100% 해외 기술에 의존해 온 안전 모니터링 센서 기술을 우리 손으로 직접 개발해 시제품 제작까지 성공했다.
한국원자력연구원(원장 주한규)은 국가 기반산업 핵심 설비의 안전을 상시 모니터링할 수 있는 압전형 센서 소재·부품 원천 기술을 개발하고, 개발된 센서 제품에 대해 국내외 인증을 획득했다고 8일 밝혔다.
원자력 발전, 중화학 플랜트, 철도·교량 등 국가 기반산업의 핵심 설비는 오랜 기간 끄떡없어야 한다. 설비의 충격, 진동, 결함 등 이상 상태를 상시 모니터링하는 것이 중요한데, 이를 위해선 외부 충격에 전기적 신호를 발생시켜 정보를 실시간 제공하는 압전형 센서가 필요하다.
국내의 경우, 압전형 센서의 소재, 부품 기술의 취약성으로 미국, 유럽 등 기술 선진국 제조사로부터 센서를 전량 수입에 의존하고 있다.
이같은 센서는 대표적인 유해물질 납(Pb)이 함유된 ‘납 티탄산 지르코늄(Pb(Zr,Ti)O3, 이하 PZT)’이라는 압전세라믹 소재로 만들었다. 유럽의 경우 전자제품·기기 속의 납을 엄격히 규제하는 등 세계적으로 납 사용을 금지하고 있어 친환경 소재 개발 및 제품화 경쟁이 치열하다.
이에 기기안전진단연구부 이민구 박사 연구진은 2017년부터 기초 핵심 소재인 친환경 압전 소재부터, 디자인, 부품 제작 기술까지 센서 원천 기술 개발에 집중해왔다.
먼저, PZT를 대체할 친환경 소재로 주목받고 있는 ‘칼륨 소듐 니오베이트((K,Na)NbO3, 이하 KNN)’에 미세 도핑 방식으로 비스무트(Bi)계 화합물을 첨가해 압전성이 우수한 압전 소재를 만들었다.
이후 개발된 소재를 적용한 센서가 감도, 주파수, 안정성 측면에서 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 디자인을 개발했고, 센서 내 복잡한 구성 부품의 제작, 조립, 가공 기술을 최적화하는데 성공했다.
연구진이 개발한 센서는 원전 등 다양한 산업 설비의 이상진동, 이물질 충격 등을 감시할 수 있는 직경 2cm, 높이 6cm 가량의 가속도계 센서 2종과 배관 등의 누설이나 결함을 탐지할 수 있는 직경 2~3cm, 높이 2~4cm 가량의 음향방출형 센서 2종이다. 올해 초 한국인정기구(KOLAS) 공인시험을 통해 기존 PZT 기반 상용 제품을 대체할 만큼의 성능을 확인했다. 이는 즉시 상용화가 가능한 수준이다.
제품의 안전성과 신뢰성을 인증하는 국내 KC 인증과 유럽 CE 인증, 친환경성 인증인 유럽 RoHS 인증도 7월까지 획득했다. 국내 특허 등록 2건과 출원 2건도 마쳤으며, 현재 국내 상표 등록과 미국, 유럽 등 해외 특허 등록이 진행 중이다.
그 간 개발 과정에서의 우수성을 인정받아 2018년 ‘국가연구개발 우수성과 100선’, 2019년 ‘출연(연) 우수성과 10선’에도 선정된 바 있다.
연구원 최영철 기기안전진단연구부장은 “향후 개발된 센서 제품을 각종 산업 설비에 적용하기 위해 다양한 사업화 방안을 모색하는 중”이라며, “고온과 방사선 등 극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 친환경 특수 센서 개발에 이번 기술을 연계 활용해나갈 것”이라고 밝혔다.