우수성과 100선은 국가 발전을 견인해 온 과학기술의 역할에 대해 국민의 이해와 관심을 제고하고 과학기술인들의 자긍심을 고취하기 위해 지난 2006년부터 매년 진행돼 온 제도다.
특히 KERI 이차전지연구단 하윤철 박사팀의 '불 타지 않는 전고체 이차전지용 황화물계 고체전해질 저비용 대량생산 기술'은 기계·소재 분야 최우수 성과로 선정됐다.
올해 최우수는 100개 성과 중에서도 12개만 선정된 '별 중의 별'로 지난해 연구원의 '미래 모빌리티 배터리 및 전장부품용 금속/그래핀 복합전극' 기술에 이은 2년 연속 최우수 성과 배출이다.
전고체 이차전지는 양(+)극과 음(-)극 사이에서 이온을 전달하는 '전해질'을 액체가 아닌 화재나 폭발 위험성이 낮은 고체로 대체한 것으로 안전성이 높아 온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 장치나 분리막이 따로 필요하지 않아 전지의 고용량화/소형화/형태 다변화 등이 가능하다.
하지만 고체전해질은 액체전해질 가격의 100배에 이르고 있어 전고체 이차전지의 조기 상용화에 걸림돌이 되고 있다.
고체전해질의 제조 비용은 낮추면서도 품질까지 보장하는 고난도의 미션을 해결한 하 박사팀의 핵심 기술은 '용액형'과 '공침형', '습식밀링형' 방식이다.
용액형은 최적 합성을 가능하게 하는 첨가제를 통해 낮은 순도의 저렴한 원료(출발물질)로도 성능이 뛰어난 고체전해질을 대량생산할 수 있는 '특수 습식합성법' 기술이다.
공침법은 고가의 황화리튬 사용 없이 간단한 용액 합성(One-pot) 과정만으로 고체전해질을 저가로 대량생산하는 세계 최초의 성과며 습식밀링형은 200℃ 이하 저온에서 양질의 고체전해질을 손상 없이 제조해 극판과 멤브레인에 최적 적용하는 기술이다.
이 기술들은 각각 국내 다수 전문 기업체들에 기술이전(총 15억 이상)돼 고체전해질의 양산화가 준비되고 있다.
하윤철 박사는 "전기차의 성능 한계와 화재 이슈를 해결할 전고체 이차전지 상용화의 핵심이 바로 고체전해질 저가격화"라며 "연구원의 성과가 관련 산업 발전은 물론 '이차전지 분야 세계 1위 대한민국' 위상 공고화에 큰 역할을 할 것"이라고 말했다.
KERI 스마트3D프린팅연구팀의 설승권 박사팀도 '로봇암 기반 전방위 3D프린팅 기술'로 기계·소재 분야 우수성과에 이름을 올렸다.
이외에도 '증강현실(AR) 기반 내비게이션을 구현하는 스마트 콘택트렌즈 핵심 기술', '로봇 팔을 이용해 3차원 입체 면에 미세한 회로의 기능성 패턴을 인쇄하는 기술', '바이오센서용 전도성 소자를 인쇄하는 스마트 잉크 기술' 등 다수의 나노 3D프린팅 기술을 선보이며 우수성과 100선에 이름을 올렸다.
설승권 박사는 "미래 첨단기기는 플렉시블 및 웨어러블 등 기능 실현을 위해 자유 형상(Free-Form Factor)을 갖는 전자 소자를 요구한다"며 "3D인쇄전자기술은 기존 제한된 소자 제조 방식의 한계를 돌파하는 전 세계적 유망 기술 분야이고 그 중심에 KERI가 있을 것"이라고 말했다.
◆재료연구원, 무인기용 연료전지 동력원 공중 실증 완료
한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환) 재료디지털플랫폼연구본부 항공재료연구센터 양철남 박사 연구팀이 1kW 용량의 고분자 전해질 연료전지를 자체 설계 제작해 윙스팬 7.2M 길이의 무인기에 적용, 11시간 연속 비행과 함께 비행거리 770 ㎞의 공중 실증을 완료했다.
기존 무인기에 적용되는 내연기관 엔진의 경우 장시간 체공에는 유리하지만 소음과 진동, 열 감지, 배기가스에 의한 대기오염, 낮은 에너지효율 등 여러 문제점을 가진다.
최근 전동 추진 방식이 대세를 이루며 무인기용 전동모터 에너지원으로 2차전지인 리튬전지가 사용되는 추세다. 하지만 전지의 낮은 에너지밀도 등으로 이 역시 짧은 임무 수행 시간을 극복하기가 어려운 한계에 직면해있다.
연구팀은 이와 같은 엔진 및 리튬전지의 단점을 극복하기 위해 새로운 동력인 1kW급 연료전지 동력원을 개발하고 배터리와 하이브리드 전원으로 구성해 무인항공기에 적용했다.
이를 통해 12시간 이상 장시간 체공 및 임무 수행이 가능한 무인기용 연료전지 동력원을 개발하고, 이와 함께 공중 실증까지 완료했다.
이번에 사용한 연료전지, 배터리 하이브리드 기술은 1kW의 연료전지 전기 출력과 리튬폴리머 2차전지의 조합으로 구성됐다.
무인기의 이륙 및 공중에서 급격한 전기 출력에 대응하기 위해 최고 출력 4200W 이상을 낼 수 있도록 구성했다.
해당 기술은 기존 무인기에 적용되는 2차전지의 낮은 에너지밀도를 극복할 수 있어 장시간 체공을 요구하는 전동 추진 무인기에 적합해 이를 통해 해안선, 내수면, 환경 모니터, 산업 인프라 감시 등에 활용될 것으로 기대된다.
현재 민수용 연료전지 추진 무인기 기술은 캐나다 BPS와 아프리카 정부 지원을 받은 FLY H2에어로스페이스가 공동으로 9시간 600㎞를 비행하는 수준으로 개발 중이다. 이번 성과는 이 목표를 상회하는 수준으로 개발됐다.
연료전지 추진 무인기 기술 관련 국내 시장규모는 아직 초기 단계로 학교나 벤처 기업에서 해외 연료전지를 도입해 무인기에 적용하는 수준이다.
대부분 해외 연료전지 시스템 업체에 끌려가는 수준으로 개발돼 개발의 자유도가 낮다.
이번 기술개발은 국내 연료전지 추진 무인기 개발업체와 협업 및 공동 개발을 통해 국산화에 의한 수입 대체 효과뿐만 아니라 기술 자립에도 이바지할 것으로 전망된다.
연구책임자인 양철남 책임연구원은 "개발된 연료전지 동력원을 적용해 11시간 이상 비행함으로써 민수용으로는 세계적인 수준에 도달했다"며 "이제는 민/군 겸용으로 활용할 수 있는 수준을 목표로 24시간 연속 비행이 가능한 연료전지 개발 및 무인기 적용 실증연구를 계속해서 이어갈 것"이라고 말했다.
◆낙동강환경청, 하반기 유역수도지원협의회 개최
낙동강유역환경청(청장 최종원)은 11월14일 대구 국가물산업클러스터에서 낙동강수계 44개 지자체(부산광역시, 대구광역시, 울산광역시, 경상북도, 경상남도)의 수도시설 관리자가 참여하는 '2023년 하반기 낙동강유역수도지원협의회'를 개최한다.
협의회는 상수도시설 관리 전반의 문제를 개선하고 수돗물 사고에 체계적이고 전문적으로 대응하기 위해 2022년부터 반기별로 개최 하고 있다.
이번 협의회에서는 수도시설 운영·관리 우수사례에 대한 발표와 함께 낙동강수도지원센터의 탁수발생 등 수도사고 대응 사례 및 인공지능 딥러닝 기반 깔따구 유충판별 모델 개발 사례, 국립생물자원관의 깔따구 생물 특성 및 종 판별 지원사례 등에 대한 정보 공유가 있을 예정이다.
낙동강청에서는 정수장 운영에 대한 지자체의 건의사항을 수렴하고, 유충 발생 예방 등을 통한 깨끗하고 안전한 수돗물 공급을 당부할 계획이다.
낙동강청은 올해 안전한 수돗물 공급을 위해 노후수도정비, 도서지역 식수원개발, 정수장 소형생물 대응체계 구축 등 3개 사업에 국고 629억원을 지원하고 있으며 수돗물 유충 발생을 물리적으로 원천 차단하기 위한 정수장 소형생물 대응체계 구축사업에 48억원을 신규 편성해 집중 지원하고 있다.
