국내 연구진이 고출력 전자기펄스(HPEMP: High Power Electromagnetic Pulse)로부터 핵심시설물을 보호하는 장비인 HPEMP 보호기 핵심소자 기술을 국산화 개발하고, 관련 전문기업에 기술이전한다.

미래창조과학부 산하 전기전문 정부출연연구기관인 한국전기연구원(KERI) 이재복 책임연구원팀(전기환경연구센터)은 ‘고출력 전자기펄스(HPEMP) 보호대책기술 개발(정부출연금사업)’ 과제를 통해 ‘HPEMP 및 직격뢰 보호용 대용량 고밀도 MOV 제조기술’을 개발했다. 

기상이변과 낙뢰 발생의 증가로 각종 기간시설물 및 전자기기에 대한 낙뢰피해가 급증하고 있다. 또한 최근 불안한 국제정세 및 남북관계 상황과 소형·경량 고출력/광대역 전자기펄스 발생시스템 기술의 발달로, 국가기간시설에 대한 은밀한 HPEMP 공격 가능성이 증가하고 있어 HPEMP 공격과 테러에 대한 정부차원의 보호대책이 요구된다. 특히 관련 기술은 국가 안보 차원의 기술보안(수출금지)으로 인해 국가간의 기술교류가 불가능한 분야로, 독자적인 원천 대체기술을 확보할 필요가 있다.

이재복 책임연구원팀이 개발한 기술은 고출력 전자기펄스(HPEMP) 보호장치 및 서지보호기(SPD)의 핵심소자인 바리스터(Varistor) 제조 기술이다. HPEMP 보호장치에 요구되는 바리스터는 매우 큰 에너지내량이 요구된다. 기존 바리스터로는 요구성능을 충족시킬 수 없어 단일소자 형태의 에너지내량이 큰 대용량 바리스터의 개발이 필수적이다.

KERI 이재복 책임연구원은 “대용량 바리스터 핵심기술 확보를 위해서는 재료조성 뿐만 아니라 소성 및 성형프로세스 기술, 전극/단자 패턴 설계기술, 성능평가기술이 요구되며, 특히 물리적, 화학적 기술기반의 과도전자계 해석기술 및 열해석기술이 필요하다”며 “그동안 축적한 기반기술을 바탕으로 공정 프로세스에 필요한 설비를 구축하고, 국내에서 유일하게 바리스터 상용화 경험이 있는 외부전문가와의 협업을 통해 다수의 소용량 바리스터 소자를 병렬접속한 형태가 아닌 단일소자의 형태의 대용량 바리스터 제조 기술을 확보할 수 있었다”고 말했다.

KERI 연구팀은 이를 통해 현재 해외 선도기업의 제품수준 이상인 50kA(킬로암페어)급의 대용량 바리스터 생산기술을 개발하는데 성공했다. 현존하는 단일소자 대용량(Iimp) 바리스터 중 최대 전류내량인 50kA로 기존소자(25kA)보다 2배 크다. 단일소자 형태의 바리스터로는 세계 최고 에너지내량의 성능을 갖고 있어 해외시장에서 경쟁우위를 확보할 것으로 예상된다. 기존 선도업체의 대용량 바리스터에 비해 약 2배의 전류밀도를 가지고 있고, 동일 면적의 일반적인 바리스터에 비해 약 16배 에너지내량을 가지고 있다.

이 기술은 고출력 전자기펄스(HPEMP)에 대한 방호 및 직격뢰 보호가 요구되는 국가 핵심 주요시설 등에 적용이 가능하며, 특히 HPEMP 보호장치, 직격뢰 보호용 1등급 서지보호기(SPD) 등에 적용할 수 있다. 최근 국내외적으로 직격뢰가 자주 발생하는 풍력발전설비 및 태양광발전 설비 등 대형 신재생에너지 설비의 보급이 활발해짐에 따라 이들 설비보호용 1등급 SPD의 수요도 급증할 것으로 예상된다. 개발된 대용량 바리스터를 적용한 HPEMP 보호장치 및 서지보호장치의 신뢰성 향상은 국가 중요시설을 더욱 안정적으로 운용할 수 있게 할 것이다. 특히 무기급 HPEMP 공격에 대응한 대규모 정전사고, 유무선 통신장해, 항공/교통사고, 수자원/가스공급 중단사고 등 총체적인 재난/재해 예방 및 체계적 관리 기반 마련에 기여할 수 있다.

한국전기연구원은 관련 전문기업인 (주)아이스펙에 HPEMP 및 직격뢰 보호용 대용량 바리스터 제조 기술(MOV 제조기술 전수 및 시제품 시험지원 및 성능분석 기술)을 이전하는 조인식을 가졌다. 착수기술료 5.5억 원(VAT 포함)에 해당하는 부품 매출액에 따른 일정비율의 경상기술료를 지급받는 조건이다.

(주)아이스펙 한순갑 대표이사는 “한국전기연구원이 개발한 세계 최고 전류내량을 갖는 고출력 전자기펄스 보호용 바리스터 제조 기술을 이전받음으로써, 기존 EMP 필터의 품질향상과 더불어 새로운 제품군인 서지보호기(SPD)과 조합하여 전원안정화 분야의 매출 증가가 기대된다”며 “이 기술을 적용한 1등급 서지보호기를 개발할 경우 국내외 시장선점 효과가 클 것으로 기대되며, 수입대체 효과 및 제품 매출로 인한 고수익 및 경영에 기여할 것으로 예상된다”고 밝혔다.

서지로 인한 장해 양상

★ 개발 제품의 개요 및 기술도입 효과 ★

1. 개발 제품의 개요
KERI에서 개발한 바리스터는 전원에 발생할 수 있는 서지를 억제하기 위한 서지보호소자로 뇌방전 에너지가 큰 직격뢰 전류에 대응한 서지보호기에 응용 가능한 소자다. 현존하는 단일 바리스터 소자 중 세계 최고의 전류내량이다.
- 1등급 임펄스전류(10/350μs) 내량 : 최대 50kA
- 2등급 임펄스전류(8/20μs) 내량 : 최대치 300kA

2. 기술도입효과
 1) 경제적 효과
KERI 연구팀이 개발한 단일소자 형태의 바리스터는 세계 최고 에너지내량의 성능을 갖고 있어 해외시장에서 경쟁우위를 확보할 것으로 예상된다. 최근 국내외적으로 직격뢰의 이행이 큰 신재생에너지 보급이 활발해짐에 따라 풍력발전설비 및 태양광발전설비의 급증과 더불어 이들 설비보호용 1등급 SPD의 수요는 급증할 것으로 예상된다.

 2) 기술적 파급효과
개발된 대용량 바리스터를 적용한 HPEMP 보호장치 및 서지보호장치의 신뢰성향상은 국가 중요시설에 대한 안정적운용을 기대할 수 있다. 무기급 HPEMP 공격에 대응한 대규모 정전사고, 유무선 통신장해, 항공/교통사고, 수자원/가스공급 중단사고 등 총체적인 재난/재해예방 및 체계적 관리기반 마련에 기여할 수 있다.

한국연구재단은 이현정 교수(국민대) 연구팀이 다공성 구조의 환원된 산화그래핀 필름을 새롭게 개발하여 열을 전기로 바꾸는 에너지의 발전 효율을 약 1,200배 증가시키고 2차원 구조 에너지 전달체의 한계를 벗어났다고 밝혔다.

탄소 원자로 이루어진 그래핀은 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막이다. 전기 전도도가 매우 우수하며 밀도가 작고 쉬운 추출과 가공 공정이 가능하여 ‘꿈의 소재’라 불린다. 기존의 무겁고 가공이 어려운 무기 열전재료를 대체할 수 있기 때문이다.

그러나 그래핀은 전기 전도도가 우수한 만큼 열 전도도도 높으므로 열전 성능지수(ZT)가 낮다. ZT를 높이기 위해서는 높은 전기 전도도를 가지면서 낮은 열 전도도를 가져야 한다.
열 전도도를 낮추기 위해서는 재료 내 전자의 밀도를 낮춰야 한다. 그러나 전자의 밀도를 떨어뜨리면 열 전도도와 동시에 전기 전도도도 떨어져버려 소자 성능 향상과 멀어진다. 특히 유기 재료의 전기 전도도를 높이면서 열 전도도를 떨어뜨리는 기술은 제한적이다.

이현정 교수팀은 ZT 성능을 높이기 위해 산화 그래핀과 고분자 콜로이드 입자를 이용하여 다공성 구조의 그래핀 필름을 개발했다. 교수팀은 다공성 구조 그래핀 필름의 열-에너지 전환 발전 효율이 약 1,200배 증가했음을 ZT를 통해 확인했다.

다공성 구조는 공극(구 형태의 빈 공간)을 통해 열 전달 현상을 효율적으로 제어가 가능하다. 전자는 상호 연결된 구조로 쉽게 전달되지만, 열은 공극으로 인해 전달이 어렵다.

이처럼 열 전도도가 낮은 패치형 소자는, 온도 차이를 이용해 효율적으로 전기 생산이 필요한 다양한 디바이스에 응용 가능성이 많아진다. 패치의 양면 온도 차이의 격차가 크면 클수록 그에 비례하여 전기 발생률이 높아지기 때문이다.

또한 다공성 구조 내 공극의 생성으로 그래핀의 2차원적 구조적인 한계를 벗어났다. 그래핀은 2차원 나노 물질의 패치형 에너지 소자이다. 때문에 이방성을 가지므로, 웨어러블 디바이스에 적용 시 본래의 기대 성능을 떨어뜨린다.

그러나 교수팀은 공극을 이용해, 그래핀을 3차원적 전자 전달 구조와 가깝게 변형시켰다. 이는 다양한 물리적 방향을 갖는 웨어러블 디바이스 등에 활용이 용이하다.
교수팀은 간단한 열처리를 통한 산소 제거 과정을 통해 다공성 구조의 그래핀 필름을 효율적으로 제작할 수 있었다.

제작된 산화 그래핀/폴리스티렌 필름을 열처리 후 산소를 제거해, 폴리스티렌 입자를 분해시켜 다공성 구조가 만들어진 것이다.
또한 열처리 중 폴리스티렌 입자 내의 탄소원자를 질소 원자로 대체시켰다. 전자가 하나 더 증가한 질소원자로 인해 전자 밀도가 높아져 전기 전도도가 상승했다.

이현정 교수는 “다공성 구조의 그래핀 필름은 효율적 열 전도도의 감소로 열전 성능을 향상시켰으며, 공정 과정도 열처리로 간편화하여 웨어러블 디바이스 에너지 소자 등으로 폭넓은 응용이 용이해졌다”라며 “해당 재료를 이용해 향후 웨어러블 소형 발전기 제작을 목표로 추진하고 있다”고 덧붙였다.

미래창조과학부·한국연구재단 기본연구사업 및 선도연구센터지원사업의 지원을 통해 거둔 이번 연구 성과는 미국 화학회의 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’지 온라인에 지난 2016년 10월 24일에 게재되었다.

질소가 다량으로 포함된 고분자 콜로이드 입자와 산화그래핀을 이용하여 필름 형태로 제작 후 열처리를 함으로써, 다공성 구조로 인한 열전도도의 감소를 유도함과 동시에 질소원자의 치환으로 인해 전자의 농도를 증가시켜 전기적 특성을 향상시켜 열을 전기로 바꾸는 에너지 소자의 특성을 향상시켰다.

★ 연구 이야기 ★

이현정 교수

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 웨어러블 디바이스의 등장과 함께 배터리 문제가 지속적으로 증가하고 있는 상황이다. 이러한 관점에서 열-전기(thermoelectrics) 에너지 발전 연구는 많은 주목을 받고 있다. 하지만 기존 열-전기 에너지 변환 소재는 무기 재료 기반으로써 비용적인 측면과 높은 밀도로 인해 웨어러블 디바이스에 응용하기에는 한계점이 있다. 이를 보완하기 위해 전기적 특성이 우수하고 가볍게 제작할 수 있는 탄소 소재를 이용한 연구가 필요하다고 판단하여 연구를 시작하게 되었다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 그래핀의 경우 ‘꿈의 소재’로 알려져 전기적 특성이 우수한 것으로 알려져 있지만, 또한 열전도도도 우수하여 열-전기 에너지 변환 소재로써 한계점이 보였다. 이를 극복하기 위해 다공성 구조로 제작을 하면 열전도도를 감소시킬 수 있다고 판단해, 콜로이드 입자와 산화 그래핀을 통해 다공성 구조의 필름을 제작했다. 또한 콜로이드 입자 표면에 질소원자를 가지고 있는 양전하 고분자 입자를 제작함으로써 환원시키는 과정을 통해 질소 원자가 치환되어 전자의 농도를 증가시키는 영향을 보여주었다. 따라서 열전도도 감소와 전기적 특성 향상을 통해 기존 그래핀 필름에 비해 약 1,200배 향상된 필름을 제작할 수 있었다.
 
Q. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지. 어떻게 극복(해결)했는지.
A. 아직까지는 열전소자의 특성을 측정할 수 있는 장비가 국내에서 매우 제한적이기 때문에, 여러 가지 물성을 바로바로 측정하는데 어려움이 있었다. 국내 여러 기관을 방문해 측정했지만, 샘플의 보관 및 측정방법의 변형 등에 많은 제한이 있어 노력과 시간이 많이 투자되었다. 따라서 이에 대한 꾸준한 연구비 투자가 필요하다고 생각된다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 산화 그래핀과 고분자 입자를 이용하여 단순 열처리 공정을 통해 다공성 구조를 제작함과 동시에, 기존의 도핑방법이 아니라 단순한 고분자입자와의 열처리방법을 통해 그래핀 소재의 전자의 농도를 조절할 수 있었다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은.
A. 본 연구를 토대로 탄소 기반의 열-전기 에너지 변환 소재에 대한 가능성을 이용하여 실제 온도차를 통해 전기에너지로 변환시킬 수 있는 웨어러블 소형 발전기를 제작하는 목표를 가지고 있다.

하수급인이 토목 및 조경공사를 할 수 있는지

[질의]
154㎸ TL공사(가공송전설비공사)를 전기공사업체에게 하도급주려고 하는데, 하수급자가 부대 공사인 토목 및 조경 공사를 수행할 수 있는지 여부 및 불가할 경우 건설업자에게 재하도급을 주어야 하는지
[회신]
전기공사업법 제2조제1호에서 ‘전기공사’란 전기사업법 제2조제14호의 규정에 의한 전기설비, 전력사용 장소에서 전력을 이용하기 위한 전기계장설비, 전기에 의한 신호표지 등을 설치·유지·보수하는 공사 및 이에 따른 부대공사로써 대통령령이 정하는 것으로 정의하고 있습니다.
부대공사는 주된 공사를 시공하기 위해 필요하게 되는 공사를 의미하는 것으로 단순히 공종별 공사의 금액으로 구분하는 것이 아니며 당해 공사가 여기에 해당하는 지의 여부는 전체 목적물의 안전에 지장이 없고, 전기공사업자가 시공관리 가능한 것으로 시공기술상의 특성, 작업방법, 시공의 종속성 등 현지의 여건을 종합적으로 검토하여 발주자가 판단해야 할 사항으로 생각됩니다. 이에 따라 당해 공사가 전기공사의 부대공사에 해당하지 않는다고 판단되는 경우에는 전기공사업법 제11조의 규정에 따라 전기공사와 다른 업종의 공사는 분리·발주해야 할 것입니다.
귀 질의의 경우 토목 및 조경공종이 전기공사의 부대공사에 해당한다면 전기공사업법시행령 제10조에서 정하는 요건을 충족한 경우에 한해 도급받은 전체 전기공사 중 일부 공정을 전기공사업자인 하수급인이 시공할 수 있으며, 조경공종 및 토목공종을 전기공사업자가 아닌 자에게 하도급 또는 재하도급 줄 수는 없습니다.

하도급 공종 관련

[질의]
풍력발전시설 공사 중 풍력발전기 타워 및 블레이드, 발전기 등을 하도급 할 경우 전기공사업자에게 해야 하는지 아니면 강구조물 또는 철강재 설치공사업자에게 해야 하는지 여부
[회신]
전기공사업법 제2조, 같은 법 시행령 제2조 및 별표1에 따라 발전설비공사는 전기공사에 해당하며, 동시행령 별표3의2에서도 전기공사의 종류별 하자담보 책임기간 중 발전설비를 위한 철근콘크리트 또는 철골구조부는 발전설비공사에 포함해 7년의 하자담보책임기간을 규정하고 있습니다. 따라서 풍력을 이용하여 전원을 발생시킬 목적으로 시행하는 발전시설 설치는 전기공사에 해당하는 바, 이에 필요한 철탑을 설치하는 공사 및 부수적으로 시행하는 철탑기초공사도 전기공사업을 등록한 자가 시공해야 할 것으로 판단됩니다.
또한, 전기공사의 하도급은 도급받은 전기공사를 다른 공사업자에게 하도급 주는 것을 말하므로 도급받은 전기공사중 공정별로 분리하여 시공해도 전체 전기공사의 완성에 지장을 주지 않는 일부 공정을 하도급주고자 하는 경우 하수급인 역시 전기공사업을 등록한 자이어야 합니다. 이 때 도급 받은 전기공사 중 공정별로 분리해 시공할 경우 전체 전기공사 완성에 지장을 주지 않는 부분인지의 여부는 공사의 특성, 목적, 기타 현장의 여건 및 책임한계 등을 고려해 발주자가 판단할 사항으로 생각됩니다.
또한, 위 같은 법 제14조제1항에서 명시하고 있는 ‘다른 공사업자’란 같은 법 제2조제3호에서 규정하고 있는 바와 같이 ‘전기공사업을 등록한 자’를 말합니다.

하도급계약 적정성 여부

[질의]
현장에 관급자재 설치 시 납품업체가 전기공사 면허가 없어 기존 시공업체(원청)에 일부 공사를 하도급주려고 하는데 가능한지의 여부
[회신]
전기공사업법 제3조에 의하면 전기공사는 공사업자가 아니면 도급받거나 시공할 수 없도록 하고 다만, 같은 법 시행령 제5조에서 규정하고 있는 경미한 전기공사의 경우에는 예외로 규정하고 있습니다.
따라서 전기기자재를 납품하는 자가 전기공사업을 등록하지 않는 자에 해당하는 경우에는 위에서 말한 경미한 전기공사를 제외한 전기 기자재를 설치할 수 없을 것입니다.
아울러, 현재 전기공사를 시공하고 있는 공사업자가 전기기자재의 설치공사를 해야 하는지, 아니면 새로운 전기공사업체를 선정해야 하는지의 선택은 최적의 시공을 위하여 공사 현장이나 시공의 특성 등을 고려한 후 발주자가 판단해야 할 것으로 생각됩니다.

전기공사 하도급 계약 변경 시 통보

[질의]
하도급 변경계약을 할 경우 발주자에게 변경계약에 대한 통보를 해야 되는지
[회신]
전기공사업법 제14조제3항에 따라 전기공사를 하도급주려면 미리 해당 전기공사의 발주자에게 서면으로 통지하여야 합니다. 또한, 같은 법 제15조제1항에 따라 전기공사의 하도급통지를 받은 발주자는 하수급인이 해당 전기공사를 하는 것이 부적당하다고 인정되는 경우 그 사유를 명시하여 하수급인을 변경할 수 있습니다.
이 조항에서 규정하고 있는 ‘해당 전기공사를 하는 것이 부적당하다고 인정되는 경우’란 하수급인의 기술능력, 시공능력, 경영상태, 신인도, 기타 하도급 계약금액의 적정성 등을 고려하여 하도급공정을 이행할 수 있는지 여부를 판단한 후 해당 전기공사를 하는 것이 적당하지 못하다고 인정되는 경우를 의미한다 할 것입니다.
따라서 전기공사업법에서 규정하고 있는 하도급통지의 규정에 대한 취지를 고려할 때, 하도급 통지 이후 하도급계약이 변경된 경우에도 그 변경된 내용을 알리는 것이 입법 목적에 부합할 것으로 판단됩니다.

한국전기공사협회 www.keca.or.kr