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연구성과 사례
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 반도체 재료 박막증착 과정 실시간으로 본다 |
占쏙옙占쏙옙占� 상온 VOCs 제거 기술로 공기질 스마트하게 관리한다 |
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 인공지능과 로봇기술로 생기원형 스마트팜 만든다 |
▲김수한 친환경재료공정그룹 수석연구원
지난 8월 9일 생기원 울산지역본부 한 실험실에서는 에메랄드색 불빛이 뿜어져 나왔다. 불빛의 정체는 초고온에서 핵과 전자가 분리된 기체상태인 플라스마를 만드는 데 사용되는 전자빔이다. 김수한 친환경재료공정그룹 수석연구원 연구팀은 이 전자빔으로 생성한 플라스마로 공기 중 유해 화합물을 없애는 기술을 개발하고 있다.
김 수석연구원이 개발 중인 기술의 정식 명칭은 ‘휘발성유기화합물(VOC) 제거 시스템’이다. 첨단정형공정그룹 최준 수석연구원, 청정화학응용소재그룹 백자연 선임연구원, 첨단하이브리드생산기술센터 문건대 선임연구원과 공동 연구를 진행하고 있다. VOC는 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체 유기화합물을 뜻한다. 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx)과 함께 초미세먼지의 원인물질이 되거나 사람에게 암을 일으키는 원인으로 지목되면서 이를 제거할 기술 개발이 시급한 상황이다.
연구팀은 실내 공기에 포함된 VOC 중 인체 유해성이 큰 톨루엔과 포름알데히드를 기준치 이하로 떨어뜨리는 기술을 개발하고 있다. 톨루엔은 특유의 향기로운 냄새가 나는 투명한 무색 액체로 중추신경계 손상을 유발한다. 포름알데히드는 실온에서 자극성이 강한 냄새를 내는 무색 기체로 세계보건기구(WHO)가 지정한 1급 발암물질이다.
연구팀은 공기 중에 포함된 1㏙의 VOC를 95%이상 제거하는 시스템을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 김 수석연구원은 “새집증후군을 유발하거나 건강에 유해한 VOC를 걸러내는 것이 목표”라며 “대표적 유해물질인 톨루엔은 0.08㏙(1㏙은 100만분의 1) 이하, 포름알데히드는 0.12㏙ 이하로 줄이는 방법을 개발하고 있다"고 말했다.
상온에서 VOC 제거하는 플라스마 기술
기존에도 플라스마와 촉매를 이용해 VOC를 제거하는 기술이 있다. 하지만 상온에서 활용이 불가능하다. 연구팀은 상온에서도 활용 가능한 VOC 제거 시스템 개발을 목표로 하고 있다.
활성탄 필터를 이용해 VOC를 제거하는 방식은 가격이 저렴하고 효율이 99%에 이르는 장점이 있다. 하지만 흡착량을 조절하기 어렵고 필터를 주기적으로 교체해야 하는 번거로움도 있다. 김 수석연구원은 “촉매를 사용해 열로 태우거나 분해하는 방법을 쓰면 99%이상의 VOC를 제거할 수 있다”고 설명했다.
아직까지 촉매를 사용한 방법은 온도가 보통 150℃, 높게는 200℃까지 필요하다. 실내의 VOC를 제거하기 위해 상온에서도 작동하는 VOC 제거 시스템을 개발해야 한다. 연구팀은 상온에서도 작동하는 VOC 제거 시스템을 만들기 위해 플라스마와 촉매를 융합할 계획이다.
상온에서도 작동하는 저온 플라스마를 활용해 분해반응 에너지를 촉매에 제공하고 고다공성을 가진 촉매가 VOC를 분해하는 원리다. 김 수석연구원은 “공진 구조의 장치 설계를 통해 전기를 적게 쓰고 오존 발생량을 제어하는 저온 플라즈마를 개발하고 있다”며 “라디칼, 이온 발생량을 최적화해 유해 화합물의 제거 효율을 높일 예정”이라고 말했다.
연구팀은 VOC 분해 촉매에 대해서도 제거효율을 높인다는 계획이다. 계층구조를 가지는 나노 지지체로 촉매를 만들 경우 기공크기와 기공도 조절이 가능해 VOC 분해효율이 높아진다는 게 연구팀의 설명이다. 다공성 금속 유기 구조체 내부에 금속나노입자를 넣으면 촉매 내구성을 떨어뜨리는 금속나노입자 뭉침현상을 방지할 수 있다는 연구 결과도 얻었다.
VOC 제거 시스템, 시도별 1인당 배출량 높은 울산에 필요
VOC 제거 시스템은 국내외에서 특허 출원 건수가 늘어나는 등 국내뿐 아니라 해외에서도 관심사다. 생기원에 따르면 지난 2017년 전 세계 총 특허 출원건수는 199개다. 한국의 경우 2000년도 전후를 기점으로 특허 출원건수가 급격하게 증가했다가 이후 지속적으로 유지되고 있다.
미국과 중국의 경우도 마찬가지다. 미국은 1990년대부터 현재까지 꾸준한 특허 출원건수를 유지하고 있다. 중국은 2010년 이후로 특허 출원 건수가 급격히 증가하며 전 세계 VOC 제거 시스템 관련 특허 출원건수 증가에 크게 기여했다는 평가까지 나온다.
김 수석연구원은 VOC 제거 시스템 기술시장 성장단계와 관련해 지금을 ‘성장기 단계’라고 평가했다. 관련 특허 출원 건수와 출원인 수가 지속적으로 증가하고 있다는 것이다. 김 수석연구원은 “전체 특허의 기술 위치는 1993년부터 2018년까지 연구개발이 급격히 증가하고 있으며 경쟁이 격화되고 있다”며 “특허와 특허 출원인의 빠른 증가를 보인다”고 설명했다.
김 수석연구원은 VOC 제거시스템이야말로 국내 최대 산업도시인 울산에 가장 필요한 기술이라고 설명했다. 국립환경과학원 조사결과에 따르면 2015년 기준 울산은 전국 시도를 비교했을 때 1인당 VOC배출량이 84.9㎏으로 가장 높다. 두 번째로 1인당 VOC배출량이 높은 전남보다 2배에 이르는 양이다.
김 수석연구원은 “대규모 석유화학단지로 인해 VOC가 많이 발생하는 울산뿐 아니라 다른 지역에서 생성된 VOC가 대기를 타고 날아가 경기 지역에도 많이 쌓인다”고 말했다. 실제로 1인당 VOC 배출량은 울산이 1위지만 총 VOC 배출량은 경기가 18만8801t으로 가장 높다.
▲기존에도 플라스마와 촉매를 이용해 VOC를 제거하는 기술이 있다. 하지만 상온에서 활용이 불가능하다. 연구팀은 상온에서도 활용 가능한 VOC 제거 시스템 개발을 목표로 하고 있다.
학교, 병원과 같은 다중 공공시설 공급계획 세워
연구팀은 VOC 제거 시스템을 학교, 병원, 어린이집, 다중역사 등 21개 시설에 적용하기 위해 수요기업과 공동연구를 통한 공기청정기 시제품 제작 및 상용화 기술을 개발할 계획이다.
연구팀은 수요기업과 공동연구를 통한 공기청정기 시제품 제작 및 상용화 기술을 개발할 계획이다
김 수석연구원은 “몇몇 중소기업과 연구협력을 위한 긴밀한 대화를 나누고 있다”며 “울산시를 넘어 다중 공공시설용 제품 판매를 목표로 하고 있다”고 말했다. 이외에도 연구팀은 산업미세먼지저감기술센터와 연계해 발전소 및 제철소, 화학공장에서 발생하는 실외 VOC 제거 기술 개발을 위한 대형 과제 도출에도 힘을 쏟을 예정이다.
연구팀은 현재 질적 정량 성과로 사업기간 1년 내 우수논문 1편과 특허출원 3건을 목표로 하고 있다. 김 수석연구원은 “올해 말까지 우수논문 1편과 특허출원 3건을 목표로 하고 있으며 과제 기간 내 목표치를 달성할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다.
이와 함께 촉매의 원가를 낮추기 위해 현재 사용하는 백금 대신 철이나 니켈을 사용하는 방안도 검토 중이다. 김 수석연구원은 “백금을 사용하기 때문에 촉매 기본 원가는 비싸다”며 “기술을 통해 원가를 줄일 계획”이라고 말했다.