

국제에너지기구의 CCS 로드맵, 2010


□ 유럽위원회 공동연구센터(European Commission's Joint Research Centre)와 네덜란드 환경영향평가청(PBL Netherlands Environmental Assessment Agency)이 공동으로 발간한 보고서 '지구 이산화탄소 배출의 장기 경향 (Long Term Trend in Global CO2 Emissions, 2011 report)'
   - 2010년 한국의 이산화탄소 배출량은 5.9억t으로 EU를 하나의 그룹으로 하면 배출량 세계 8위에 해당함

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posted by 이재형 과학이야기

한국기계연구원에서 발간한 월간 정책분석지 「기계기술정책」 5월호 중 '한 미 FTA 발효에 따른 기계부품 對美 수출 촉진 방안' 입니다. 

 

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posted by 이재형 과학이야기

형상기억합금(SMA)을 이용한 스마트 공구 클램핑 시스템

형상기억합금(shape memory alloy, SMA)는 일정한 온도가 되면 본래의 형상으로  되돌아가는 성질이 있어, 고온에서 기억된 형상을 저온에서 변형시켜 가열하면 본래의 형상으로 되돌아가는 특수금속입니다.

공작기계 공구를 정확하고 빠르게 교환 장착할 수 있는 '형상기억합금  이용 공구 클램핑 시스템'이 국내 최초로 개발됐습니다.


■ 한국기계연구원 초정밀시스템연구실 박종권 박사팀은 링 형상의 형상기억합금(SMA Ring)을 초소형 공구 클램핑 장치에 적용해 공구를 매우 정밀하고 견고하게 장착하고 교환할 수 있는 스마트 공구 클램핑 시스템을 개발했습니다.

 
이번 기술 개발로 공구를 장착하는 구성 요소와 시스템이 단순해지면서 공구를 5초 안에 교환할 수 있게 됐습니다.

기존 공구를 탈착하기 위해 200℃ 이상 가열하는 데에 1분 이상의 시간이 걸렸고, 콜렛(collet)이나 바이스(vice) 등의 부가적 작동부품 뿐만 아니라 고가의 클램핑-언클램핑 시스템도 필요했습니다.

SMA 클램핑 장치 가열 냉각

클램핑 힘 실험 결과


이번에 개발된 클램핑 시스템은 공구의 직경이 최소 0.5㎜로, 30만 rpm에 이르는 고속회전에서도 안정된 가공 상태를 보여 고속회전이 필요한 소형 마이크로 가공 분야에 응용될 수 있습니다.

또한 밀링이나 드릴링 등의 가공 시에 탈착 반복 정밀도가 기존보다 3배 이상 향상됐습니다.

또 기존 방식과 달리 가공에 따라 온도가 높아질수록 파악력이 더욱 커지는 장점도 있습니다.

이번 기술개발 성과는 기술가치 23억 원, 연매출 200억 원, 세후 영업이익 20억 원에 이를 것으로 추정됩니다.

박종권 박사는 이번에 개발된 시스템을 기반으로 단시간 내에 공구 교환이 가능한 ATC(자동 공구 교환장치)도 개발 중입니다.

 

SMA 공구 클램핑 시스템 프로토 타입


<형상기억합금(SMA)을 이용한 스마트 공구 클램핑 시스템>

SMA 클램핑 원리(SMA; Shape Memory Alloys)

단일방향성 형상기억합금을 통해 클램핑 및 언클램핑의 양방향성 동작을 구현하기 위해서 상대적으로 외경이 큰 공구홀더와 내경이 작은 형상기억합금 링 사이의 직경 차이를 이용한 끼워 맞춤 구조가 핵심이 된다.

저온에서 확대 소성변형된 형상기억합금이 공구홀더에 끼워진 뒤 고온의 오스테나이트 상이 되면 형상기억합금 링의 원형 내경보다 큰 직경의 공구홀더로 인해 형상 복원이 제지되고 그 결과 복원응력이 발생하게 된다.

이 복원응력에 의해 공구홀더는 수축되는 탄성변형이 이루어져 삽입된 공구를 클램핑하게 된다. 반대로 형상기억합금이 다시 냉각되어 마르텐사이트 상으로 변해가면 복원응력은 줄어들고 자체 탄성도 떨어지게 된다.

그 결과 형상기억합금의 복원력이 공구홀더 자체의 탄성력보다 작게 되어 공구홀더는 초기 형상으로 점점 회복되고 삽입된 공구는 언클램핑 상태가 된다.

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posted by 이재형 과학이야기

한국기계연구원 나노역학연구실 한승우 박사팀이 열 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 세계 최고 수준의 박막 열전 기술과 이를 이용한 초소형 열전 발전소자를 개발했습니다.

이번에 개발된 열전 발전소자는 주위의 열을 모아 전력을 공급하는 여러 분야에 이용될 수 있습니다.

예를 들어 신체에 착용해 원격으로 건강 상태를 측정하는 건강진단시스템(WHMS)에 장착하면 사람의 체온으로 전원을 공급할 수 있습니다.

개발된 박막 열전기술이 응용될 수 있는 원격 건강진단시스템 (Wearable Health Monitoring Systems?University of Alabama)

또 고전압, 땅 밑, 고공 등 전지를 교환하기 힘든 지능형 플랜트, 스마트 빌딩, 수송기계 등에 쓰이는 모니터링시스템의 무선센서에 적용하면 주위 열을 이용한 전원 공급이 가능해집니다.

이번 개발품은 증착온도와 압력, 열처리 조건 등의 공정 조건을 최적화 해 세계 최고 수준의 열전박막 효율을 갖고 있습니다.

지금까지 발표된 독일 마이크로펠트사의 Bi-Te박막(N-type)과 Bi-Sb-Te박막(P-type)의 파워펙터(power factor)는 각각 3 mW와 4 mW 였으나, 한국기계연구원이 개발한 열전박막은 각각 3.07 mW와 4.41 mW로 이를 상회했습니다.

열에서 전기가 발생하는 에너지 변환 원리를 거꾸로 이용하면 스마트폰, 태플릿 PC, 마이크로 패키지 등 휴대용 전자제품의 국소 냉각 시스템에도 응용할 수 있습니다.

이번 연구결과는 Microelectronic Engineering등의 저널에 5편의 SCI 논문이 게재됐고, 3건의 국내특허 등록과 1건의 국제특허가 출원 중입니다.

한편 시장조사 전문기업인 IDTechEx에 따르면 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 응용기기 시장규모는 오는 2020년에 43억 7000만 달러에 이를 것으로 전망되며, 이 가운데 열전소자 분야의 시장 규모는 2억 3600만 달러로 추정됩니다.

에너지 하베스팅 응용분야

 

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posted by 이재형 과학이야기