반응형

조선 세종 때인 1448년 개발된 세계 최초 2단형 로켓이자 세계 최대의 고체연료 추진 로켓무기인 '대신기전(大神機箭)'의 연구개발 책임자가 당시 39세의 군기감정(軍器監正) 박강(朴薑 : 1406~1460)이라는 연구결과가 나왔습니다.

조선시대 군기감은 현재 국방과학연구소(ADD)와 같은 곳입니다.
 
한국항공우주연구원 채연석 박사(전 항우연 원장)가 조선왕조실록과 병기도설 등 사료 연구를 통해 밝혀낸 사실을 보면 박강이 세종 27년(1445년) 3월 39세의 나이에 군기감정을 맡아 고려 최무선 때부터 사용되던 로켓무기 주화의 성능작업을 수행했습니다.

박강은 폭약통인 소발화를 장착한 사거리 200m의 '중주화'와, 보다 대형폭탄을 장착한 사러기 500m 이상의 '대주화' 등을 개발했습니다.

박강이 개발한 주화 무기체계는 세종 29년 가을부터 여진족을 격퇴시키기 위해 평안도와 함길도의 4군 6진에 총 2만 4930발이 배치됐습니다.

이중 9000개는 박강이 평안도 현지에서 직접 제조했다고 합니다.

당시 박강이 개발한 '중주화'와 '대주화'는 세종 30년(1448년) 6월, 총통등록(銃筒謄錄)이 발간되면서 이름을 '중신기전'과 '대신기전', '산화신기전' 등으로  바뀌고, 그 규격은 1474년 편찬된 국조오례서례의 병기도설에 기록됐습니다.

채 박사는 우리의 전통 로켓인 신기전을 지난 40년간 지속적으로 연구해 원형 복원에 성공했고, 영화 '신기전'의 자문도 담당했습니다.

채 박사는 신기전 관련 설계 자료를 유네스코 세계기록유산 등록할 계획입니다.


<연구개요>

박강은 조선 초에 좌의정을 지낸 박은의 둘째 아들로 1406년 출생하였다.
시호는 세양(世襄)이다.
실록에는 성품이 정교하고 기술과 재능이 많았으며, 젊었을 때 호협하고 얼굴 가꾸기를 잘하여 명기(名技)에게 인기가 많았다고 하였다.
군기감정 이후 1449년 이조참판, 황해도관찰사 등을 지냈다. 세조 즉위에 공을 세웠다.

○ 박강은 세종 29년(1447년) 12월 평안도에 파견 나가 주화 9000개를 제조하는데, 로켓화기는 구조와 제작방법이 복잡해서 로켓 전문기술자이어야 제조를 할 수 있기 때문이다. 
 
세종 29년 11월 22일, 주화는 말에서 달리며 혼자서 발사할 수 있고, 비행할 때 나오는 화염과 소리 때문에 적이 스스로 항복하고 겁에 질리게 한다는 장점을 열거하면서 평안도와 함길도에서 여진족을 퇴치하는데 주화가 효과적일 것이라 하여 3차례에 걸쳐서 대량인 1만 1390개의 주화를 보내면서, 더 필요한 양을 요청하라고 지시한다.
세종 29년 12월 2일 평안도와 함길도에서 요청한 주화의 수효가 너무 많았는지, 박강을 평안도에 임시로 파견 보내  한양에서 보내온 재료를 이용하여 중주화 2000개, 소주화 7000개를 규격과 제조방식대로 제조한다.
그리고 함길도에는 박강과 함께 군기감에서 같이 일했던 원익수(元益壽)를 감련관으로 보내 중주화 1040개, 소주화 3500개를 현지에서 제작한다.
군기감에서 파직당한 6개월 후에 군기감 소속이 아니면서도 박강이 현지에서 중주화와 소주화를 제조하는데 참여할 수 있었던 것은 군기감에서 파직되기 전까지 2년 3개월간 근무할 때 '주화'의 개량 및 연구 개발을 주도하여서 본인이 직접 주화를 제작 할 수 있는 능력을 갖고 있기 때문이다.
실제로 필자가 신기전을 복원하여 발사시험을 해보니 제작방법과 구조가 복잡해서 본인이 직접 제작할 수 있는 능력이 없으면 잘 제작할 수도, 잘 제작하였는지를 감독할 수도 없다는 것을 경험하였다.

○ 신기전의 전신인 주화가 본격적으로 사용 되는 세종 29년(1447년) 11월 직전에 대주화의 연구 개발기간으로 추정할 수 있는 2년 3개월간(세종 27년 3월부터 29년 6월까지) 세종시대의 화약무기를 연구개발 및 제작을 담당해온 군기감의 최고 책임자인 군기감정(軍器監正)이었다.
 
고려 때 최무선에 의해 개발되어 몇 개씩 사용되는 기록이 보이던 '주화'가 세종 29년 가을에 이르러 갑자기 1만 1390개(소주화 6500개, 중주화 4800개, 대주화 90개)를 대량으로 제작하여 북방으로 보낸 기록이 나타나므로 이 이전에 충분한 개발기간이 필요하다.
실제로 대신기전을 복원하여 발사시험 해본 결과 많은 시험이 필요하였고 대신기전의 개발에는 적어도 1년 이상의 기간이 필요했을 것이다. 

○ 재주와 능력이 뛰어난 인물이었다.
세계 최초의 2단 로켓이며 세계 최대의 종이약통 로켓화기인 대주화는 무게가 4.5~5kg의 무게이다.
소발화가 달린 중주화의 무게는 200g, 소주화의 무게는 100g 정도이다.
따라서 대주화는 중주화보다도 23~25배 더 무거운 대형 로켓화기이며 이렇게 큰 로켓의 연구개발에는 과학기술분야에 창의력과 재주를 갖춘 뛰어난 과학기술자가 필요하다.
세종은 27년(1445년) 3월 30일, 그 동안의 화약무기 개발의 성과를 논의하면서 당시에 군기감에 근무하던 화약무기기술자로는 더 이상 획기적인 화약무기를 개발하기 힘드니 창의력과 재주가 뛰어난 새로운 인물로 박강을 추천 받아 군기감 책임자로 임명한다.
조선왕조실록에도 박강은 성품이 정교(精巧)하고 기능(技能)이 많아서 처음에 벼슬을 하면서부터 군기감을 맡아 잘 수행하였다고 기록하고 있다.
따라서 박강은 당시 조선에는 없었던 새로운 로켓화기인 중주화와 대형 로켓화기인 대주화를 개발할 수 있는 재능을 갖춘 과학기술자로 추정된다.

○ 박강은 군기감에 판사로 있다가 파직 당했는데도 그 이후 계속 승진하는 것은 군기감에 근무할 때 새로운 주화를 개발 한 공로 때문이다.
 
박강은 군기감에 책임자로 있을 때 기술자가 죄를 짓고 도망치는 사건이 발생하여 이를 판결하는 과정에서 불명예스럽게도 세종 29년 6월 2일 파직 당했다.
그러나 세종 31년 2월에는 공조참의로, 문종 원년(1450년) 8월에 황해도 도절제사로 그리고 5개월 뒤에는 황해도 도관찰사겸 병마도절제사로 계속해서 승진하는 점도 4군 6진에서 성공적으로 여진족을 무찌르는데 사용된 주요 신무기인 주화 종류를 군기감에서 성공적으로 개발한 공로 때문인 것으로 추정된다.
박강과 함께 군기감에서 같이 파직 당했던 원익수도 문종 1년 5월경 군기감정으로 다시 복귀한다.

위와 같은 점을 종합해 볼 때 박강을 주화를 개량하여 만든 중주화(후에 중신기전으로 이름이 바뀜) 및 대주화(후에 대신기전, 산화신기전으로 이름이 바뀜)의 개발 책임자로 볼 수 있는 것이다.


<채연석 박사 TEDxDaejeon 강연 보기 http://youtu.be/jaU2DmSo2aA>


 

<채연석 박사>

- 1975년 11월 역사학회에서 '주화와 신기전 연구'-한국 초기(1377~1600)로케트에 대하여 -를 발표

- 1978년 11월 고 박정희 대통령의 지시에 의해 '행주산성 유물기념관에 화차와 신기 전 복원 전시'

- 1983년 헝가리 부다페스트에서 개최된 34회 국제우주대회(IAF)에서 'A Study of Early Korean Rockets(1377~1600)'발표

- 1993년 4월 대전 엑스포에서 화차와 중, 소신기전 복원 첫 발사시험,

- 2003~2008, 영화 '신기전' 제작자문

- 2008년 9월 대신기전 복원 발사시험, 영화 '신기전' 개봉(46회 대종상 영화제

최우수작품상 수상)

- 2009년 10월 대전에서 열린 국제우주대회(IAC)에서 'The History of Korean Rockets(1377~2009) - From Juwha to KSLV-1' 발표.(산화신기전이 세계의 최초 2단 로켓'임 발표)

- 2010년 11월 '중신기전의 소발화 폭발', '산화신기전 발사시험(주화 2단 분리 성공)





산화신기전에서 2단 로켓격인 지화가 분리되는 순간(2009년 11월 발사시험에서)


이륙하는 대신기전의 발사모습. 길이 5.5m 무게 3kg의 초대형 로켓화기인 대신기전과 산화신기전(2010년 5월 21일 고흥 비행센터 활주로)

 

반응형
반응형

직접 메탄올 연료전지는 새로운 에너지 전환장치의 하나로 각광받고 있지만, 전기 생산과정에서 메탄올이 이산화탄소로 완전히 산화되지 않고, 수많은 반응 중간 생성물이 만들어져 효율이 떨어지는 단점이 있습니다.

직접 메탄올 연료전지와 같이 저온에서 작동하는 연료전지의 효율성을 높이려면 물의 양과 분포를 최적으로 유지하는 것이 중요하기 때문에 연료전지내 물의 분포도를 구하는 연구가 많이 수행되고 있습니다.

이에 각국의 연구팀은 연료전지의 화학반응 추적을 위해 작동 중이던 연료전지를 해체하고 시료를 채취하여 분석했기 때문에 정확한 측정이 어려했습니다.

□ 한국기초과학지원연구원 한옥희 박사팀이 작동중인 직접 메탄올 연료전지를 해체하지 않고도 전기 생산과정에서 발생하는 화학반응 추적에 성공해 연료전지의 상용화를 앞당기는 토대를 마련하게 됐다.

연구팀은 직접 메탄올 연료전지를 독창적인 'in situ 핵자기 공명 분광기법(in situ NMR spectroscopy)'을 이용해 직접 메탄올 연료전지의 화학반응 추적에 세계 최초로 성공했습니다.

여기에는 연구팀은 자체 개발한 '토로이드형 핵자기 공명용 탐침'이 이용됐습니다.

연구팀은 화합물의 규명과 정량 분석에 유리한 핵자기 공명 기법의 장점에 In Situ 기법을 추가하여, 운영하는 상태의 연료전지에서 일어나는 전기화학반응을 추적했습니다.

연구팀은 직접 메탄올 연료전지를 작동시킨 후, 중수소 핵자기 공명 분광 스펙트럼을 구하는 작업의 반복을 통해 전기 화학반응 추적이 이뤄졌으며, 이를 반응시간 동안 발생한 전하량 측정한 데이터와 비교 분석해  전기 생산과 관련된 메탄올 산화 반응과 전기 생산과 관련이 없는 메탄올의 산화반응 모두에서 PtRu/C 촉매가 Pt/C촉매보다 메탄올의 완전 산화율이 더 높은 촉매임을 처음으로 확인했습니다.

이처럼 서로 다른 재료의 연료극 촉매를 사용하는 직접 메탄올 연료전지의 내부 화학반응을 비교 분석함으로써, 보다 우수한 재료의 연료극 촉매를 개발 할 수 있는 토대가 마련됐습니다.

특히 핵자기 공명 영상(MRI) 없이도 개발된 토로이드형 핵자기 공명용 탐침을 사용하면 연료전지내 화합물들의 분포도를 구할 수 있음을 입증한 것으로 물을 포함한 연료전지의 전기화학반응 전후 화합물들의 이동 경로 추적 가능성을 보여주었습니다.

이번 연구결과는 응용화학 분야 세계 최고의 학술지인 '앙게반테 케미' (Angewandte Chemie International Edition)의 3월 인터넷판에 게재됐습니다.
(논문명 : Observation of Methanol Behavior in Fuel Cells In Situ NMR Spectroscopy, IF=12.730)

토로이드형 in situ 핵자기 공명 탐침으로 분석한 2D NMR 스펙트럼. (a)가 PtRu/C 촉매,  (b)가 Pt/C 촉매이다.

직접 메탄올 연료전지에서 반응이 진행함에 따라 메탄올 신호(3.3 ppm)의 크기는 감소하고 하이드록실 (4.8 ppm)신호의 크기는 증가함을 알 수 있다.
스펙트럼상의 숫자는 일정 전류하에서의 연료전지의 누적 반응 시간을 의미하며, 하단의 밑줄친 숫자는 전기적으로 circuit이 연결되지 않은 누적 시간을 의미한다.
동일한 시간 동안 진행된 반응에서 Pt/C에서의 메탄올의 감소가 상대적으로 빠른 것을 볼 수 있다.
이는 같은 전류 생산에 더 많은 메탄올을 사용 한 것을 의미하고 따라서 메탄올의 완전 산화율이  줄어든 것을 의미한다.
전기적 circuit이 연결되지 않은 상태에서의 메탄올 감소량을 비교했을 때 Pt/C 촉매에서 PtRu/C보다 시간당 메탄올 감소율이 작았다.
따라서 직접적인 전기 생산과 관련 없는 메탄올의 산화반응에서도 Pt/C에서 상대적으로 산화반응이 느림을 알 수 있다.

토로이드형 In Situ 핵자기 공명 탐침을 이용한 화합물의 공간 분포 측정.

핵자기 공명 신호의 검출을 위해 토로이드의 outer conductor와 central conductor 사이의 공간에 발생하는 B1 자기장의 세기가 central conductor의 중심에서 r 방향으로 선형적으로 감소하는 성질을 이용하면 r 값에 따른 화합물의 분포를 측정할 수 있음을 보여준다.
(a) 세겹의 튜브중 제일 안쪽(파랑)에 D2O, 가운데(빨강)에 CD3OH, 제일 바깥(노랑)에 DCOOD/D2O를 넣고 측정한 2D 핵자기 공명 스펙트럼. 물질의 종류는 가로축을 따라 나타나는 chemical shift (ppm) 값으로 부터 공간적인 분포는 세로축에 나타나는 위치 (r-1)에 따라 구별할 수 있음을 동시에 보여준다.
(b) 동일한 방법으로 0.1 mm 두께의 분리막 내외에 분포한 CD3OH(빨강)와 D2O(파랑)를 관찰한 것이다. 일반적으로 연료극-전해질-공기극으로 구성된 메탄올 연료전지의 전극집합체 (metal-electrolyte assembly, MEA)의 두께가 약 0.5 ~ 1 mm이므로 메탄올 연료전지의 연료극-전해질-공기극에 존재하는 메탄올과 반응 생성물의 분포를 구분해 낼 수 있음을 보여준다.

 

<토로이드형 핵자기 공명용 탐침>
 
토로이드형 핵자기 공명 탐침은 일반적으로 액체시료에 사용하는 헬름헐츠코일이나 고체 시료에 사용하는 솔레노이드코일과 달리 솔레노이드코일의 양끝을 이어놓은 듯 생긴 토로이드 코일이나 이와 같은 원리를 이용하는 원통형 토로이드 캐버티 디텍터를 사용한다.
다른 코일들과는 달리 라디오파에 의해 생성되는 자장이 코일안에만 존재해서 오로지 토로이드 코일안에 있는 시료에서만 핵자기 공명 신호를 감지하는 특징이 있다.
또한 핵자기 공명 영상 장치가 없어도 각 화합물의 2차원 영상을 코일 내부의 반지름에 대해 구할 수 있어 화합물들의 공간적 분포도를 구할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 연료전지 관찰에 적합하게 내부 도체(central conductor)를 막대기 형태에서 원통형으로 변경하고 액체 연료와 배출액의 출입을 위한 튜빙들이 내부 도체의 원통을 거치게 함으로써 튜빙내에 있는 액체에서는 신호를 감지하지 못하게 하고 연료전지에 존재하는 화합물들만 관찰할 수 있게 개발하였다.

연료전지의 In Situ 핵자기 공명 연구를 위한 토로이드형 탐침
(a) 토로이드형 탐침의 전체구조.
(b) 직접 메탄올 연료전지가 gasket에 둘러싸여 central conductor에 결합된 모습으로 T1과 T2는 메탄올의 공급과 배출, T3와 T4는 산소의 공급과 배출을 위한 튜브들이다.
(c) 연료전지로 감싸인 central conductor를 outer conductor에 삽입해 탐침이 완전히 조립되었을 때의 모습.

<연료전지>
 
연료전지는 화력 발전소나 내연기관에서처럼 연료를 태워 열 에너지 또는 운동 에너지로 바꾼 후 전기를 생산하는 것이 아니라, 촉매를 사용한 화학 반응에 의해 연료가 가진 높은 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치이다. 
이 때문에 친환경적이며 석유자원 고갈 문제에 대응하는 대표적인 에너지 전환 장치이다.
연료전지에 사용되는 연료 중에서 메탄올은 대량 생산이 가능하고, 현재의 가솔린/경유 공급을 위한 사회 간접시설을 그대로 이용할 수 있는 경제적 이점 때문에 현재 전세계적으로 직접 메탄올 연료전지에 대한 많은 연구가 진행되어왔다.
그러나 직접 메탄올 연료전지에서 알코올이 CO2로 완전히 산화되는 것이 아니라 대부분의 메탄올이 부분 산화되면서 다양한 반응 중간 생성물이 만들어진다.
연료전지의 효율을 높이기 위해서는 이들 화합물의 규명과 반응 추적을 통한 각기 다른 촉매의 역할을 비교 분석하여 완전 산화 반응율이 높은 촉매를 개발하고, 최적의 운영 조건을 찾는 것이 연료전지 산업화의 필수 요소이다

 

반응형
반응형
사람의 몸을 매질로 삼아 주변의 전자기기와 통신이 가능하게 하는 ETRI(한국전자통신연구원)의 '인체통신기술'이 미국전기전자학회(IEEE) 기술표준위원회에서 세계 최초로 국제표준으로 채택됐습니다.

인체통신기술이란 사람의 몸을 전선과 같은 매개물질로 활용해 별도의 전력 소비 없이 인체에 통하는 전류를 이용하는 기술로, 사람의 팔, 다리 등 신체를 이용해 사진, 동영상, 음악파일 등의 데이터를 전송할 수 있습니다.
 
이번에 공표된 표준은 인체주변 영역에서의 전자기기나 바이오센서간의 통신을 위한 표준(IEEE 802.15.6)으로, 무선주파수를 사용하는 UWB, NB 기술과, 인체 매질을 이용하는 인체통신기술을 주요 내용으로 합니다.

특히 이 중 ETRI가 세계 최초로 개발하여 원천특허를 확보하고 있는 '주파수 선택형 디지털 전송' 방식은 RF 회로나 주파수 변조 과정 없이 디지털 신호만을 이용하여 채널특성이 우수한 주파수 대역을 선택할 수 있는 방식으로, 기존 통신방식에 비해 전력소모를 획기적으로 줄이면서 우수한 통신성능을 확보할 수 있는 신기술입니다.

 용  어  설  명

IEEE 802.15 :
비교적 짧은 거리의 개인영역 (PAN : Personal Area Network) 무선통신을 위한 표준

UWB(Ultra Wide Band) :
초광대역의 주파수를 사용하는 고속/저전력 통신기술을 의미

NB(Narrow Band) :
협대역의 주파수를 사용하는 저속 통신기술을 의미

RF(Radio Frequency) :
무선통신에 사용되는 주파수를 통칭하여 RF라고 함

반응형

+ Recent posts