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2020-01 27

[학술][우수R&D] 양현익 교수, 친환경 에너지 그린펠릿 생산기술 개발

대체 에너지와 쓰레기 처리는 현재 환경 문제의 양대 산맥이다. 양현익 ERICA캠퍼스 기계공학과 교수는 긴 시간 연구를 통해 유기폐기물을 연료로 전환하는 장비와 공정을 실현하고 있다. 환경부 공시에 따르면 올 설 연휴 서울의 초미세먼지가 대기환경기준을 넘어선 날은 4일 중 이틀이다. 정부의 미세먼지 조절 정책으로 많은 발전소가 없어지거나 압박을 받는다. 한국동서발전㈜의 당진화력은 압박받는 석탄화력발전소 중 하나다. 양 교수는 당진화력에 1단계로 1t 규모의 시제품, 최종적으로 100t 규모 유기폐기물 연료화 장치의 설계와 제작을 맡았다. 발전소는 석탄화력발전 시 매연을 잡고 화력을 키우기 위해 나무를 총알 모양으로 뭉친 펠릿을 같이 태운다. 펠릿은 잘 탈 수 있는 좋은 소재의 나무들로 만들어야 하기에 인도네시아산과 필리핀산이 많이 유통되고 있다. 양 교수 연구팀은 수입의존도를 낮추고 환경 문제를 동시에 해결하기 위해 우리나라의 폐목재들을 이용한 고효율 펠릿을 만드는 연구를 실행했다. 양 교수 연구팀은 쓰레기를 재활용한다는 측면에서 그린펠릿이라 이름 지었다. 연구는 최강일 ERICA캠퍼스 기계공학과 교수와 함께 진행한다. ▲각 소재별로 그린펠릿을 만들었을 때의 열량과 탄소함량이다. 양현익 ERICA캠퍼스 기계공학과 교수의 연구팀은 모든 종류의 유기폐기물을 연료화할 수 있는 설비를 개발하고 있다.(양현익 교수 제공) 양 교수팀은 폐목재뿐만 아니라 하수 슬러지와 음식물 쓰레기 등 종류와 관계없이 유기폐기물을 연료로 만들 수 있는 그린펠릿 제작 설비를 목표하고 있다. 양 교수는 “연료로 만드는 원리는 모두 같아서 가축의 분뇨도 연료화가 가능하다”고 전했다. 그는 이어 “다만 펠릿이 유용하려면 연료화 과정이 경제적이어야 하고, 펠릿이 열량을 많이 내야 하기 때문에 현재 동서발전에서 사용 중인 하수 슬러지와 폐목재에 집중했다”고 밝혔다. 양 교수 연구팀의 그린펠릿은 기존의 수입 목재 펠릿보다 매연이 적고 저렴하며 열량은 더 높다. 양 교수는 “수입 목재 펠릿의 역할을 대신하는 것을 넘어서 제대로 된 연료를 만들고자 했기에 수입 펠릿보다 월등한 열효율은 당연하다”고 전했다. 양 교수팀이 제작하는 설비는 수열탄화 기술을 이용한다. 탄화기술은 탄소 성분을 압축시키는 과정을 말한다. 크게 건식과 수열 방식이 있는데, 건식은 장작을 숯으로 만드는 과정과 같다. 탄소 밀도를 높이는 과정에서 일산화탄소와 질소산화물 등 완벽히 연소하지 않은 부산물들이 나온다. 건식 방식에서는 공기 중으로 퍼져가는 부산물의 포집이 어려워 환경에 악영향을 미친다. 반면 수열탄화기술을 이용하면 부산물들이 물속에 녹아들어 처리와 환원이 쉽다. 실제로 그린펠릿 설비가 운용되려면 프로세스의 경제성, 열량, 소재 혼합비율과 더불어 촉매기술이 매우 중요하다. 수열탄화 과정 시 필요한 온도와 압력 조건을 낮추는데 촉매기술이 필요하기 때문이다. ▲양현익 교수는 당진화력의 환경 문제 해결을 위해 지난해 11월부터 쓰레기를 이용한 에너지 설비를 개발 중이다. 양 교수의 설비 개발은 1년 3개월의 사전 검증을 거쳐 지난해 11월 본격 돌입했다. 현재는 1t 규모의 설비를 만들어 운용 가능성을 시험하고 있다. 2년 후엔 실제로 당진화력에 들어갈 100t 크기의 설비를 설계할 예정이다. 양 교수는 이번 연구를 성공리에 마치면 시스템을 미얀마에도 이식해주고자 한다. 그는 “그린펠릿은 모든 국가에 필요한 기술”이라며 “환경 문제는 한 국가에서만 해결한다고 극복되지 않는다”고 말했다. 쓰레기와 하수 등을 연료로 재활용하는 기술은 한국이 전 세계적으로 앞서고 있다. 양 교수팀의 이번 개발은 대체에너지의 필요성과 쓰레기 처리방안이라는 환경 문제를 획기적으로 해결한다. 그뿐만 아니라 수열탄화처리 결과물은 상당한 고순도를 자랑한다. 양 교수는 “탄소의 순도가 높아 디스플레이도 만들 수 있을 정도”라고 전했다. 광촉매 개발로도 이어질 수 있어 환경 문제에 다양한 해결책을 제시할 전망이다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 김주은 기자 coram0deo@hanyang.ac.kr

2016-01 05

[학술][이달의 연구자] 인공 근육, 에너지 하베스팅의 장을 열다

대체 에너지는 유행을 넘어섰다. 개발 단계를 지나 상용화 단계에 이르렀고, 이미 우리 생활 깊숙이 자리잡고 있기도 하다. 태양빛을 이용한 태양광 에너지, 바람을 이용한 풍력 에너지, 파도를 이용한 파력 에너지, 그리고 조수를 이용한 조력 에너지까지. 이제는 무궁무진한 방법으로 전기를 만든다. 이제 낚싯줄로 인공근육을 만들어 전기를 생산한다면 어떨까. 그 방법을 고안한 주인공, 김선정 교수(공과대 생체공학과)다. 나일론 실로 만드는 전기 에너지 ▲ 지난 24일 인터뷰에서 김선정 교수는 인공근육 이 온도의 영향으로 전기 에너지를 생산하는 방법 을 설명했다. 환경 오염의 주범으로 꼽히는 화석 연료의 시대가 막을 내리고 있다. 바야흐로 고효율, 친환경의 새로운 에너지 시대. 화석 연료의 뒤를 잇는 에너지 생산 방법으로는 ‘에너지 하베스팅(Energy Harvesting)’이 대세다. 태양광, 열, 풍력 등과 같이 자연에서 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환, 수확하는 기술을 일컫는 말이다. 일상 속에서 버려지기 쉬운, 작은 에너지들을 모아 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스팅은 신재생 에너지 생산 기술로 각광받고 있다. 김 교수는 ‘나일론 실’을 이용한 에너지 하베스팅을 연구했다. 김 교수의 논문 ‘온도 변화에 의해 움직이는 인공근육의 전기 에너지 생성(Harvesting temperature fluctuations as electrical energy using torsional and tensile polymer muscles)’은 인공근육이 공기의 대류에 의해 움직일 때, 이 근육의 운동 에너지를 전기로 바꾸는 기술을 담았다. 김 교수는 낚싯줄 등에 쓰이는 나일론 실을 수천 번씩 꼬아 다양한 굵기의 근섬유를 만들고, 이들을 하나로 묶거나 직물로 짜냈다. 이렇게 만든 인공근육(Artificial Muscles)은 자연 근육보다 100배 강한 힘을 낸다. 다음으로 영향을 미치는 건 공기의 대류, 즉 ‘바람’이다. 차가운 공기는 아래로, 따뜻한 공기는 위로 가는 대류 현상이 인공근육을 움직인다. 여기에 안쪽 마그네틱, 바깥쪽은 코일로 된 모터를 더해, 전자기장의 원리에 따라 에너지를 생산한다. 인공근육의 운동 에너지(Kinetic Energy)를 전기 에너지로 변환시킨다는 김 교수의 연구는 세계적인 과학 저널 ‘사이언스(Science, 2014)' 지에 실려 연구의 효용성을 인정 받았다. 비교적 간단한 두 가지 원리, 공기의 대류와 자기장을 이용해 김 교수는 대체 에너지의 새로운 장을 열게 됐다. 김 교수는 나일론 실을 통한 에너지 하베스팅이 상용화될 가능성에 대해 말했다. “가정용 에너지 생산 기구를 창가에 올려두고 살랑살랑 부는 바람에도 기구가 반응하면 정말 좋겠죠. 바람은 모으지 않으면 버려지는 자원인데, 기구를 통해 바람의 힘을 유용하게 사용할 수 있을 테니까요.” 하지만 현재까지 개발된 나일론 인공근육은 섭씨 60도 이상의 높은 온도에서만 작동한다. 저온에서도 가동되는 에너지를 개발해야 상용화 가능성이 높아진다는 것이 김 교수의 설명이다. 낮은 온도에도 감응하여 스스로 전기를 생산할 수 있는 자가구동체(Self-powered Actuator)를 만드는 것이 현재 김 교수의 바람이자 과제다. ▲ 온도 변화의 영향으로 전기를 생산하는 인공근육 (출처 : 김선정 교수) 9년 연구의 시작은 생체모방공학에서 ▲ 나일론 인공근육이 꼬아지는 모습 (출처 : 김선정 교수) 김 교수는 지난 2006년부터 창의연구단(생체인공근육연구단) 국책과제를 수행하면서 인공근육 연구를 시작해 올해로 9년 차에 접어들었다. 김 교수는 ‘생체모방공학’을 전공하며 인공근육 연구에 푹 빠졌다. 현존하는 생물체와 자연의 구조에 영감을 받아, 이를 공학 기술에 접목하는 학문이다. “생태계에서는 진화한 생물체만 살아남고 열등한 나머지는 도태돼 버려요. 결국 현재 살아있는 생물체가 자연에 최적으로 진화된 구조를 가지고 있다는 뜻입니다. 가장 똑똑한 구조라는 거죠. 그 구조와 기능에서 영감을 받는 학문입니다.” 김 교수는 생체모방공학이 지향하는 모방은 ‘베낀다(Copy)’는 의미보다, ‘영감을 받는다(Inspired)’에 가깝다고 강조했다. 로봇은 사람의 근육 구조와 동작에 영감을 받아 만들어진 기계다. 김 교수가 몰두하는 인공근육은 로봇의 운동에 쓰이는 전기 모터 대신 사용될 수 있다. 의학 영역에서는 미래에 실제 근육을 보완하고, 대체할 가능성도 있다. 특히 나일론 인공근육은 저렴한 비용으로 쉽게 대량 생산이 가능하기 때문에 다양한 산업분야에서 사용될 수 있다. 나일론 인공근육은 기존에 동일한 역할을 했던 형상기억합금에 비해 약 640배 싼 가격을 자랑한다. 인공근육이 형상기억합금보다 무게당 5배 더 큰 전기 에너지를 만든다는 사실로 볼 때, 김 교수의 연구는 괄목할 만한 성과다. 연구자의 자세는 도전 김 교수에게 연구 철학을 물었다. 김 교수는 망설임 없이 ‘도전’이라고 답했다. “연구는 기존의 것에 안주하는 것이 아니라 항상 새로운 것을 찾아 도전해야 합니다. 창의적인 사고를 추구해야 가치 있는 연구를 할 수 있습니다.” 생체공학과에서 학부생들을 가르치는 동시에 끊임 없는 연구성과로 한양의 이름을 드높이고 있는 김 교수. ‘도전’은 누구보다 그에게 가장 잘 어울리는 단어다. 창의력과 도전 정신을 요구하는 이 시대에, 김 교수는 현재보다 미래가 더 기대되는 연구자다. ▲ 한양의 이름을 드높이고 있는 김선정 교수는 현재보다 미래가 더 기대되는 연구자다. 박윤정 기자 dbswjd602@hanyang.ac.kr 이 기자의 다른 기사 보기 사진/조유미 기자 lovelym2@hanyang.ac.kr