철도 시스템의 한계를 극복하고 속도 향상을 위한 기술 개발이 한창이다. 특히 경량화, 고속화를 가능하게 하는 나노 융복합 기술을 철도산업에 적용하기 위한 연구가 진행 중이다. 차량, 토목 등 다양한 분야에 나노기술 적용이 가능하지만 이번 호에는 철도기술연구원 김형철 · 김상암 · 박영 연구원이 연구완료한 전기분야 3가지 경우를 소개한다. 차량에 전기를 집전하는 팬터그래프와 맞닿는 집전판의 나노기술 적용, 전기철도의 터널 및 지하 구간에 사용되는 폴리머 애자의 자기 세정 기술, 철도 선로변의 신호 제어함의 적용을 살펴보자.
철도기술연구원 첨단고속철도연구실 박영 선임연구원은 현재 철도의 최대 이슈는 "속도 향상"이라고 말했다. 박 연구원은 "시스템 엔지니어 향상만으로는 한계가 있기에 소재의 향상에 주목하게 됐으며 그 과정에서 나노기술 접목을 통한 전기철도의 경량화, 고속화가 가능함을 입증, 현재 기술개발 중이다"고 언급했다. 나노기술은 전기철도의 다양한 분야에 적용 가능하며 기술 개발 후 경우에 따라 짧게는 1~2년 만에, 길게는 10년 만에 상용화 가능하다는 설명이다. 철도 선진국은 프랑스, 독일 등 유럽 지역이다. 그러나 우리나라는 활발하게 연구개발 중인 나노기술을 활용해 철도산업과 융복합화를 추진, 핵심 부품성능 향상 및 첨단화를 통해 철도 선진국으로 진입한다는 계획이다. 철도기술연구원은 나노 융합 기술적용으로 미래 트렌드세터Trend-setter 모델 개발이라는 청사진을 그려 놓고 있다. 미래 핵심 기술인 나노기술은 다양한 산업에 접목해 부가가치를 창출하게 한다. 우리나라에서는 1990년대 중반부터 정부 주도로 나노기술 연구개발이 시작됐으며, 아직 기초 연구가 주류를 이룬다. 대기업을 중심으로 반도체, 산업용 섬유 등과 관련된 나노기술 개발이 추진되고 있고, 벤처 회사들도 다수 설립돼 나노기술의 상업화 연구를 추진 중이나 매출이나 수익성이 저조한 산업화 초기 단계에 머무르고 있는 실정이다. 연구원에 따르면 국내 나노기술 철도 적용은 이제 걸음마 단계다. 철도 시스템 나노기술 적용을 위해서는 나노 복합체 철도 차량 적용, 나노 금속 재료 철도 인터페이스 가능성 및 철도 디자인 연계 나노 종합 적용 로드맵 수행이 필요하다. 나노 복합체를 적용할 수 있는 철도 시스템 분야 및 효과는 ▲집전-에너지 효율 향상, 부품 성능 향상 ▲레일, 궤도-금속 복합 재료 강도 향상, 고강도 콘크리트 기반 기술개발 ▲표면 저항-자연 모사로 진동 및 소음 감소 ▲전면부, 추진부-저마찰 나노 복합재 고효율 ▲나노하비스트-자가 발전 신호 기능 구현 ▲차체-탄소(고분자) 나노 복합체 사용 경량화 및 강도 향상 ▲신호체계-NT 적용 다기능 센서 도입 ▲실내-공기 정화, 부품 경량화 등이다. 이로써 전자파 차폐 및 고효율 다기능 소재 적용으로 현재 철도 시스템의 한계를 극복하고 선진화를 이룰 수 있을 것이라는 전망이다(<그림 1> 참조).
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팬터그래프 집전판의 나노기술 적용 고속철도 시스템은 경부고속철도의 도입과 함께 전차선로 및 팬터그래프를 국외에서 직수입했으나 그 후 300㎞/h급 일반 구간 팬터그래프 · 전차선 동적 상호작용 해석 프로그램 및 고속철도 전차선로 및 팬터그래프 동특성 측정용 텔레메트리 시스템 기술을 자체 개발했다. 그러나 팬터그래프에 사용하는 집전판은 현재까지 수입에 의존하고 있으며, 집전기술 향상을 위한 기초 연구나 나노기술을 도입한 융합 연구는 이뤄지지 않는 실정이다. 팬터그래프 집전판 나노기술은 기존의 전기철도집전기와 전철 시스템 분야에 활용 가능하며, 기계적으로 우수한 강도를 지녀 나노 코팅 및 DLC 소재에 활용 가능하다. 우리나라는 탄소계 집전판을 전량 수입에 의존하는데 비용 절감 차원의 수입 대체 효과를 위한 원천기술 개발이 필요하다. 팬터그래프 집전판에 나노 금속 소자 적용을 위해서는 집전판에 탄소레이어를 합성하는 기술이 요구된다. 또한 나노 금속에 따른 특성 평가, 나노 파티클의 크기, 밀도, 후 열처리에 따른 특성을 분석해 팬터그래프 집전판의 평균 수명 향상 및 유지보수 비용의 절감과 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 마이크로 사이즈Micro size에서 복합화 및 혼합 동시 소결 등 나노 금속 입자가 도핑된 탄소세라믹 제조 기술 확보가 필요하며 실질적인 벌크 사이즈의 팬터그래프 집전판 제조가 필요하다. 이후 국제 규격 등에 따른 특성 평가를 거쳐 실용화 기술을 확보하고 나노-철도간 타분야 융합을 위한 카본-금속 간 결합 복합체, 코팅 원천 기술, 나노 도료, Anti-dust, Self-cleaning, 차량 경량화 나노 복합 재료, 고기능 경량 부품 및 진동 감소 원천 기술 등 다양한 융합 기술 확보가 따라주어야 한다. 철도기술연구원은 '나노기술 이용 팬터그래프 집전판 원천 기술 개발 로드맵'에 따라 2011년 '나노 기술 융합형 고효율 철도 집전 시스템 원천 기초 기술 연구'를 교육과학기술부 지원 사업으로 수행해 현재 탄소-나노 간 합성 기술을 확보했으며 향후 실용화를 위한 기술을 확보할 것으로 전망된다
미국에서는 2007년 나노기술 주도 전략(US National Nanotechnology Initiative) 계획에서 교통 및 수송 분야 나노기술 활용 사례가 우수 연구 사례로 주목받았다. 그 개략을 살펴보면, 나노기술을 활용함으로써 기존 교통산업에 이용하는 물질보다 더욱 우수한 역학적, 자기적 특성을 보유한 강력하고 신속하며 경량화된 물질을 개발할 수 있다고 한다. 예를 들어, NNI(National Nano-technology Initiative 국가 나노기술 발전 계획) 계획안에 따르면 나노 합성 자석은 현재 시중에 나와 있는 가장 우수한 자석보다 2배가량의 자기력을 보유하며, 이와 같은 자기적 물질은 전자 모터의 무게 및 하이브리드 차량, 철도 체계, 지하철의 크기를 획기적으로 감축한다. 또한 Nima Farahbakhsh가 2010년 발표한 '철도산업에 나노기술 적용의 다양성'에 따르면 나노 합성 물질을 응용할 경우 설계 단계에서 자재 경도硬度를 위시한 승객 안전 확보에 필수적인 다른 요소들을 위협하지 않고도 구성 장비의 무게를 감축할 수 있다. 차량 냉각 시스템 산업의 선두 기업인 Voith Turbo사는 최근 나노기술에 기반한 냉각 시스템 코팅 기술을 새로 개발 중이다. 나노 코팅을 통해 냉각 시스템 오염 물질 침투 가능성을 줄이고 내구성을 대폭 향상하는 등 페인트 표면의 기능을 증진하는 것이다. 나노 페인트는 더욱 질량이 작고 가벼우나 기능 및 성능 면에서는 이전 제품과 동등한 냉각 시스템을 구성하고 결과적으로는 철도 차량의 에너지 효율을 대폭 높인다.
전철용 애자, 나노 자기 세정 코팅 적용 전철용 고분자 애자는 철도의 특수 상황으로 터널내 분진에 따른 오염이 발생한다. 현재 유지 보수 인력이 수작업으로 분진을 제거하고 있으며 그 인력과 비용은 계속 증가하는 추세인데 나노기술로 개발한 표면 개선 신기술을 이용하면 유지 보수 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 현재 전철에 적용되는 터널용 애자의 문제점은 ▲애자 절연 파괴에 따른 장애 사고의 반복 발생과 원인 발견이 쉽지 않아 오랜 복구 시간 소요 ▲청소 작업에 많은 인력과 시간이 소요, 외주로 시행하는 청소 작업의 경우 많은 예산 소요 ▲터널 내 애자에 쌓이는 오염 물질은 철 성분이 90% 이상으로 건조할 때는 절연에 큰 영향이 없으나 습할 때 오염 물질의 가용 성분이 물에 용해돼 표면 누설 저항이 저하되고 많은 누설 전류가 표면에 흐름으로써 악영향을 끼친다. 소수성이란 물에 친화력을 가지지 않는 화학적 성질. 곧, 물을 흡수하지도 않고, 물에 잘 녹지도 않으며, 침전하는 성질이다. 이를 정량적 설명을 위해 접촉각(Contact angle)을 정의하는데 보통, 바닥면과 바닥면 위의 물방울이 이루는 각도로 구한다. 일반적으로 소수성 코팅으로 방수 효과 및 김서림 방지(Anti-fog), 코팅 표면을 오염시킨 먼지나 때가 비나 이슬에 씻겨 나가도록 하는 자정 효과 들을 얻을 수 있다고 알려져 있다. 이러한 효과들이 있으므로 소수성 코팅은 애자에 들러붙는 이물질과 먼지 제거효과 및 지속적인 세척 등에 적합한 기술이다.
물방울이 맺힌 연잎 표면(초소수성)의 전자현미경 사진과 물방울의 먼지 제거 효과 모식도. 애자의 소수성 코팅으로 이와 같은 효과를 노린다.
'철도 시스템과 나노기술 간 융합을 위한 선행 연구(김형철 외, 2011년)'에 따르면, 폴리머 애자의 표면 개선 코팅 제조 모델 개발을 위해 스퍼터링 방법의 나노 코팅 방식과 스핀 코팅 방법의 폴리머 코팅 방식에 관한 제조 모델을 개발했다(<그림 2> 참조). 스퍼터링 나노 코팅의 결과로 TiO2/TiN을 Cosputtering하는 제조 방식이 가장 우수한 특성을 갖는 것을 확인했다. 스핀 코팅 방법에 따른 폴리머코팅의 결과로 테프론이 평균적으로 가장 우수한 특성을 가짐을 확인했다. 테프론의 경우 폴리카보네이트의 경우에 비해 평균적으로 더 높은 소수성을 보임을 알 수 있었으며, 추가 실험으로 이를 최적화하기 위한 조건 도출이 필요하다. 향후 추가 연구를 통해 더욱 값싼 물질, 간단한 코팅 방법 개발, 최적화된 공정 연구 등도 숙제로 남아 있다.
신호 시스템 오동작 방지를 위한 나노 단열 코팅 최근 전통적이고 기본적인 에너지 절감 방법인 단열 관련 제품과 기술이 부각되고 있으며, 나노 소재 첨단 기술을 적용한 간편하면서 극대화한 단열기술이 유망 미래 기술로 떠오르고 있다(<그림 3> 참조). 철도 시스템 또한 단열과 무관하지 않으며, 주로 유리섬유(Glass wool) 등 전통적인 단열재가 적용돼 왔다. 법과 제도로 강제하지 않더라도 비용대비 효과를 고려해 보면, 전력, 선로, 신호 · 통신 등 다양한 분야에 단열재 적용은 필수적이다. 최근 급격한 기후 변화로 여름철 기온 상승 및 계절 변화 시 일교차가 증가하는 추세다. 실제로 2012년 여름 최고 기온이 40℃ 전후까지 상승하며 철도 시설물에 적잖은 영향을 미쳤다. 레일 온도가 55℃ 이상으로 올라가 궤도 선형 변화로 탈선 위험이 증가하는가 하면, 선로변 제어 유닛을 포함해 전력 · 신호 · 통신 분야 각종 기구함 내부 온도 상승으로 기기 오동작 현상이 발생하기도 했다.
이런 오동작의 직접적인 해결책은 단열 성능이 우수하면서도 내구성, 내부식성, 친환경성, 내화성 등 물리적 특성이 뛰어난 단열재를 적용해 외부 환경의 영향을 최대한 차단하는 방법이 최선책이다. 기기와 장치의 열 관련 사양을 업그레이드하는 방안도 있으나 가격과 유지 보수 비용이 상승하는 등 비용 측면에서 바람직하지 않다. 단열재는 낮은 열전도율이 가장 중요한 특성이지만, 기계적 강도, 내화성, 내구성 등의 특성도 필요하다. 전통적인 단열재 및 최신 단열재, 미래 가능한 단열재를 비교해 보면, 최신 단열재로는 에어로젤이 낮은 열전도도 및 현장 적용성, 천공에 대한 영향성 측면에서 장점이 있으며, 미래 단열재로는 VIMs, NIMs의 잠재성이 가장 높은 점수를 얻는다. 최근 VIM으로 분류되는 중공 마이크로 세라믹(Hollow micro-ceramic) 물질을 폴리머로 결합한 고성능 초박형 코팅재(페인트)가 소개돼 철도 신호기구함에 시범 적용하기도 했다. 이를 테스트해 본결과 단열 코팅재를 시공하지 않은 함체의 경우 외부 고온에 따라 함체 내부 온도가 급상승했으나 코팅재를 시공한 함체 내부 온도는 급상승하지 않고 시스템에 안전한 적정 온도를 유지했다. VIM을 포함한 이 코팅재는 2㎜당 0.01W/mK 정도의 열전도율을 갖는 고성능 단열 코팅재로, 진공유지를 위한 외부 막이 필요 없고 단지 롤러나 스프레이를 사용해 페인팅 작업만 하면 15년 이상의 내구성을 가져 고효율과 시공 편의성의 장점이 있다. 연구팀은 "현재 우리나라에는 초전도, 초절연, 초정밀 프린트 등 전기 · 전자 분야 나노 관련 기초 · 원천 · 제조 기술개발이 이뤄지고 있으나, 시장성이 가장 크고 친환경적이며 적용 분야가 넓은 단열재 분야에는 나노기술이 적용되지 못하고 있다"며 "사실상 전 세계적으로도 NIM을 포함한 미래형 단열재를 개발, 적용한 사례는 아직 보고되지 않았다"고 밝혔다.
선로변 제어함 VIM 계열 고성능 코팅재 적용 시험
철도기술연구원 연구팀은 의왕역 인근 선로변 제어 유닛함에 단열 코팅재를 시공한 후 시공하지 않은 제어 유닛함과 내외부 온도 변화 측정 등 비교 시험을 했다. 지난해 9월 7일부터 10일간 진행한 이 시험은 하루 중 기온이 가장 높은 12시부터 18시까지 실시했으며, 코팅재를 시공한 함체와 그렇지 않은 함체의 내 · 외기 온도를 30분 간격으로 측정했다. 코팅재를 시공한 함체는 외면에 코팅재를 시공한 경우와 내면에 시공한 경우 두 가지를 비교했다. 시험 결과 단열 코팅재를 시공한 경우, 특히 외면에 시공한 경우 함체 내부의 온도 변화가 더욱 적음을 알 수 있었다.
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