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우리나라의 100대 국정과제의 하나로 추진되고 있는 '그린홈 100만호 프로젝트'에 따라 해안이나 도서지역을 중심으로 10㎾급 소형 풍력 발전기 수요가 꾸준히 증가하고 있습니다.

소형 풍력 발전기 시장은 미국의 경우 연 15% 이상의 성장률을 보이는 등 세계적으로 연구개발 및 투자가 증가하고 있습니다.

소형 풍력 발전기에 장착되는 회전날개는 가벼우면서도 내구성이 강한 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)이나 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)을 사용해서 제작됩니다.

이 날개 제작은 성형틀에 탄소섬유 또는 유리섬유와 화학 경화제를 넣고 1차적으로 24시간 상온에서 경화시킨 뒤, 2차적으로 열을 이용해서 경화시키는 방법을 이용하는데, 제작에 많은 시간과 비용이 소모됩니다.

□ 한국원자력연구원이 첨단방사선연구소 공업환경연구부 강필현 박사팀이 방사선 조사 기술을 이용해 10㎾급 소형 풍력 발전기 핵심 부품인 날개를 더 가볍고 더 저렴하고 더 빨리 만드는 방법을 개발했습니다.

이 기술을 이용할 경우 제작 시간은 기존의 1/50로 줄이고, 비용도 기존의 65% 수준의 비용으로 감소기키면서도 고강도의 날개를 생산할 수 있습니다.

연구팀은 방사선이 투과성과 에너지 전달 능력이 높아 섬유강화 복합소재 경화에 적합한 점에 착안해 탄소섬유와 유리섬유를 이용해서 성형한 발전기 날개에 100 k㏉(킬로그레이)의 전자선을 조사한 결과 그동안 만 하루가 넘게 걸렸던 날개 경화 시간을 30분으로 대폭 단축시켰습니다.

방사선 조사 중인 소형 풍력 발전기 날개


이번에 개발된 기술은 화학 경화공정을 생략함으로써 기존 대비 생산비용을 35% 절감했고, 경화 시간 단축을 통해 성형틀의 사용 횟수를 늘림으로써 추가적인 비용 절감 효과도 기대할 수 있습니다.

또한 방사선이 조사된 소형 풍력 발전기 날개는 섬유 분자 내부의 결합이 단단해져 기존 대비 인장강도가 10%, 압축강도는 90% 향상돼 운전 과정에서의 변형 및 균열 발생 위험을 줄일 수 있게 됐습니다.

한국원자력연구원은 이번에 개발한 소형 풍력 발전기 날개를 실제 풍력 발전 시스템에 적용하기 위해 한국에너지기술연구원 제주 글로벌신재생에너지연구센터에서 피로 시험평가를 거친 뒤 인증 절차를 진행할 예정입니다.

또 관련 기술을  기업에 이전시켜 항공기 이착륙이나 회전시 앞날개를 움직이게 하는 탄소복합소재 페널 제작에 활용하고, 향후 방사선 조사 기술을 자동차 부품이나 건축 소재 등 기타 섬유복합소재 제작에도 확대 적용할 계획입니다.

방사선 조사 기술 이용해서 제작한 소형 풍력 발전기 날개


 용  어  설  명

전자선 :
텅스텐 등을 고온으로 가열해서 발생한 전자에 고압의 전기를 가해 빛의 속도에 가깝게 가속함으로써 높은 에너지를 띄도록 한 것. 전자선의 에너지를 이용하면 물질의 구조를 바꾸고 화학반응이 선택적으로 일어나게 할 수 있다.

<강필현 박사>

 

인적사항
 ○ 성    명 : 강필현 (姜弼鉉, 45 )
 ○ 소속기관 : 한국원자력연구원
 
  학    력
  ○ 1986년 ~ 1990년  충남대학교 공과대학 화학공학과 학사
  ○ 1990년 ~ 1994년  충남대학교 대학원 공업화학과 석사
  ○ 1994년 ~ 1998년  충남대학교 대학원 공업화학과 공학박사

  주요경력
  ○ 2011년 ~ 2012년 2. 현재 한국원자력연구원, 공업환경연구부장
  ○ 2000년 ~ 2012년 2. 현재 한국원자력연구원, 책임연구원
  ○ 2007년 ~ 2009년 2. 전북대학교 화학공학부 겸임교수
 
  주요연구업적
<연구 주제>
  - 방사선 이용 원자력, 항공우주, 자동차 산업에 필요한 첨단 복합신소재 개발
  - 방사선 융합기술이용 풍력블레이드 탄소복합소재 및 메트릭스 고분자 개발

<연구 성과>
  - 연구논문 : 「전자선 가공기술을 이용한 탄소 폴리아크릴로 니트릴(PAN) 탄소나노섬유 특성연구」등 107건
  - 특허출원 : '방사선 기술을 이용한 풍력블레이드용 섬유강화 복합소재의 제조방법' 등 32건
  - 특허등록 : '방사선 조사에의한 탄소섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 탄소섬유' 등 14건

posted by 글쓴이 과학이야기

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일반적으로 섬유는 의류 제조에만 사용된다고 생각하기 쉽습니다.

그러나 최근 첨단기능의 신섬유들이 수처리 분야나 공기정화 분야, 바이오 산업분야, 첨단 의료 분야 등에서 기존 소재의 대체품으로 각광을 받으면서  섬유산업이 소재산업의 중심으로 부상하고 있습니다.

신섬유 가운데 대표적인 것으로는 탄소섬유와 나노섬유 등이 있습니다.

○ 탄소섬유

탄소섬유의 예를 보면 최근 자동차의 연비향상이 세계적인 이슈로 부각되면서 도요타와 벤츠는 일본의 토레이와, BMW는 미쯔비시레이온과 함께 자동차의 차체를 강판에서 탄소섬유로 대체하기 위해 납품을 논의하고 있습니다.

만약, 차체 대부분을 탄소섬유로 대체할 경우 차체의 중량이 가벼워지기 때문에 차량의 연비가 현저하게 개선되기 때문입니다.

하지만 강판 대비 탄소섬유의 단가가 비싸기 때문에 일부 고급차종에서 부분적으로만 사용되고 있습니다.

기존 탄소섬유의 단가가 높은 이유는 제조공정이 복잡하고 열에너지 및 시간이 많이 소모되기 때문입니다.

그러나 기존 탄소섬유 단가는 철에 비해 20배 가까이 비쌉니다.

○ 나노섬유

나노 섬유도 그렇습니다.

나노 섬유는 반도체, 광학, 디스플레이, 센서 등의 전기전자 분야 / 필터, 분리막, 촉매, 복합재, 단열재 등의 기계화학 분야 / 배터리, 축전기, 연료전지, 태양전지 등의 에너지 분야 / 인공피부, 혈관, 약물전달, 임플란트, 세균검출 등의 의약생명 분야 / 초경량 구조, 보강재 등의 자동차 분야 / 고급 의류, 흡착제, 친환경 섬유 등의 전통섬유 분야 및 국방, 항공우주 등에 사용됩니다.

현재 나노섬유는 라면처럼 구불구불한 단사(短絲)형태 또는 부직포처럼 조각난 웹(web) 형태로 제조됩니다.

이렇게 제조된 나노섬유는 제품에 따른 성형이 쉽지 않아 응용분야가 제한되는 단점이 있습니다.

○ 한국화학연구원, 섬유소재 신기술 개발

이런 가운데 한국화학연구원 이재락 박사 연구팀이 30년 동안 개발한 '나노 마이크로급 장섬유 제조 및 가공기술'의 상용화가 곧 실현될 전망이어서 관심이 집중되고 있습니다.

화학(연) “나노/마이크로급 장섬유 제조 및 가공기술”의 국제특허 PCT WO2005/123995 : Filament Bundle Type Nano-fiber and Manufacturing Method Thereof의 대표도면


이 기술은 다양한 직경의 섬유를 무한히 길게 방사할 수 있는 기술로, 기본적으로 나노섬유로 활용될 수 있고, 후처리 공정을 통해 탄소섬유 또는 기능성 섬유로도 쉽게 가공할 수 있습니다.

 화학연구원의 ‘섬유소재 신기술’의 제조 및 시스템 기술을 적용해 대량생산하면서도 기존 탄소섬유의 절반 이하 가격으로 생산이 가능할 것으로 예상되고 있습니다.

제조된 탄소 나노섬유 FE-SEM 사진


또한 기존 탄소섬유의 적용이 어려웠던 분야에 ‘섬유소재 신기술’의 새로운 복합층 구조재 성형 기술을 접목하면 충격강도, 재활용성 및 공간 활용성(자동차 차체 공간에 배터리를 수납하는 등)이 증대될 수 있기 때문에 강판의 대체소재로서 탄소섬유가 부각될 것입니다.

○ 기능성 섬유

기능성 섬유는 탄성, 내열, 건조, 보온, 발열, 방수, 방진, 전자파 차폐, 생분해, 자외선 차단, 전기전도, 인간친화적 등 다양한 기능을 섬유와 결합시킨 것입니다.

기능성 섬유를 제조하는 방법은 새로운 원료(전구체)를 개발하거나, 원사를 특수코팅 또는 화학처리하는 방법, 여러 원사를 복합하여 사용하는 방법 등이 있습니다.
      
‘섬유소재 신기술’은 대부분의 액상 전구체를 다양한 형태로 방사할 수 있으며, 원사의 직경제어가 용이해 다양한 후처리 공정과 특수코팅이나 화학처리 자동화 공정 등에 유리합니다.

즉, 기존의 케불라(방탄섬유), 고어텍스(방수섬유)보다 뛰어난 성능의 다양한 기능성 섬유를 우리나라 화학연구원의 ‘섬유소재 신기술’로 제조할 수 있는 것입니다.


간접 전기방사 장비 및 제조된 나노급 장섬유 SEM 사진


‘섬유소재 신기술’은 다양한 액체 전구물질(precursor)을 노즐로 방사하여 나노부터 마이크로미터 직경의 섬유를 생산 및 가공할 수 있는 기술입니다.

화학연구원은 이에 대해 현재 특허기술의 상용화를 완료하고, 파트너 기업이 선정 되는대로 공장설비 및 시제품 생산에 착수할 계획입니다.

‘섬유소재 신기술’은  무한히 긴 섬유를 다양한 직경으로 손쉽게 대량생산할 수 있으며, 방사된 섬유를 일반섬유, 탄소섬유, 기능성 섬유 등 원하는 형태로 가공할 수 있어 소비자 또는 생산자의 니즈에 맞춰 시장에 탄력적으로 적응할 수 있는 확장성이 뛰어난 기술입니다.

이번에 기업 이전을 추진하는 기술은 섬유방사 관련특허 12건, 탄소섬유 관련특허 10건, 리튬배터리분야 응용특허 6건 등 총 36건의 특허가 패키지 형태로 구성되어 있어 다양한 응용분야에 적용이 가능합니다.
이를 통해 원료중합 → 방사 → 제직/편직 → 염색/가공 → 응용제품 생산에 이르는 섬유소재 생산의 모든 단계를 커버할 수 있습니다.

세계 섬유시장은 올해에만 6500억 달러 규모를 가진 거대시장이며(한국은 120억 달러 규모의 세계 6위 섬유수출국), 이 중 탄소섬유는 43억 달러, 기능성 섬유는 84억 달러를 차지하고 있습니다.
 

고분자 나노섬유 응용분야


일반섬유 시장은 성장이 둔화되었지만, 탄소 및 기능성 섬유 시장은 연평균 10% 이상의 가파른 성장세를 보이고 있으며, 때문에 섬유산업 선진국들은 신섬유 개발에 연구개발 역량을 집중하고 있습니다.

일본은 토레이, 테이진, 토호-테낙스, 미쯔비시 등을 주축으로 탄소섬유, 나노섬유 등 다양한 기능성 신섬유 개발에 주력하고 있으며, 미국은 듀폰, GE, 도날드슨 등이 첨단섬유를 개발하고 있습니다.
 
또한 유럽도 EU 소속국이 공동으로 신섬유 원천기술을 개발하고 있습니다.

우리나라도 WPM(World Premier Materials) 프로그램을 통해 세계시장 선점 10대 소재 개발 사업을 추진하고 있으며, 탄소저감형 케톤계 프리미엄 섬유, 에너지 절감/변환용 다기능성 나노복합소재 등 첨단기능형 신소재 개발에 관심과 노력을 기울이고 있습니다.

이런 가운데 한국화학연구원 화학소재연구본부 이재락 박사 연구팀은 지난 30여년 간의 연구 끝에 완성한 '나노/마이크로급 장섬유 제조 및 가공기술(섬유소재 신기술)'을 민간기업에 이전하기 위해 다음달 7일 기술설명회를 가질 예정입니다.


posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 대빵 2010.11.30 09:27  Addr Edit/Del Reply

    나노 기술이 반도체, 섬유, 자동차 등 모든 분야에 꼭 필요한 기술이라는 기사를 본 적이 있습니다.
    더욱 더 발전시켜 세계에 한국 기술의 우수성을 알려주시기를 바라겠습니다.
    방문 감사드립니다.

    11월 마무리 잘하시고 행복한 12월 맞으시기 바라겠습니다.

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