한국전기연구원(KERI, 원장 명성호) 전동력시스템연구센터 홍도관 박사팀이 선박과 항공기의 추진효율을 10% 이상 향상시킬 수 있는 ‘비접촉 마그네틱 기어 기반 상반회전 프로펠러’ 기술을 세계최초로 개발했다.
상반회전 프로펠러는 서로 반대로 회전하는 2개의 프로펠러가 축 방향으로 배치된 것으로 전방 프로펠러에서 나온 회전 에너지를 후방 프로펠러가 반대 방향으로 회전하면서 회수 및 재활용하는 방식이다.
추진 효율이 높고 에너지 절감 효과까지 기대할 수 있다.
하지만 이러한 상반회전 프로펠러를 돌리기 위해 톱니가 맞물려 동력을 전달하는 일명 ‘기계식 기어’가 필요한데 마찰로 인한 열·소음·진동이 크고, 마모와 냉각을 위한 윤활유 공급 등 정기적인 유지보수도 해야 한다.
이에 KERI 홍도관 박사팀은 자석의 N극과 S극이 서로 밀고 당기는 힘을 활용해 기어 부품들의 접촉 없이 동력을 전달해 상반회전 프로펠러의 추진력을 만들어 낼 수 있는 ‘비접촉 마그네틱 기어’를 대안으로 제시했다.
마그네틱 기어가 태생적으로 상반회전이 가능하다는 점에 포인트를 두고 이를 수중 및 항공 추진체에 적용했다.
연구팀은 3년간의 노력으로 부품의 조합 및 설계, 전기-기계 간 성능해석, 시제품 제작 및 성능시험 평가 등의 난관을 차례로 통과했다.
최근에는 KERI 창원본원 인근의 저수지에서 비접촉 마그네틱 기어의 최대 효율 99%를 달성하는 수중 추진기의 실증 테스트까지도 완료했다.
비접촉 마그네틱 기어가 활용된 상반회전 프로펠러의 장점은 매우 많다.
높은 추진 효율성과 연료비 절감 효과는 물론이고 비접촉 자석의 힘을 활용하기에 소음과 진동이 거의 없다.
이 밖에도 수명이 반영구적이라 유지보수가 크게 필요 없다는 점도 큰 강점이다.
KERI 홍도관 박사는 "기존 방식인 ‘전동기+단일 프로펠러’를 뛰어넘는 것이 ‘전동기+복잡한 기계식 기어+상반회전 프로펠러’인데 이번 성과는 여기서도 한 단계 더 나아가 기계식 기어를 대체하는 비접촉 마그네틱 기어를 적용한 세계최초의 시도"라며 "수중용·항공용을 넘어 다양한 모빌리티 분야에도 우리의 비접촉 마그네틱 동력 전달 기술이 확대 적용될 수 있도록 연구개발에 힘쓰겠다"고 말했다.
현재 연구팀이 개발한 비접촉 마그네틱 기어 기반 상반회전 프로펠러는 무인이동체용 3kW급 출력 수준을 가지고 있는데 꾸준한 연구를 통해 올해 무인이동체용 10kW급을 달성하고, 내년에는 사람이 수십명 탈 수 있는 정도의 100kW 이상급 성능을 구현한다는 목표다.
원천기술과 관련한 특허 출원, 국내외 성과 논문 게재 등을 완료한 KERI는 이번 성과가 국방(저소음 어뢰 개발, 육해공 무인 이동체 동력원), 산업(공작기계 등 자동화), 모빌리티(선박, 항공, 자동차) 등 다양한 분야에서 기계식 기어를 대체할 것으로 보고, 관련 기업으로의 기술이전을 통해 사업화에 나선다는 계획이다.
◆재료연구원, 플라즈마 공조부품 기술이전 상용화 완료
한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환) 나노바이오융합연구실 이승훈 박사 연구팀이 코로나19 바이러스 에어로졸을 실시간 비활성화할 수 있는 플라즈마 공조 기술 개발에 성공했다.
이번 기술은 코로나19 바이러스가 주로 확산되는 에어로졸 상태에서 실시간 방역성능을 검증했다는 점에서 의미가 있다.
연구팀이 개발한 플라즈마 필터는 유전체 필터 방전 기술을 이용해 코로나19 바이러스 에어로졸을 산소활성종, 전기장으로 비활성화하는 부품이다.
연구팀은 플라즈마 필터를 통과한 직후 코로나19 바이러스가 약 99.8% 이상 비활성화되는 것을 확인했다.
또한 플라즈마 필터는 촉매 소재를 활용해 오존(O3)을 배출하지 않고 공기청정기 및 건물의 공조장치 등에 적용이 가능하다.
뿐만 아니라, 연구팀은 플라즈마 필터의 후단에 오존 제거용 촉매를 설치해 배출되는 오존의 농도를 규제치 이하로 유지함으로써 플라즈마 기술의 약점인 오존 배출 문제를 해결하고 오존 배출과 관련한 각종 규제치를 만족시켰다.
지금까지의 코로나19 바이러스 비활성화 실험은 에어로졸 상태가 아닌 배양접시에 담긴 액상 상태로 진행됐다.
고위험성 바이러스의 에어로졸을 활용한 실험의 위험성으로 에어로졸 내 코로나19 바이러스의 비활성화를 직접 검증한 경우는 극히 드물다.
이 때문에 실제 상황과 실험 조건이 달라 에어로졸을 활용한 방역성능 검증이 꾸준히 요구돼 왔다.
연구팀은 국립마산병원(병원장 박승규) 임상연구소와 협력해 코로나19 바이러스 배양액 에어로졸을 분사해 방역성능을 직접 평가할 수 있는 실험 장치를 개발했고, 적용된 플라즈마 필터의 성능 실증과 관련한 연구결과를 국제 학술지에 투고 중이다.
이 기술이 의료현장 및 다중이용시설 등에 설치되는 공기청정기, 건물 공조 장치 등에 적용될 경우, 향후 감염병 확산 억제에 큰 도움이 될 것으로 예상된다.
연구책임자인 이승훈 선임연구원은 "다양한 방역 소재 부품의 개발도 중요하지만 고병원성 병원체 에어로졸을 활용한 실증 연구가 부족한 게 사실"이라며 "이번 연구에서 확보한 코로나19 바이러스 에어로졸의 비활성화 데이터를 기반으로 디지털 트윈을 이용한 가상공간에서의 바이오 에어로졸 제거성능 예측 연구를 통해 다중이용시설 방역에 필요한 최초 시간과 최적 배치를 도출하는 후속 연구를 추가적으로 수행할 예정"이라고 말했다.
