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이슬점은 공기 중 포함된 수증기가 물로 응축되는 온도를 말하는데, 이슬점을 안다고 하는 것은 공기 속에 얼마나 많은 수분이 존재하고 있는가, 혹은 얼마나 건조한 상태인가를 알 수 있는 수분의 척도입니다.

일상생활과 산업공정에서 적정한 습도의 존재는 매우 고마운 존재이지만, 반도체 등 첨단산업에서는 수분은 불청객으로 취급 받습니다.

반도체 공정에서 극미량의 수분 일지라도 이는 제품의 품질에 결정적인 영향을 미치는데, 특히 반도체 제조과정 가운데 식각 공정에 쓰이는 각종 가스의 수분이 정상치를 넘을 경우 박막의 전기 광학적 성질이 바뀌어 제품의 불량률을 높이는 요인이 됩니다.

때문에 최근 첨단 산업공정에서는 ppb 정도의 극미량 수분의 측정 및 조절이 필수적입니다.

이 영역에서 수분을 측정할 수 있는 계측기가 최근 개발되어 반도체 공정 등에 설치되어 품질을 책임지고 있지만, 이런 계측기들의 정확도를 평가할 수 있는 극미량 수분표준이 없어 그동안 측정 신뢰성 및 품질 관리에 문제점으로 작용했습니다.

한국표준과학연구원(KRISS) 온도센터 최병일 박사팀이 반도체 수율 향상에 핵심 요소인 ppb 수준의 극미량 수분표준을 국내 최초로 확립했습니다.

이번에 확립한 수분표준 영역은 이슬점으로 -105 ℃, 5 ppb(10억 분의 5) 수준으로, 일반 가정용 가습기 습도의 100만 분의 1에 해당하는 극미량의 수분양입니다.

현재 5 ppb 수준까지 수분을 정확히 측정하고 제어할 수 있는 기술을 보유한 나라는 미국, 영국, 독일, 일본 등에 불과합니다.

연구팀은 극미량의 수분을 정확하게 제어하고 발생시킬 수 있는 장치를 개발해 수분표준을 확립했습니다.

연구팀인 극저온인 -95 ℃를 유지하며 내부가 얼음으로 코팅되어 있는 용기(포화조) 내에 건조가스를 주입해 고압 상태에서 얼음과 수증기가 열적 평형상태인 포화된 습공기를 만들고, 이를 다른 압력과 온도로 방출시키는 방법으로 온도와 압력과의 열역학적 관계식을 응용했습니다.

이를 통해 정밀하게 조절된 극저수분 공기를 만들어 수분의 양을 100억 분의 5개(0.5 ppb)이내로 정밀하게 측정하는데 성공했습니다.

현재 산업체에서 필요로 하는 극미량 수분계측기 교정의 하한 영역은 이슬점 -120 인 0.2 ppb(100억분의 2)입니다.

앞으로 연구팀은 산업체가 필요로 하는 수분 영역까지 극미량 수분표준을 확립하거, 확립한 극미량 수분표준을 보급하기 위해 산업체에서 사용하고 있는 수분계측기에 대해 교정을 실시할 계획입니다.


극미량 수분표준 발생장치로 수분계측기를 교정하는 최병일 박사.

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프탈레이트 가소제는 플라스틱을 부드럽게 만들어 주는 첨가물질로 1930년대부터 사용됐습니다.

이후 환경과 건강에 대한 인식이 높아지면서 프탈레이트 가소제의 독성에 장기간 노출되면 생식기능이나 신체 발달에 부정적인 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌습니다.

이처럼 프탈레이트는 내분비계 교란 물질임이 확인됐지만, 지금도 어린이 장난감에서 건축 자재, 의료용품, 가전제품, 샴푸에 이르기까지 각종 소비재에 널리 포함돼 있습니다.

이에 유럽을 중심으로 유해물질사용제한지침(RoHS)과 신화학물질통합관리제도(REACH) 등에서는 프탈레이트계 가소제의 사용 제한까지 검토하고 있는 실정입니다.

우리나라를 비롯해 유럽, 미국 등에서는 특히 어린이 장난감에 들어가는 프탈레이트 가소제 물질을 엄격히 규제하고 있습니다.

이에 우리나라 환경부는 프탈레이트 가소제 함유 가능성이 있는 134개 제품을 대상으로 프탈레이트 가소제 물질을 조사해 지난해 4월 발표하기도 했습니다.

그 결과 일부 유아용 장난감과 플라스틱 인형 등 10개 제품(7.5%)에서 프탈레이트 가소제 노출량이 독성 참고치를 초과한 것으로 나타난 바 있습니다.

또 프탈레이트 가소제가 포함된 생활용품이 폐기과정에서 분해될 때 토양이나 수원 등을 오염시키거나 생활환경에 가스 상으로 발산 되어 다양한 경로로 인체에 흡수될 수 있기 때문에 특별한 관리가 필요합니다.

□ 이 물질의 인체 유해성이 알려지면서 관련 물질이 포함된 제품에 대한 수출에 있어 기술적 무역장벽(TBT)으로 작용하기도 합니다.

유럽연합은 수입 제품에 포함된 유해물질의 양을 제한하고 있으며 중국, 일본 등 각국으로 그 규제가 확산되고 있습니다.

따라서 이 물질이 포함된 제품의 생산 및 유통, 폐기, 재활용에 이르는 전 과정에 걸쳐 친환경적인 노력이 필요합니다.

국제무역에 있어 환경규제는 FTA 등으로 힘을 잃은 관세장벽을 대신하는 새로운 무역장벽인데, 이는 과학이 발달한 선진국에 극히 유리한 장벽입니다.

수출중심 국가인 우리나라는 제품 개발단계부터 환경을 고려하지 않으면 앞으로 심각한 위기를 맞을 수도  있습니다.

가장 강력한 무역 장벽으로 떠오른 환경 규제에 대한 각종 오염물질 측정기준 마련 등 과학적 대비가 필수적입니다.

□ KRISS(한국표준과학연구원) 분석화학표준센터 김달호 박사팀은 PVC 에 포함되는 프탈레이트 가소제의 농도를 정확히 측정할 수 있는 인증표준물질을 세계 최초로 개발했습니다.

김달호 박사는 프탈레이트 가소제 측정용 인증표준물질을 개발하기 위해 함량을 정확히 측정하는데 영향을 미칠 수 있는 다양한 요인들을 평가해 각 프탈레이트 가소제의 순도분석 및 동위원소희석 질량분석법을 활용한 인증값을 결정했습니다.

이를 통해 시료의 분석을 위한 시료전 처리과정이나 기기측정과정에서 발생 할 수 있는 측정오차를 줄여 국제적으로 수용 가능한 최고 수준의 정확한 인증 값을 산출하는데 성공했습니다.

이번 프탈레이트 가소제 측정용 PVC 인증표준물질은 KRISS가 처음 개발한 것이며, 독일, 일본, 중국 등에서도 이 인증표준물질을 개발을 연구 중입니다.

KRISS는 이번에 개발한 프탈레이트 가소제 측정용 인증표준물질을 국내 70여 개소 RoHS관련 시험검사기관에 보급해 측정 신뢰성을 높일 계획입니다.

또 앞으로는 개발한 프탈레이트 가소제 규제 범위 농도 뿐만 아니라 저농도 측정용 인증표준물질까지 개발해 관련 분야 시험기관의 분석 능력을 향상시킬 계획입니다.

 

 
 용 어 설 명 

인증표준물질(CRM) :
물질의 화학적 조성 또는 물리적 성질을 측정하는데 있어 기준이 되는 물질을 말하며, 사용자가 직접 측정 기기를 교정하거나 측정 방법의 정확성을 판단하는 데에 사용한다.
물질의 화학조성을 측정하는데 사용되는 인증표준물질의 경우 물질에 함유된 화학 성분을 매우 정확히 측정하고 그 값을 인증서에 기재하여 인증표준물질과 함께 보급한다.
화학분석기관에서는 미지 시료 내에 함유된 성분을 인증표준물질과 비교 측정함으로써 정확성을 기할 수 있다.

동위원소희석 질량분석법 :
화학측정의 정밀도와 정확성을 향상시킬 수 있는 최상위 측정법이다.
플라스틱재료에 포함된 프탈레이트를 측정하고자 할 때 시료의 분석을 위한 전처리 과정에서 그 프탈레이트와 화학적 구조는 같으나 자연계존재 비율이 낮고 안정한 동위원소가 포함되도록 인위적으로 합성한 프탈레이트를 플라스틱 재료에 가한 후 질량분석기를 이용하여 플라스틱재료에 처음부터 들어 있었던 원래 프탈레이트의 양을 정확히 측정하는 방법이다.
이 방법을 사용하면 시료의 전처리과정이나 기기측정과정에서 발생하는 측정의 오차를 현저하게 줄일 수 있다.

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최근 스마트폰을 비롯한 초소형, 초박형 제품의 수요가 급증하면서 다양한 기능들을 구현할 수 있는 차세대 비아홀 공정을 도입하는 기업이 늘어나고 있습니다.

이에 따라 하나의 반도체 웨이퍼에 CPU, 메모리, 전원소자, 센서, MEMS 등 다양한 칩을 층층이 쌓고 이들 사이에 전기신호가 원활하게 교환되도록 하는 것이 반도체의 품질을 좌우하는 중요한 요소가 됐습니다.

이를 위해서는 매우 좁고 긴 구멍인 TSV(Through Silicon via ; 실리콘 관통 비아홀)를 뚫어 칩들 사이의 전기 신호를 전달해야 합니다.

TSV는 지름이 수 ㎛ 수준이며 상대적으로 깊이가 깊기 때문에 정교한 기술이 요구됩니다.

특히 수율이 중요한 대규모 제조공정에서 빠르고 정확하게 측정하는 기술은 차세대 반도체 측정장비 시장에서 필수적인 기술입니다.

□ 비아홀은 지름이 매우 좁고 깊어 정밀한 측정기술이 필수적이지만, 그동안 국내에서는 관련 측정기술이 없어 차세대 반도체 시장 진출에 어려움을 겪어 왔습니다.

기존의 비아홀 측정은 X-레이나 SEM(전자현미경)을 활용해 시료를 절개하여 측정하거나 개별 이미지를 촬영하는 방식을 사용했습니다.
 
특히, SEM을 활용해 비아홀을 측정할 경우, 웨이퍼의 단면을 절단해 측정하기 때문에 불가피하게 제품에 손상이 생기고, 측정하는 샘플 수에도 한계가 따라 대량공정에 적용시 어려움이 따랐습니다.

□ KRISS(한국표준과학연구원) 길이센터 진종한 박사팀이 개발한 차세대 반도체 패키징 측정기술을 반도체 디스플레이 검사장비 전문기업인 ㈜쎄미시스코으로 이전됐습니다.

이번에 이전한 실리콘 관통 비아홀(Through Silicon via, TSV) 측정기술은 반도체의 집적도를 높이기 위해 실리콘 웨이퍼를 아파트처럼 수직으로 쌓아 올린 후, 각 층의 웨이퍼 간 전기신호를 주고받기 위한 수직 도선인 TSV의 깊이를 고속으로 측정 및 검사하는 기술입니다.

이 기술의 특징은 비아홀의 직경과 깊이를 정확하게 측정하면서도 레이저를 이용해 비접촉으로 제품에 손상 없이 고속측정이 가능합니다.

이번 기술이전으로 현재 기술적인 난제때문에 본격적인 시장형성이 이루어지지 않은 TSV 측정장비 시장을 선점하는 것을 물론 비아홀 고속 측정방법이 상용화될 경우 차세대 반도체 장비시장을 선점할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

한편 KRISS는 이번 기술이전으로 향후 10년간 약 50억 원 이상의 기술료를 받을 전망입니다.


간섭계 측정장치를 이용해 TSV를 측정하는 모습

<㈜쎄미시스코>

반도체, 디스플레이공정등의 검사 및 진단 솔루션 기업인 쎄미시스코는 2000년 10월에 설립되었다.
경기도 수원에 본사가 있으며, 중국의 베이징과 안휘성 합비 두곳에 지역사무소를 운영하고 있다.
반도체 및 디스플레이 검사장비 분야에서의 노하우를 바탕으로 지난 2011년 코스닥에 입성한 (주)쎄미시스코는 국내는 물론 해외에서도 기술력을 인정받고 있는 강소기업이다.
현재 보유하고 있는 지식재산권이 100여개에 달하며 삼성전자, 삼SMD, LG디스플레이 등 국내는 물론 중국, 일본, 대만, 미국, 영국, 프랑스 등 의 선진국들에 수출하고 있다.

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태양전지 시장은 현재 중국과 유럽 업체들이 주도하는 결정형 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있습니다.

결정형 실리콘 태양전지는 높은 효율과 안정적인 성능을 갖고 있지만, 제조비용이 높은 단점이 있습니다.

이에 CIGS(Cu, In,Ga, Se2)  박막형 태양전지가 재료 소모가 적고 공정이 간단하며, 비용이 적게 들어 차세대 태양전지로 각광받고 있지만, 낮은 효율과 이를 해결하기 위한 제조 공정의 최적화 문제가 남아있습니다.

최근 국내 대기업들이 CIGS 박막 태양전지의 상용화를 시도하고 있지만 핵심 제조 기술은 선진국에 의존하고 있는 실정입니다.

이는 공정 상태에 따른 박막의 성분 비율 등에 대한 분석이 어려워 기존의 제조 공정을 그대로 따라하는 수준을 벗어나지 못하고 있기 때문입니다.


□ KRISS(한국표준과학연구원) 재료측정표준센터 김경중 박사가 박막 태양전지 제작 공정 시 필수 요소지만 분석 난제 중 하나였던 '다성분 합금인 CIGS 박막의 조성'을 정확하게 분석하는 기술을 개발했습니다.

CIGS는 광전변환 효율이 높고 저가격·고효율을 실현할 수 있어 박막 태양전지 재료 중 최적의 대안으로 평가받고 있습니다.

현재 실험실 수준에서 측정된 최고 효율은 20% 이상이며, 대면적의 상용 전지로 개발되면 8~14%의 효율이 예상됩니다.

연구팀은 이차이온질량분석법(SIMS)을 이용하여 CIGS 박막의 구성 원소인 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄의 상대적인 비율 뿐 아니라 깊이에 따른 분포까지 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다.

이 기술은 지금까지 분석이 어려웠던 CIGS 박막의 조성을 인증표준물질을 이용하여 정확하게 분석하는 일종의 표준화 기술입니다.

이번 분석기술 개발은 공정 조건 변화에 따른 CIGS 박막의 조성 및 깊이분포를 분석하고 모니터링 하여 공정을 최적화함으로써 태양전지 제조에 대한 이력관리를 가능하게 해 국내 박막 태양전지 산업의 새로운 원천기술 개발을 촉진할 전망입니다.

□ 이번 기술 개발에는 ETRI 박막태양광기술연구팀의 CIGS 박막 제작 기술과 KRISS 분석화학센터의 정량 분석 기술이 매우 중요한 역할을 했습니다.

균질한 CIGS 박막을 제작하고 그 조성을 인증함으로써 대표적인 깊이분포도 분석법인 이차이온질량분석법에 의한 조성 분석 결과의 신뢰성을 확인했습니다.

앞으로 연구팀은 다성분 합금박막의 조성 및 깊이분포도 분석 절차에 대한 국제표준을 제정하고 인증표준물질을 개발해 산업체에 보급할 방침입니다.

또한 세계 표준기관이 참여하는 국제도량형위원회(BIPM) 표면분석 분야의 국제비교(KC: Key Comparision)를 주도하여 KRISS가 CIGS 박막 조성 분석 분야에서 국제사회의 선도적 위치를 지킬 계획입니다.

이차이온질량분석기를 활용해 CIGS 박막의 깊이분포 등을 측정하는 모습

 용  어  설  명

CIGS :
Cu(In,Ga)Se2 박막으로 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)이 각각 2:1:1:4의 비율로 이루어진 결정성 박막.
CIGS는 4가지 원소 화합물의 첫 스펠링을 조합한 단어로 이를 기판에 증착, 빛을 흡수하여 전기를 생산함.
유리기판 위에 전극 역할을 하는 금속막을 깔고 그 위에 CIGS 박막을 증착한 후 광흡수층·버퍼층·투명전극·반사방지막 등을 배치하고 그 위에 전면전극을 배치함으로써 CIGS 박막 태양전지가 완성됨

이차이온질량분석법 (Secondary Ion Mass Spectrometry) :
충분한 에너지를 가진 일차 이온을 고체 시료에 조사하면 시료 표면에서 입자들이 나옴. 이 중에서 이온화된 성분인 이차이온의 질량을 분석해 표면에 존재하는 원소의 종류, 상대적인 조성 및 화학 상태 등을 알아낼 수 있는 대표적인 표면분석 방법임. 이 방법을 활용해 특정 원소의 깊이에 따른 분포도를 측정할 수 있음.

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□ 미세먼지 대한 대기환경기준은 질량농도 ㎍/㎥ 단위(㎥ 당 ㎍)로 규제되고 있습니다.

현재 대기 중 미세먼지 측정 시, 미세먼지 공기역학적 직경이 10㎛ 이상인 먼지를 제거하고, 10㎛ 이하인 미세먼지를 포집하여 질량농도를 측정합니다.

이 때 필요한 것이 입경분리장치입니다.

입경분리장치의 성능은 미세먼지 농도 측정 신뢰도에 큰 영향을 미칩니다.

미세먼지(PM10)의 직경은 사람 머리카락 지름의 4분의 1 정도에 불과해 우리 눈에는 잘 보이지 않습니다.

이 미세먼지는 인체에 유해한 다양한 성분들로 구성되어 있어 인체로 유입되면 호흡기 및 심혈관계 질환을 유발하기도 합니다.

이에 우리나라는 물론 전 세계적으로 대기환경기준을 마련해 대기질을 관리하고 있습니다.

그러나 우리나라는 미세먼지 측정을 위한 입경분리장치를 그동안 주로 외산장비를 사용했으며, 성능평가 또한 외국에서 발행한 성적서로 대체해왔습니다.

□ KRISS(한국표준과학연구원) 대기환경표준센터 이상일 박사팀과 환경측정지원센터 김현호 박사팀이 대기 중 미세먼지(PM10) 측정 시 필요한 미세먼지 입경분리장치의 독자적 성능평가 시스템을 마련했습니다.

연구팀은 이를 국내 환경측정기 제작업체인 ㈜켄텍에 기술이전 해 상용화했고, 미국 환경청(EPA) 기준에 적합한 설계와  테스트도 마쳤습니다.

현재 관련 장치와 대기환경측정장비는 국내 판매는 물론 중국 등 해외로도 수출되어 연 30억 원의 판매실적을 기록하고 있습니다.

현재 우리나라에는 미세먼지 등 대기오염물질에 대한 모니터링을 위해 전국 290개 측정소가 운영 중이며, 각 측정소마다 입경분리장치가 장착된 미세먼지 측정기가 있습니다.

미세먼지 입경분리장치 성능평가 실험을 위해 등속흡입장치를 설치하는 모습


□ KRISS는 오는 2015년 시행 예정인 PM2.5 대기환경기준에 따라 공기역학적 직경이 2.5㎛ 이하의 초미세먼지를 분리해서 정확히 측정할 수 있는 기술을 개발할 계획입니다.

PM2.5는 호흡을 통해 인체에 들어가면 코나 기관지에서 걸러지지 않고 폐까지 도달해 폐 기능을 약하게 만듭니다.

폐에 도달한 PM2.5일부는 주변 모세혈관을 타고 혈액으로 침투해 심혈관계에 부담을 줘 질병을 유발하거나 관련 질환자의 사망 가능성을 높이는 것으로 알려지고 있습니다.

 

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육불화황(SF6)은 반도체, 자동차, 전기절연체, 냉매 등의 생산공정에서 주로 배출되는 온실가스로, 대기 중 농도가 이산화탄소의 1/6에 불과하지만, 지구온난화 효과는 약 2만 4000배나 더 큰 물질입니다.

한국표준과학연구원(KRISS)과 기상청이 UN 세계기상기구(WMO)로부터 교토의정서 규제대상 6개 온실가스 중 하나인 육불화황에 대한 세계표준센터로 인증받았습니다.

육불화황(SF6)에 대한 세계표준센터 인증은 우리나라가 세계 최초 입니다.

한국표준과학연구원은 기상청과 '육불화황 세계표준센터' 유치를 위해 지난 2010년부터  관련 기술을 공동으로 개발, 특허를 포함한 기반기술을 확보했습니다.

또 2007년부터는 안면도에 위치한 기상청 기후변화감시센터에서 이를 상시 관측하고 있습니다.

국가표준가스를 생산하는 한국표준과학연구원은 가장 정확한 표준가스 최상위 제조방법인 중량법으로 제조하고 있으며, BIPM(국제도량형국) 주관 국제비교시험에 참가하여 매우 우수한 결과를 획득했습니다.

이번 '육불화황 세계표준센터' 유치 승인은 세계 기후변화감시를 선도하는 관측기술 향상과 유지의 국제적인 대표기관임을 의미합니다.

세계기상기구는 교토의정서 규제대상 6개 온실가스 중 3개 물질(CO2, CH4, N2O)에 대하여 세계표준센터(미국, 스위스, 일본, 독일)를 운영하고 있습니다.

세계표준센터의 기능은 관측에 필요한 표준가스 제조 보급, 측정기술에 대한 교육, 국제비교시험 주관 등을 수행하며,  또한 육불화황 국가 표준가스와 관련기술의 수출하게 됩니다.

육불화황 세계표준센터 유치 성공으로 우리나라는 육불화황 측정분야와 분석기술에 관한 국제선도 역할을 수행하고, 아울러 표준가스 및 관련 시스템 수출 기회를 가질 것으로 기대되고 있습니다.

 용  어  설  명

세계기상기구(WMO) :
World Meteorological Organization

세계표준센터(WCC) :
World Calibration Center

교토의정서 규제대상 6개 온실가스 :
이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 염화불화탄소(CFCs), 수불화탄소(HFCs), 육불화황(SF6)


<WMO/GAW 세계표준센터 현황>

관측요소

QA/SAC

(품질보증

/과학활동센터)

CCL

(중앙표준연구실)

WCC

(세계표준센터)

RCC

(지역표준센터)

WDC

(세계자료센터)

CO2

ESRL(미국)

ESRL(미국)

JMA(일본)

ESRL(미국)

 

JMA(일본)

CH4

EMPA(스위스)

JMA(일본)

ESRL(미국)

EMPA(스위스)

JMA(일본)

 

JMA(일본)

CFCs

 

 

미지정

 

JMA(일본)

불화합물계

HCFCs, HFCs

 

 

미지정

 

JMA(일본)

SF6

 

ESRL(미국)

*2010년 유치

2011년 유치

(대한민국)

 

N2O

UBA(독일)

ESRL(미국)

IMK-IFU(독일)

 

JMA(일본)

QA/SAC : Quality Control / Science Activity Centers

※ CCL : Centeral Calibration Laboratory

※ WCC : World Calibration Centers

※ RCC : Regional Calibration Centers

※ WDC : World Data Centers

 

※ ESRL : Earth System Reseach Laboratory, NOAA

※ EMPA : Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research, Dubendorf, Switzerland

※ JMA : Japan Meteorological Agency

※ UBA : German Environmental Protection Agency, Berlin

※ IMK-IFU : Forschungszentrum Karlsruhe, Institute for Meteorology and Climate Research, Garmisch-Partenkirchen, Germany



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APG-63(v)3 기수 레이더

레이더에 정확도가 1초(1초=1/3600도)인 각도 측정기를 부착하면 최적의 조건일 경우 1000km 밖에 있는 5m 크기의 물체를 구분할 수 있고, 그 크기까지 파악할 수 있습니다.

즉, 각도 측정기의 성능이 좋을수록 날아오는 작은 미사일도 정확하게 확인할 수 있는 것입니다.

각도센서는 미사일이나 레이더와 같은 군사시설의 성능을 결정하는데 핵심 요소로, 분해능이 1초보다 작은 고성능 각도측정기의 경우 제품의 수출입뿐만 아니라 기술 공개도 엄격히 통제되고 있습니다.

F-15K 기수에 장착된 레이더

지금까지 국내의 각도 센서 제작 기술은 수십 초의 분해능을 구현하는 데 그쳤습니다.

각도 측정기는 군사용 뿐만 아니라 로봇, 공작 및 측정기계에도 필수적인 부품입니다.

각도 측정기의 신호를 바탕으로 기계의 움직임을 제어하고 조작도 가능하기 때문에 정밀한 기계나 로봇의 경우, 정밀한 측정기는 필수적입니다.

특히 수술용 로봇의 경우 마이크로미터 단위로 미세하게 움직여야 하기 때문에 초정밀의 각도 표준기를 활용한 교정이 항시 이루어져야 합니다.

회전각 센서 모듈의 세계 시장규모는 2011년 기준 약 1.3조 원(12억 달러) 규모로, 연평균 성장률은 서비스 로봇 부분이 연 20% 이상, 산업용 로봇 11%, 자동화 부분이 연 11.5%, 국방부분이 8.1%로 추정됩니다.

특히 정밀한 고속 작업을 통해 생산성 향상을 도모할 수 있는 제조, 조립 등의 산업용 로봇 분야는 회전각 센서 모듈을 더욱 고성능화 하고 있는 추세여서, 관련 분야가 더욱 고부가가치 산업으로 부각될 전망입니다.

□ KRISS(한국표준과학연구원) 길이센터 김종안 박사팀이 군사 전략물자로 분류되어 수출입이 엄격히 제한되고 있는 초고정밀 각도 표준기 개발에 성공했습니다.

연구팀은 0.005초 이하의 분해능을 가진 회전스테이지에 부착된 정밀 눈금판의 회전각을 광센서로 읽어 제어할 수 있는 각도 표준기를 제작했습니다.

12개의 센서에서 읽은 신호에 자가 교정법을 적용하면 신호의 오차를 분리할 수 있어 오차가 제거된 회전 각도를 알 수 있는 원리입니다.

이번에 개발한 각도 표준기는 현재 상업적으로 구입할 수 있는 가장 좋은 각도 센서 보다 10배 이상 정확한 각도를 측정할 수 있습니다.

정밀한 각도 센서를 제작하기 위해서는 가공, 평가, 개선과정을 거쳐야 하는데, 이번 기술개발을 통해 평가 능력을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

이런 정밀 평가능력이 확보되었기 때문에, 이 기술을 정밀한 각도 눈금 원판의 제작에 활용하면 기존의 각도 센서보다 정확한 센서를 제작할 수 있게 됐습니다.

이번 연구로 정밀한 각도 표준을 확보하였기 때문에 이를 바탕으로 고정밀의 각도 눈금 원판의 제작이 가능해졌고, 산업체가 이 정밀한 원판을 사용해 센서를 제작하면 수입이 불가능 했던 고성능 센서를 국산화할 수 있게 됩니다.

연구팀은 정밀한 각도 눈금 원판의 제작 기술을 보완하여 정밀 모터를 제작하는 업체에 기술을 이전할 예정입니다.

또한 개발한 각도 표준기를 이용해 정밀 각도 센서의 교정과 평가 서비스도 실시할 예정입니다.

개발한 각도 표준기를 활용해 각도 센서를 교정하는 김종안 박사

 

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■ 모 엔진부품 전문업체는 미국의 유명 자동차 회사로부터 오스테나이트 함량이 10% 미만인 스텐레스강을 재료로 하는 연료공급펌프 제작을 의뢰 받았지만, 결국 그 기준을 맞추지 못했습니다.

그 이유는 부품 수명에 결정적인 역할을 하는 오스테나이트가 국내 X-선 회절기로 측정했을 때는 10% 미만의 함량이었지만, 미국에서 측정한 함량은 10% 이상으로 나타났기 때문입니다.

이 예에서 보듯 높은 수준의 정확도를 요구하는 대일 또는 대미 부품소재 부문에서 국내 업계는 기술 장벽으로 인해 수출에 어려움을 겪어 왔습니다.

이는 측정에 사용되는 인증표준물질 제조 기술이 미국 등 일부 국가만 보유하고 있었기 때문입니다.

■ 금속 등 모든 물질은 사람의 지문처럼 고유의 원자배열을 갖고 있어, 이를 알아내면 물질의 종류를 정확히 파악할 수 있습니다.

이때 활용하는 장치가 X-선 회절기로, 물질의 종류를 파악하고자 할 때 우선적으로 사용하는 장비입니다.

X-선 회절기는 무엇보다 주기적인 교정을 통해 측정 정확도를 유지하는 것이 관건입니다.

하지만 지금까지 X-선 회절기의 교정을 위해 사용하는 표준물질이 없어 측정결과의 신뢰성을 보장할 수 없었습니다.

KRISS가 개발한 인증표준물질의 입자를 전자현미경으로 관찰한 모습

■ KRISS(한국표준과학연구원) 재료측정표준센터 김용일 박사팀이 사람의 지문처럼 물질의 종류를 파악하는데 필수장치인 X-선 회절기의 정확도를 높이는 기술 개발에 성공했습니다.

개발한 실리콘 인증표준물질과 김용일 박사

이번에 개발한 인증표준물질을 이용해 X-선 회절기를 교정하면 물질의 원자배열 값을 1/10000 수준까지 정밀하게 측정 할 수 있습니다.

이렇게 정밀하게 값을 측정하면 물질의 혼합물 및 화합물의 구분뿐만 아니라 결정 내부의 변형이나 결함구조분석, 촉매 개발에도 활용이 가능합니다.

이번 인증표준물질은 반도체 웨이퍼를 만드는 데 사용하는 실리콘을 이용했고, 제조한 분말의 입자는 2~10 마이크로미터 크기입니다.

연구팀은 덩어리 형태의 실리콘을 1만 분의 1mm까지 분쇄할 수 있는 '제트밀'(Jetmill)이라는 분쇄기를 활용해 이를 잘게 쪼갠 후, 다시 매스실린더를 활용한 자연낙하법으로 맨 밑바닥과 윗부분의 입자는 제거하고 난 뒤 가운데 부분의 원하는 입자만을 얻어냈습니다.

이를 통해 얻어낸 입자는 마지막으로 1000℃ 이상의 열처리 과정을 거쳐 인증표준물질로 만들어졌습니다.

매스실린더를 활용해 1g의 실리콘 입자를 얻기 위해서는 약 12시간 이상이 소요되는데, 시행착오 끝에 균일한 상태의 실리콘 입자를 얻어내는데 성공한 것입니다.

개발한 인증표준물질을 활용해 X-선 회절기를 교정하는 모습

연구팀은 이번에 개발한 인증표준물질을 내년부터 한국원자력연구원 하나로센터, 포항가속기연구소 등 연구 시험기관을 비롯해 산업체, 학교 등에 공급하고, 중국 등 아시아지역 국가에도 수출할 계획입니다.

이번 인증표준물질 개발 성공은 해마다 늘고 있는 부품소재 수출에도 긍정적으로 작용할 전망입니다.

이번 기술 개발은 앞으로 국내 부품소재 업체의 수출뿐만 아니라 신소재 개발 능력제고, 제약업계의 신약 개발 시에도 신뢰성 향상이 기대되고 있습니다.

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