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[트렌드 리포트]한수원, 산학연 통합 사업화 유망기술 설명회 개최
2019년 10월 1일 (화) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2019년 10월호 - 전체 보기 )

한수원, 산학연 통합 사업화 유망기술 설명회 개최
중소기업에 지원사업 및 보유기술이전 상담도 시행

9월 24일 경주 화백컨벤션센터에서는 ‘2019 산학연 통합 사업화 유망기술 설명회’가 한국수력원자력㈜의 주관으로 열렸다. 이 행사에는 한국원자력연구원과 기술보증기금, 한국원자력산업회의, 한국과학기술원, 경희대학교, 동국대학교, 울산대학 교, 한동대학교, 울산과학기술원, 위덕대학교 등이 공동 주최자로 참여했다. 올해로 4회째 개최한 설명회는 여러 대학과 연 구기관 등이 보유한 각종 기술을 중소기업에 소개하는 자리이며, 관심 있는 기업들이 기술이전을 받을 수 있도록 지원한 다. 이날 행사에는 정재훈 한수원 사장과 이영석 경주부시장, 임채영 한국원자력연구원 본부장을 비롯한 100여개의 중소 기업들이 참석했다. 이날 발표된 82가지 기술 가운데 최근 트렌드를 짐작할 만한 기술 몇 가지를 선정해 소개한다.

정리 강창대 기자

고압케이블 부분방전 원인 및 위치추정 기술
이 기술은 한국수력원자력㈜에서 개발한 것으로, 부 분방전 신호에 대해 반사파 해석을 기반으로 대략적인 결함위치를 추정하는 기술이다. 부분방전 펄스의 입력 시차를 분석하면 정확한 결함위치를 확인할 수 있다. 통계해석(상호상관계수, Cross Correlation), 최대방전량, 치우침(Sk: Skewness), 첨도(Ku: Kurtosis) 측정 등을 기반으로 부분방전패턴을 분석하여 표면방전 또 는 내부방전 등 부분방전 형태를 판정한다.

이 기술은 결함 위치 및 원인을 판별함으로서 케이블 교체 없이 복구를 가능하게 하거나, 최소구간만을 제 거 후 스플라이싱(Splicing)이 가능하다. 케이블 전체 를 교체할 필요가 없기 때문에 복구공정을 매우 단축 시켜 계획예방정비기간 지연 등을 예방할 수 있다.

이미 상용화된 초저주파 부분방전 진단 장비는 케이 블에 부분방전 발생 여부와 대략적인 결함위치 확인에 국한된 기능을 제공한다. 이 기술은 초처주파 부분방 전 패턴 분석을 통해 고압케이블 부분방전 원인을 판 정하며, 이에 따라 단순 접속재 키트 제거와 재시공, 결함 제거 후 스프라이싱 등 정비방안을 사전에 결정 하여 효과적인 정비를 수행할 수 있다. 이 기술은 발전 소, 플랜트, 한전 전력망에 설치된 5㎸ ~ 23㎸의 모든 전력케이블에 적용 가능하다.
한국수력원자력㈜이 개발한 부분방전 특성 분석시스템


효율이 향상된 태양전지
이번 발표에서 경희대학교 응용과학대학 응용물리학 과는 태양전지의 효율 향상과 관련해 두 가지 기술을 선보였다. 하나는 김선경 교수가 개발한 ‘나노와이어 어레이를 포함하는 태양 전지’ 기술이고, 또 하나는 최 석호 교수의 ‘그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조 의 태양전지’ 기술이다.

김선경 교수가 개발한 이 기술은 나노 와이어 어레이 를 포함하고, 나노와이어가 직접 맞닿는 하부 전극, 또 는 상부 전극과 동일한 극성을 갖는 태양전지를 제조 할 수 있다. 이에 따라 표면저항이 감소되어 전류의 확 산을 향상시켜 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.

기존의 태양전지 기술은 화학기상증착법(CVD)으로 반사 방지막을 형성하는 경우에 패턴 형성이 어렵고 식각 공정에 의해 물질이 감소하여 효율이 저하되는 문제가 있다. 그리고 기체고체액체법(VLS)으로 나노 와이어를 제조하는 경우에는 저가형 기판에 다결정 실리콘 박막을 형성 하는데 어려움이 있다. 그러나 이 기술은 성장 기판 상에 나노와이어를 포함하는 나노 와이어 어레이를 성장시킨 다음, 벌크층 상에 전이시 켜서 태양전지의 제조비용을 감소시키면서 효율을 향 상시키는 효과가 있다. 그리고 나노와이어 어레이를 태 양 전지의 무반사층 및 전극으로 사용함으로써 태양 전지의 광흡수율을 향상 시킬 수 있다.

아래 그림과 같이 태양전지의 나노와이어 어레이가 다 층으로 형성되고, 각 층의 나노와이어 공간밀도나 크 기, 물질을 조절하면 상부로 갈수록 굴절률이 점진적 으로 감소하여 반사율이 최소가 되는 점진적 인덱스 효과가 향상된다. 따라서 넓은 파장 범위에서 표면 반 사를 0에 가깝게 줄일 수 있는 효과가 있다.
나노와이어 어레이를 포함하는 태양전지


전기자동차 모터용 냉각모듈 
최근 전기 자동차의 성능이 괄목할 정도로 향상되고 있다. 고속충전과 장거리 주행이 가능해지고 있으며, 높은 출력을 발휘함으로써 내연기관 자동차를 대체해 나가고 있다. 그러나 이러한 성능의 향상과 함께 전기 자동차는 극한 조건의 운행을 견뎌야 한다. 따라서 모 터의 냉각성능이 전기자동차의 진보에 중요해질 수밖 에 없다. 특히, 전기자동차의 동력원인 모터는 급가속 이나 긴 오르막 등에서 급속한 발열이 일어날 수 있어 이를 충분히 냉각해주어야 한다. 현재까지 전기 자동 차의 냉각은 수냉식 냉각장치와 더불어 오일을 이용해 추가로 냉각시키는 방법이 사용되고 있다. 

동국대학교 산학협력단에서 개발한 ‘전기자동차 모터 용 냉각모듈’은 비교적 단순한 구조로 효율적으로 전 기모터를 냉각시킬 수 있는 기술이다. 이 냉각모듈은 공냉과 수냉을 동시에 적용하고 컴팩트한 구조로 개발 됐다. 워터자켓 주변으로 권취된 냉각코일로 냉각하는 동시에, 로터 내부로는 공기를 주입해 냉각하는 수냉 및 공냉의 혼합방식으로 냉각하는 기술이다. 

냉각모듈은 내주면을 따라 스테이터가 부착되며, 내측 으로 로터가 수용되도록 원통형으로 형성된 워터자켓 이 있다. 그리고 내부로 물이 흐르는 냉각코일이 워터 자켓의 외주면을 따라 권취되고, 냉각코일을 감싸는 케이스가 있다. 케이스의 전방을 마감하는 프론트 커 버는 로터로 공기를 주입시키고, 케이스의 후방을 마 감하는 리어 커버는 로터에 주입된 공기를 배출한다. 모터의 중심부에 배치되는 구조체로서 회전체의 역할 을 담당하는 로터는 워터자켓 내부에 구비된 스테이터 와의 상호작용하며 회전하며, 로터의 양측에는 샤프 트가 각각 돌출되고, 샤프트는 프론트 혹은 리어 커버 의 외측으로 노출되어 차량의 구동계와 연결되는 구조 를 갖는다.
전기자동차 냉각용 모듈의 구조 


고성능 3D 프린팅 열전 소재용 잉크 및 열전소재
울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 손재성 교수 는 우수한 열전효과를 갖는 새로운 열전 물질과 더불 어, 이 물질을 이용해 곡면으로도 소자의 제작이 가능 한 열전 소재용 잉크를 개발했다. 이 열전 소재 잉크를 사용해 3D 프린팅 기법으로 열전소재를 제조할 수 있다. 열전효과는 열에너지를 전기에너지로, 혹은 전기에너 지를 열에너지로 바꾸는 현상이다. 열전효과를 이용 하면 지열이나 태양열, 체열처럼 버려지는 열을 이용 해 전기를 생산할 수 있는데, 이를 열전발전기라고 부 른다. 열전발전기는 열원에 직접 부착돼 구동하며 현 재 소형 냉각장치와 자동차 엔진, 선박 등에서 나오는 폐열로 발전하는 기술이 널리 쓰인다. 

그런데 기존 직육면체 소재로 만든 ‘평판형 열전발전 기 ’는 열에너지 회수에 한계가 있다. 열원 표면은 대부 분 평평하지 않아 평판형 열전발전기가 제대로 접촉하 지 못하기 때문이다. 이때 생기는 열손실은 발전기 출력에 매우 치명적이다.

이 문제를 해결하기 위해 손재성 교수팀은 3D 프린터 를 이용해 열전소재의 형상을 열원 모양과 크기에 꼭 맞게 제작하고 이로부터 열원 일체형 열전 발전기를 개발했다. 잉크를 이용해 입체적인 물체를 만드는 3D 프린팅 공정을 이용하면 소재 형상을 자유롭게 바꿀 수 있다는 점에 착안한 것이다. 그 결과 열전발전기는 열원과 하나처럼 붙었고 열손실도 최소화할 수 있었 다. 특히 이번에 개발한 열전 잉크는 끈적거리는 ‘점탄 성’을 가지면서도 프린팅했을 때 전기적 특성을 유지해 주목받았다. 그 비결은 유기물 없이 무기물만으로 열 전 잉크를 만든 데 있다. 본 기술은 폐열발전기, 리모 트 파워발전과 같은 발전기, 자동차 시트, 냉장고나 온 수기와 같은 생활제품 등에 적용 가능할 것으로 전망 된다.
열전 소자를 파이프 형태의 열원에 형성하는 방법


안정성과 성능이 강화된 회전자계형 유도전자펌프
종래에 유체를 이송하는 데 사용되는 기계식 펌프는 유체와 직접적으로 접촉하는 프로펠러를 회전시키는 방법을 사용했다. 이러한 방법은 효율은 높지만 유체와 직접 접촉하므로 프로펠러에서 진동과 소음이 많이 발 생하고, 특히 액체금속과 같이 높은 반응성을 가지는 물질을 이송하는 경우 액체금속의 밀폐, 프로펠러의 부식 등 근본적으로 안전성 문제가 발생할 수 있다.
울산과학기술원(UNIST) 기계항공 및 원자력공학부 김희령 교수가 개발한 액체금속의 이동이 가능한 고 효율 펌프는 회전자계형 유도전자펌프다. 이 기술은 완전한 원형의 형태가 아닌 일부 가 변형된 고정자와 회전자 및 3상 교류 전류를 이용하여 회전 자계를 형 성했다. 그리고 또, 구조적으로 유로의 입구와 출구를 같은 방향으로 설계하여 순환 배관 설비를 소형화했 다. 진동 및 소음 문제가 적고, 구조의 단순성 및 액체 금속과의 비접촉성 등에 의해 유지보수에도 유리하며 소형 실험시설 구축이나 산업용 액체금속 이송에 활 용할 수 있다.

유로관은 환형의 내부가 비어 있는 형상으로 전도성 유체가 흐르게 되며, 유체 입구와 출구를 같은 방향으 로 구현할 경우 순환 배관 설비를 소형화할 수 있다. 그리고 복수의 전자석 코일은 각각 삼상 전원(U상, V 상, W상)에 연결되고 120도의 위상 차이로 결선하면 반시계 방향으로 회전 자계가 형성된다. 이 기술은 원 자력발전소, 인공위성, 산업체에 있어서 고속증식로 펌프나 냉각제 펌프 그리고 용융금속 수송 제품에 적 용 가능할 것으로 보인다.
유도전자펌프 유로관의 사시도 및 측면도(위) 전자석 코일에 연결되는 삼상 전원 결선 방법(아래)
 

<Energy News>

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태그 : 한국수력원자력 산학연 사업화 유망기술
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