최근 육상의 전기차처럼 함정 분야에서도 전기추진 시스템이 주목받고 있다. 전기추진 시스템은 배터리에 저장된 전력이나 발전기로부터 공급된 전력을 이용해 추진 모터를 구동하는 방식으로, 친환경적이고, 연료 비용도 저렴하다. 추진 모터의 소음과 진동이 적고, 설치 위치도 자유로워 설계의 유연성이 매우 높으며, 기존 디젤엔진 선박보다 조종 능력이 더 높다는 장점이 있다.
특히 전기추진 시스템은 대규모 전력을 필요로 하는데, 이는 대용량의 전기를 소모하는 레일건 등 미래 무기체계와 일시적으로 전력을 공유함으로써 신무기 탑재를 가능하게 하고, 자동화·무인화·네트워크화를 위한 ICT 체계도 구축할 수 있다.
KERI는 2015년 국내 최초, 세계 3번째(미국-영국-한국)로 구축해 운영 중인 ‘전기선박 육상시험소(LBTS, Land Based Test Site)’를 통해 전기추진 체계 기반의 잠수함 및 선박 기술 개발을 이끌어 왔다. 이러한 노하우를 기반으로, 해군 전력분석시험평가단과의 협력을 통해 대한민국 해상 전력 강화에 이바지하는 차세대 함정 개발을 성공적으로 이끈다는 계획이다.
KERI 김남균 원장은 “함정의 전동화 및 첨단화를 통해 생존성과 작전 수행 능력을 크게 높일 수 있다”며 “양 기관 협력을 통해 차세대 함정의 설계·건조 기간을 단축하고, 관련 비용 절감에도 기여하는 등 해군 전력 증강에 큰 힘이 될 수 있도록 노력하겠다”고 전했다.
#나노 입자 장난감 블록처럼 쉽게 붙여 산업에 활용
고분자 마이크로입자에 기능성 무기 나노입자를 결합하는 ‘복합입자 합성 기술’은 배터리 전극 소재, 촉매 시스템, 제약·바이오, 반도체 패키징, 전력기기용 절연소재 등 다양한 산업 분야에 걸쳐 폭넓게 활용되고 있다. 이 과정에서 소재들의 결합은 주로 습식 화학공정을 통해 이뤄졌는데, △복잡한 다단계 공정 및 비용 추가 △용매 사용에 따른 환경 문제 발생 △이종 소재 간 화학적 결합 유도를 위한 표면 기능화 기술 한계 등 많은 문제를 가지고 있었다.
이에 유승건 박사는 소행성의 충돌로 인해 형성되는 달의 크레이터(구덩이)에서 영감을 받아 입자들을 물리적·기계적으로 충돌시키는 방식을 도입했다. 즉, 고분자의 마이크로입자 표면을 중심으로(코어, core), 무기 나노입자를 하나하나씩 부착해 껍데기(shell)처럼 감싸는 구조로 결합시켰다.
이는 단순한 원리처럼 보이지만, 실제 구현은 매우 어려웠다. 나노입자가 고분자 마이크로입자 표면에 안정적으로 부착되기 위해서는 입자 간 크기 비율, 충돌 속도와 회전 에너지, 표면 에너지 및 거칠기 등 다양한 요소를 복합적으로 고려해야 한다. 이러한 조건들을 정밀하게 제어한 KERI는 수십 종의 무기 나노입자와 크기·물성이 서로 다른 마이크로입자들을 다양하게 조합하여 최적의 합성 조건을 확립했고, 물리적 부착 메커니즘을 세계 최초로 규명하는 데 성공했다.
연구팀은 나노입자의 부착 정도, 표면 커버리지, 계면의 결합 안정성 등을 정량적으로 분석하고, 열적·기계적·화학적 내구성까지 평가하는 기술도 확보했다. 이를 통해 여러 환경에서 잘 견디고, 자성·광촉매·흡착 특성을 동시에 지니는 다기능 고신뢰성 복합입자 결과물을 얻을 수 있었다.
해당 연구결과는 우수성을 인정받아 재료과학 분야 세계 최고 수준의 저널인 '어드밴스드 머트리얼즈(Advanced Materials)'의 ‘인사이드 프론트 커버(Inside Front Cover)’로 선정됐다. 논문의 수준을 평가하는 ‘Impact Factor’는 27.4로, 상위 1.9%에 속한다.
유승건 박사는 “용매를 전혀 사용하지 않는 친환경 건식공정에서 우리가 필요로 하는 소재들을 장난감 블록처럼 쉽게 결합할 수 있어 양산화·상용화 측면에서 유리하다”며 “부착 가능한 소재군의 범위가 매우 넓고, 쉬운 공정에 재현성도 높기 때문에 산업계로의 진입 장벽이 매우 낮다”고 전했다.
KERI는 꾸준한 연구를 통해 소재 합성 공정의 최적화를 더욱 추진한다는 목표다. 기술에 관심 있는 수요 기업체를 발굴하여 기술이전을 통해 사업화에 나선다는 계획이다.
정동욱 부산/경남 기자 ilyo33@ilyo.co.kr