- 도시형 풍력발전, 초전도 전기추진 선박, 마그네틱 약물전달 시스템, 전자기 발사장치, 지능형 에너지 섬유 등
- 기존 산업의 첨단화 및 新부가가치 창출 이끌 '융합'기술 전망 - 260명 전문가 참여...환경/에너지, 수송, 국방, 의료, 생활 분야 등 5개 산업군 11개 기술 선정
2차 오염이 없는 초전도 방식을 이용한 환경 처리 기술, 대기 오염이 없는 친환경 수송기술, 고해상의 초정밀 의료진단기기, 초고압/대전류 기술을 적용한 초고속 공격용 및 방어용 무기, 현명한 전력소비를 가능케 하는 전력 정보 실시간 교환기술...
친환경화, 고자장화, 고전계화, 지능화, 초정밀화, 초소형화로 진화하는 전기기술을 기존 산업에 '융합'시키면 어떤 새로운 부가가치가 창출될까?
전기분야 정부출연연구기관인 한국전기연구원(KERI·원장 유태환 www.keri.re.kr)은 4월 과학의 달을 맞아 기존의 전통적인 산업과 전기기술의 상승적인 결합을 통해 기존 산업에 비해 부가가치가 높고 신산업 창출의 기회를 제공할 것으로 예측되는 기술들을 대상으로 기술성(파급성, 실현가능성) 시장성(시장규모, 시장 성장성), 공공성(사회편익성, 국가전략성) 기술공급성(기술경쟁 정도, 기술선점 가능성) 등을 바탕으로 한 '미래 유망 전기융합기술 11선'을 선정 발표했다.
KERI 연구팀이 제시한 미래 유망 전기융합기술 11선은 △초고자장 수처리 △소형 핵전지 △도시형 풍력발전 △전기차 무선충전시스템 △초전도 전기추진 선박 △마그네틱 약물전달시스템 △테라헤르츠파 진단 장치 △비살상 전자파 무기 △전자기 발사장치 △소비자 전력정보시스템 △지능형 에너지 섬유 등이다. <하단 기술 설명 참조>
한국전기연구원 미래전략실 연구팀은 우선 전기융합기술이 구현할 수 있는 미래사회로서 (1)에너지/환경 전기융합기술을 이용한 자연과 함께하는 미래사회 (2)수송 전기융합기술을 이용한 편리한 미래사회 (3)의료 전기융합기술을 이용한 건강한 미래사회 (4)국방/우주 전기융합기술을 이용한 안전한 미래사회 (5)생활 전기융합기술을 이용한 풍요로운 미래사회를 설정하고 미래기술전략지도 2025(METI), 과학기술미래비전, 국가녹색기술 연구개발 계획안 등 우리나라와 일본 등이 발표한 유망 기술군을 분석한 184개 기술을 1차 모집단으로 삼아 이후 선별된 기술간 수준을 조정하는 단계를 거쳤으며 분야별 전문가의 표적집단면접법(FGI)을 이용해 72개의 최종 대표 전기융합 기술 선정하였다. 이후 1,2차에 걸쳐 5개 분야별 총 260명의 내외부 전문가 델파이 조사를 실시, 11개 장단기 유망기술을 최종 도출했다.
이번 선정작업을 총괄한 KERI 이홍식 미래전략실장은 "전통적인 전기산업은 전기에너지를 생산하여 수요자에게 공급하는데 소요되는 기기 즉 전기기기산업에 한정됐지만, 향후 전기기술은 친환경화, 고자장화, 고전계화, 지능화, 초소형화, 초정밀화 등의 기술 트랜드 변화에 따라 그 응용범위가 전 산업 분야에 걸쳐 광범위 하게 확대 적용될 것"이라고 전망하고 전기 분야 정부출연연구기관으로서 향후 국가 과학기술 미래 비전 실현과 국가경쟁력 강화를 위해 국가주도적으로 추진해야 할 전기기술 연구분야의 방향성을 제시했다는데 그 의미가 있다"고 설명했다.
KERI는 이번에 도출된 유망기술을 관련 연구기관의 중장기 발전계획 및 미래비전 수립에 활용하는 한편, 정부 주도형 R&D 정책수립과 업계 발전방향 수립 등에 적극 제안하는 등 관련 국가경쟁력 강화를 위한 기술개발 방향성 정립에 기여할 방침이다.
□ 미래유망 융합 전기기술 11선
<기술 설명>
1. 초고자장 수처리 기술
-강력한 자기장을 이용하여 오폐수의 미립자의 초고속 처리 하거나 원료의 고순도 정제 등을 실현하는 기술이다. 작은 설치 면적, 적은 에너지 사용이 특징이며 약한 자기장에서는 철과 같은 강자성체만 거를 수 있지만, 자기장이 강력해지면 강자성체는 물론 상자성체까지 걸러낼 수 있다. 원소를 기준으로 말하면 자연계에 존재하는 원소 중 3분의 1 정도를 걸러낼 수 있다.
-국내에서는 한국전기연구원에서 최초로 초전도 자기분리 기술 연구를 하고 있으며 한국전기연구원과 산업과학기술연구원 공동으로 포스코의 열연 냉각수 정수를 위한 초전도 자기분리 기초 연구를 수행한 바 있다. 현재 제지 페수의 재활용도를 높이기 위한 목적으로 1일 80 톤급의 초전도 자기분리 장치의 개발이 한국전기연구원 주도로 수행중이다.
-제지공장의 폐수를 초전도 자기분리에 의해 정수하여 재활용한다면 연간 130억톤의 물 소비를 줄일 수 있어, 제지공업의 자원 이용효율을 크게 향상시킴과 아울러 수자원 절약에 크게 이바지할 것으로 예상된다.
2. 소형 핵전지 기술
-방사성 동위원소에서 방출되는 방사선의 에너지로 전기를 생산하는 기술이다. 동위원소에서 방출되는 방사선 에너지를 사용한다는 점에서는 동일하지만, 전기로 바꾸는 방법에 따라 열전형, 태양전지형 등으로 나눌 수 있다.
-산출되는 전기는 저전력이지만 수명이 수십년 정도 되므로, 전원 공급이나 배터리 교체가 곤란한 고립지의 센서나 인공 장기의 구동 등에 이용할 수 있다.
-열전형 핵전지는 미국 나사(NASA)에서 개발하여 우주선에 사용되고 있다. 특히 태양에서 멀리 가는 보이저류의 우주선의 경우, 처음의 주전원은 태양전지이지만 태양에서 멀어질수록 태양광 발전이 어려워지기 때문에 핵전지를 탑재한다. 태양전지형의 경우 미국의 몇몇 회사를 중심으로 상용화하기 위한 연구 개발을 하고 있다.
-향후 인공 심장용 전원으로 핵전지를 사용하게 되면 전지 교체를 위해 몇 년에 한 번씩 재수술을 할 필요가 없어지며 지중 케이블, 해저 케이블, 배관 등에 부착되는 센서를 위해 별도의 전원선을 설치하지 않아도 된다.
3. 도시형 풍동식 소형 풍력발전 기술(날개없는 풍력발전)
-기본적으로는 큰 날개(블레이드) 대신 풍동(wind tunnel, 風洞 : 빠르고 센 기류를 일으키는 장치) 속에 터빈을 두어 바람의 힘으로 회전시키는 방식이다.
-풍력의 경우 바람이 많은 곳에 대형 풍력 발전기를 설치하는 것이 보통이나 한 걸음 나아가서 도시에 항상 불고 있는 상대적으로 약한 바람을 이용하여 발전을 하는 것이 도시형 소형 발전이다. 터빈을 이용하여 날개 없고 조용한 소형 풍력 발전기를 만들 수 있으면 건물 옥상 등 도시 곳곳에서 발전을 할 수 있게 된다.
-이 기술의 가장 큰 가치는 분산전원으로서의 가치로서 전력을 사용하는 바로 근처에서 발전을 하여 장거리 송전을 거치지 않고 전력을 공급받는 것이므로, 송전 손실이 적다. 특히 태양광 발전과 함께 설치하면 바람은 보통 태양이 잘 비치지 않는 날에 강하므로 상호 보완적이며 더 큰 효과를 얻을 수 있다.
4. 전기차 무선충전시스템(자계공진방식)
-수미터 이내의 단거리에서 강한 자계 결합(magnetic coupling) 과 수백 이상의 선택도를 갖는 자기 공진기의 공진을 이용하여 전기 에너지를 무선으로 전기자동차에 전력을 효율적으로 안전하게 공급할 수 있는 방식이다.
-자계 공진 방식 기반의 무선충전 기술과 EV 기술의 융합으로 EV 전력 공급의 편의성과 안전성을 매우 높일 수 있으며 자기장이 주성분인 전자기파를 이용하여 인체에 영향을 주지 않고 에너지를 전송할 수 있다. 특히 저손실 소재 및 공진형 중계 방식을 이용할 경우 공간의 제약 없이 에너지원으로부터 근거리(수 m 내외)에 위치에 있는 부하에 높은 전달 효율로 에너지 전달 가능하여 기존의 근거리 무선전력전송의 에너지 전달 신뢰성, 효율, 다중 기기 충전 문제를 해결할 수 있는 기술이다.
-현재 한국전기연구원을 포함하여 여러 기관에서 자계 공진 방식에 대한 연구를 수행중이며, 특히, 한국전기연구원 및 (주)그린파워에서는 수백와트에서 수십 kW급 무선전력전송 시스템 개발 추진 중이다.
-EV 기술에 무선전력전송 충전 기술이 접목될 경우, EV 뿐만 아니라 모든 전기 구동체에 적용이 가능하며 무선 에너지 전송은 이동성이 중요한 모바일 기기, 가정용 로봇 및 가정용 전자기기의 전원공급, 전기로 움직이는 EV와 같은 운송수단의 충전 분야 등을 포함해 산업 전 분야에 걸쳐 무선통신/인터넷에 버금가는 경제적인 효과와 파급효과를 가질 것으로 기대된다.
5. 초전도 전기추진 선박
-선박추진용 추진체는 일반상선의 경우 주로 저속 디젤기관을 사용하고 특수목적선(LNG선박, Drill Ship, 시추선)의 경우 주로 증기터빈을 사용하고 있는데 90년대 후반부터 선박추진이 전전기 추진방식(All-Electric Propulsion System)으로 기술 패러다임이 옮겨가고 있다. 전전기 추진 방식으로는 초전도 모터를 사용하는 전기모터 스크류 추진과 바닷물의 도전성을 이용하는 전자유체력(MHD, Magneto-hydro dynamics) 워터젯 추진방식이 있으며, 초전도 전기추진 시스템을 갖추면 제어성이 뛰어나며 동력부가 간편해져 선박디자인이 자유로워진다.
-현재 국외 선박추진용 초전도모터는 미국의 AMSC사에서 미해군의 요청으로 36.5 MW급 고온초전도 모터를 개발하여 납품하였고 현재 부하시험평가까지 완료했으며, 독일 Siemens사는 4MW급을 개발 완료한 바 있다. 국내인 경우 21C 프런티어사업으로 2004년 75kW급 시험기 개발 완료 이후 2007년 산업용 1MW급 고온초전도모터를 성공적으로 개발했으며, 현재 5MW급 선박추진용 고온초전도모터 개발을 수행하여 한국전기연구원과 두산중공업이 공동으로 2011년 중반에 성능시험 수행 예정이다.
-선박추진체인 저속 디젤기관은 환경오염 문제가 심각하여 전 세계적으로 연안부두 허용이 제한되는 나라가 늘고 있고, 증기터빈 추진체인 경우 기계적인 효율이 낮아 경제성이 떨어지므로 보급에 어려움이 있는 가운데, 선박용 전전기추진체 보급이 2000년대 들어 지속적으로 성장하고 있다. 현재 4～6MW급 선박추진 모터가 시장의 주력을 형성하고 있으며 2010년 기준으로 국내조선사의 특수선인 경우 연 3000억원 규모의 전기모터 시장을 형성하고 있다.
6. 자기유도 약물전달시스템(Magnetic Drug Delivery System)
-자성입자에 생체적 합성 고분자 혹은 금속을 입히고 입자 표면에 비경구 약물을 처리하여(흡착시켜) 사용하는 것으로 자기장을 이용하여 약물이 흡착된 입자를 원하는 조직이나 병변으로 전달되도록 유도하는 시스템이다. 약물의 불필요한 분포를 억제하여 부작용을 최소화할 수 있어 약물전달시스템의 궁극적 목표에 적합한 기술이다.
-뛰어난 표적지향성을 지니고 있으며, 약물의 불필요한 분포를 억제하기 때문에 항암제와 같이 인체의 타 부위에 대한 부작용이 심한 경우, 부작용을 줄일 수 있다. 아울러 약물전달용은 물론 자성물질의 디자인에 따라 MRI 조영제로도 활용이 가능하며, 약물의 방출량을 조절해 주는 약물전달 마이크로칩과 더불어 새로운 DDS 방향을 제시하는 기술이다.
-현재 국내에선 KIST와 KAIST가 약물용 나노입자 연구 중이며, 연세대는 "표적지향적 자성나노 약물전달캡슐"연구를 통해 기존의 1/15의 용량만 투여해서 동일효과를 얻은 바 있다. 해외에선 미국 MIT가 자기장을 이용한 약물전달 연구함과 동시에 전자기펄스에 의한 표적치료까지 연구하는 등 독일, 일본 등에서 활발히 연구중이다.
-DDS는 현재 연간 5000억달러가 넘는 큰 시장으로 자기유도 DDS는 자기장(magnetic field)을 정교하게 설계해야하는 문제 때문에 전기기술에 대한 의존도가 크다. R&D영역에서 여러 가지 방식이 경쟁하고 있으나, 자기유도 DDS는 다른 어떠한 방식보다도 약물을 표적부위에 가장 정확히 전달할 수 있는 생체친화적 방식이다.
7. T-Ray 진단 기술((테라헤르츠파 진단)
-테라헤르츠파는 전파와 광파의 중간 대역에 위치하는 미개척 주파수 대역으로서, 전파의 투과성과 광파의 직진성을 모두 가지고 있어 혁신적인 영상 구현이 가능하다. 또한 파장이 마이크로미터(um) 대역이어서 고해상도 영상 구현이 가능한 동시에 엑스레이(X-Ray) 에너지의 백만분의 일 수준으로 생체 친화형 고해상도 영상 구현이 가능하다.
-T-Ray 진단은 생체물질에 대한 새로운 정보 확보가 가능하며 저선량, 고해상으로 100년 역사의 엑스레이를 보완할 수 있는 기술이다. 엑스레이의 백만분의 1 수준이라서 영상촬영시 피폭량 최소화하고 생체조직 내에서의 산란이 적어 고해상 가능하다.
- 국내에서는 한국전기연구원이 가장 활발하게 연구를 하고 있으며, 포항공대 및 ETRI도 연구 중이나 의료분야 적용은 아직 탐색중인 상황이다. 일본의 경우 국가중점미래기술, 미국의 경우 MIT 미래유망기술로 선정되어 기초연구가 계속되고 있으나 의료영상 부분은 역시 아직 기초단계이다.
-의료영상진단에 있어 저선량 영상기기에 대한 시장의 기대는 크다. 고해상 의료영상에 필수적인 요소는 고에너지 발생원인데 이는 고전계 고자장을 만들어 내는 첨단 전기기술의 기반이 있어야 가능하다. 테라헤르츠파 발생을 위해서는 고에너지 전기기술이 사용되지만 영상용으로 발생된 테라헤르츠파는 선량이 엑스레이의 백만분의 일 수준이어서 암진단 등에 많이 활용될 것으로 기대된다.
8. 비살상 전자파 무기
-강력한 전자파를 발사하여 전자 장비의 중지 또는 오작동을 유발하거나 사람의 특정 신체 부위에 충격을 주어 전투력을 잃게 만드는 기술이다. 강력한 전자파로 적의 장비나 병력을 무력화시킴으로써 인명 살상을 하지 않고도 적을 제압할 수 있다. 이를 가능케 하려면 펄스 전원을 통해 발생된 전기 에너지를 고출력 전자파로 변환하여 안테나를 통해 표적까지 정확하고 효율적으로 보내야 한다.
-미국은 현재 주둔지 통제, 테러리스트 제압, 시가전 등을 목적으로 다양한 비살상 무기 개발을 하고 있다. 그 중에서도 적에게 극심한 고통을 주어 무력화시키는 방법인 능동거부시시템의 개발을 완료했다.
-전자파 발진, 펄스 전원, 안테나 기술은 국방뿐만이 아니라 많은 민간 영역에서도 활용 가능한 기술이다.
9. 전자기 발사장치(레일건)
-레일건은 전자기력을 이용하여 작은 발사체를 엄청난 속도로 가속하여 목표물을 직접 타격하는 무기이다. (코일건은 미사일이나 우주선용 로켓 등 큰 물체를 전자기의 힘으로 가속하는 장치이다.)
-레일건의 발사체는 아주 작은 크기에 자체 추진력도 없지만, 엄청나게 빠른 속도로 날아가기 때문에 항공기의 철판 정도는 쉽게 뚫어버린다. 출력을 키우고 정밀도를 높인다면 인공위성을 타격할 수도 있다. (코일건은 큰 물체를 발사하기 위한 장치이다. 우주선용 로켓의 경우 발사할 때 발생하는 고온 고압의 분사 가스 때문에 발사대가 손상을 입는데, 코일건으로 발사한 후 점화가 되도록 하면 이런 손상이 생기지 않는다.
-비행기에서 미사일을 발사할 때 미사일은 낙하하다가 점화하는데, 그 이유는 분사가스에 의해 비행기가 타격을 입는 것을 방지하기 위한 것이다. 코일건을 사용하면 훨씬 빠른 속도로 미사일을 발사할 수 있게 된다. 군함의 경우에도 코일건을 사용하면 어떤 각도로든 빠른 속도로 발사할 수 있게 된다.)
-미 해군은 이 가공할 위력을 가진 레일건을 차세대 신형 구축함 (DDX)에 탑재하기 위한 연구 개발을 하고 있다. 다른 나라에서도 다양한 연구가 진행되고 있다.
10. 소비자 전력정보시스템
-최종소비자와 전력사업자 간 양방향 통신을 가능하게 하는 전력서비스 정보화 인프라로서 스마트 그리드 운용에 필수적인 스마트미터 기반의 핵심 기술이다.
-전력생산과 소비의 합리화, 효율화를 촉진하고 소비자의 선택권을 확대하는 효과를 가진다. 전기품질 및 신뢰도 향상 및 재생 에너지원과 에너지 저장장치와 같은 분산 에너지 자원 관리에도 큰 기여를 하게 된다.
-소비자의 입장에선 자신의 에너지 소비량을 실시간으로 확인하고 제어할 수 있게 되면서 에너지 효율화를 높일 수 있으며, 전력사업자는 소비자와 양방향 통신기능을 통해 고객의 에너지 다소비 기기를 모니터하고 디지털 계량기와 기기에 부착된 에너지 관리 시스템을 통해 최종 에너지 소비를 관리할 수 있다.
11. 지능형 에너지 섬유
-섬유에 디지털 센서, 초소형 컴퓨터칩 등이 들어 있어 의복 자체가 외부 자극을 감지하고 반응할 수 있다. 또한 직물에 에너지 발전(열전, 태양광 ,풍력) 기능이 있어 모은 태양 에너지로 전자부품에 전기에너지를 공급하고 심장박동과 발자국과 같은 아주 일상적인 움직임과 문지름만으로도 에너지가 생성되는 에너지 자가 생성 기능을 포함하는 미래형 의류기술이다
-지능형 에너지 의복 기술이 구현되기 위한 주요 섬유기술은 광섬유(optical fiber)와 전도성 섬유(conductive fiber)이며, 신호처리 및 전기에너지 전달 기능이 가능해 진다. 태양열 집열판이 아닌 특수 제작된 광섬유가 태양에너지를 발전하는 기능을 가지며 태양열을 이용하지 못할 경우에는 일상적인 움직임을 통해 에너지가 생성되는 '나노발전기능'이 지능형 에너지 의류 기술의 주요 특징이다
-현재 세계 시장에서는 섬유에 기반한 센서를 개발해 제품을 상용화하는 수준이며 국내에서는 아직까지 단순히 IT기기를 섬유에 부착하는 정도의 수준에 그치고 있었으나 최근 국내에서도 관련 연구가 출연연 연구소, 대학, 산업체를 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 웨어러블(Wearable) 시스템 시장은 단기적으로는 2012년 15억 2천만 달러로 연평균 17%의 높은 성장률을 보일 것으로 전망된다. 지능형 에너지 섬유 시장은 신소재산업, 센서 산업등 기술집약 산업의 활성화는 물론 기존 전통 산업에 IT기술과 전기발전기술을 접목함으로써 섬유, 의류 산업의 활성화에 큰 역할을 할 것으로 전망된다
-섬유에 태양광 발전 기능을 포함하여 실시간으로 전기에너지를 공급할 수 있다. 예를 들어 태양광 에너지 발전 노트북 가방을 통해 충전을 가능하게 하며 또는 태양전지 넥타이, 자켓등 의복을 통해 생산된 에너지를 휴대폰등 전자부품에 전기 에너지를 제공한다. 이와 같이 의복에 에너지 발전 기술을 IT기술 및 의류산업에 적용함으로써 부가가치를 높이는 미래가치를 창출한다.
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