KERI, 마이크로파 가열 방식 바이오디젤 고속합성 핵심기술 국내 최초 개발
고효율 마이크로파 가열식 고속합성장치로 합성해낸 바이오디젤 샘플을 들고 있는 정순신 박사(왼쪽)와 김대호 박사(오른쪽)
기존 가열 방식
마이크로파 가열 방식
한국전기연구원(이하 ‘KERI’) 의료IT융합연구본부 정순신·김대호 박사팀이 개발한 고효율 마이크로파(microwave) 가열 방식 바이오디젤 고속합성 기술은 물질 내부를 직접 가열하여 합성 반응을 가속화시키는 특징을 갖고 있다. 이 기술은 종래 기술인 보일러 가열 방식에 비해 약 10배 빠르고 약 1/2 에너지만을 사용하여 연속적으로 대두유, 유채유, 야자유 등 식물성 기름을 바이오디젤로 전환할 수 있는 새로운 녹색 융합기술이다. 이 기술은 증류(distillation) 공정 전 전환율을 95% 이상 얻을 수 있을 뿐만 아니라 에너지소비량 저감에 의한 에너지비용 절감효과와 반응속도 향상에 의한 반응기 소형화를 통해 바이오디젤의 핵심이슈인 바이오디젤 생산원가(원료비 제외)를 낮추는데 일조할 것으로 기대된다.
연구팀은 이와 관련해 4건의 특허를 출원했다고 밝혔다.
이번에 개발된 바이오디젤 고속합성기술은 마이크로파 가열의 고속반응 특성을 활용하여 배치식(batch) 반응기술뿐만 아니라 원료 투입과 바이오디젤 합성이 연속적으로 일어나는 연속식 반응기술까지 아우른다.
또한 마이크로파 가열의 원격제어 프로그램을 개발하여 마이크로파 전력뿐만 아니라 마이크로파 에너지를 실시간으로 모니터링 및 제어함으로써 반응조건을 정밀하게 원격제어하는 기술을 확보하였다. 이와 더불어 전자기파(electromagnetic wave) 및 유체유동, 열, 화학반응을 포함하는 3차원 다중물리(multi-physics) 모델링을 이용하여 세계 최초로 마이크로파 가열에 의한 합성 반응에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 확보하였다. 이것은 마이크로파 가열 방식 합성 반응기의 최적 설계가 고정밀 시뮬레이션을 통해 가능해지고, 마이크로파 합성 반응기를 대형화할 수 있는 독자적인 핵심 기반기술을 확보했다는데 의의가 크다.
지난 2008년 30kW급 산업용 고출력 마그네트론 발진기 개발에 성공한 KERI는 이번에 고효율 마이크로파 가열 방식 바이오디젤 고속합성 기술까지 확보하게 됨으로써 고출력·고효율 마이크로파 기술의 전문연구기관으로서 위상을 확고히 할 것으로 기대된다.
한편, 한국전기연구원은 이번에 확보한 고효율 마이크로파 가열 방식 바이오디젤 고속합성 핵심기술을 활용하여 차세대 비식용 원료 기반의 바이오디젤 생산을 위한 저품위 비식용 원료의 고속 전처리기술까지 확보할 예정이다. 아울러, 마이크로파 가열 방식 고속합성 핵심기술을 이용하여 나노입자(nano-particle)의 고속 대량 생산기술로 발전시켜, 나노의료(nano-medicine) 분야의 나노조영제(nano-agent)·나노프로브(nano-probe), 바이오센서(bio-sensor) 분야의 나노입자, 인쇄전자(printed electronics) 분야의 나노잉크(nano-ink) 핵심기술을 개발해나갈 계획이다.
<보충설명>
*바이오디젤 : 바이오디젤(biodiesel)은 동·식물 등 바이오매스(biomass)로부터 만들어내는 바이오연료(biofuel) 중의 하나로서 경유를 대체할 수 있는 대표적인 신재생에너지이다. 바이오디젤은 녹색에너지(green energy)로서 기후변화 대응뿐만 아니라 대기오염 저감, 에너지안보 강화 등 여러 가지 효과를 기대할 수 있다. 우리나라도 2006년 7월부터 바이오디젤의 상용화를 시작하였으며, 2010년에는 경유의 2%(약 3억6천만 리터, 약 5천억 원)를 보급하게 된다. 따라서 올해부터 주유소에서 경유자동차에 경유를 넣으면 그 중 약 2%가 바이오디젤이다.
*마이크로파 : 마이크로파(microwave)는 라디오파와 적외선 사이의 파장을 가진 전자기파(electromagnetic wave)로 파장이 1㎜와 1m 사이(라디오파보다는 작고 적외선보다는 큰 파장)이다.
주파수는 300MHz～300GHz 이며 이동통신, 전자레인지를 비롯해 대형식품 조리·해동, 자외선광원, 입자가속기, 레이더 등에 사용되고 있으며, 나노물질 합성, 신약 합성, 바이오디젤 합성, 다이아몬드 코팅, 폐타이어 자원화, 무선전력전송 등 다양한 분야에도 적용할 수 있다.
전자레인지 등에 사용되는 마이크로파는 마그네트론이라고 하는 마이크로파 발진기(일종의 진공관)에 의해 발생되는데, KERI는 지난 2008년 연속출력 30kW, 효율 약 80%의 고출력·고효율 마그네트론 발진기 기술을 개발하는데 성공한 바 있다.
*일반적인 바디오디젤 합성 과정 : 일반적으로 바이오디젤을 만들기 위해서는 식물유와 알코올, 그리고 촉매가 필요하다. 식물유, 알코올, 촉매를 적당한 비율로 섞은 후 약 65℃ 온도에서 잘 저어주면서 일정 시간을 가열하면 바이오디젤과 글리세린이 만들어진다. 바이오디젤과 글리세린은 서로 섞이지 않아 일정 시간이 흐르면 층분리가 일어나는데 이후 글리세린을 빼내면 바이오디젤이 남는다. 물론 실제 바이오디젤 생산에서는 알코올의 분리·회수, 바이오디젤의 정제, 글리세린의 정제, 증류 등의 여러 가지 공정이 필요하다.
기존 가열 방식에서는 보일러 가열 등을 사용하는데, 이 경우 열이 반응기 외부에서 반응물로 전도되면서 반응물이 가열되는 반면, 마이크로파 가열 방식에서는 마이크로파가 반응물 내부로 직접 침투하여 반응물 분자를 진동시킴으로써 반응물을 고효율로 가열하게 된다. 마이크로파 가열 방식을 사용할 경우 반응에 따라서는 기존 가열 방식에 비해 반응속도가 최대 수천 배까지 빨라지는 새롭고 흥미로운 현상들이 보고되고 있다.
한국전기연구원 개요
한국전기연구원(KERI)은 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 1976년 국가공인시험기관으로서 첫 출발한 이후 2017년 기관평가에서 우수 등급을 획득하는 등 최고 수준의 전기전문연구기관이자 과학기술계 대표 정부출연연구기관으로 성장했다. 현재 경남 창원에 소재한 본원 외에 2개의 분원(안산, 의왕)이 있으며, 전체 직원수는 620여명에 달한다. KERI는 실현 가능하면서도 대규모 파급효과가 기대되는 연구과제를 집중 선정하여 국가사회에 기여하는 대형 성과창출을 위해 연구개발에 매진하고 있다. 주요 업무분야는 차세대전력망 및 신재생에너지, 초고압직류송전(HVDC), 전기추진 및 산업응용 기술, 나노신소재 및 배터리, 전기기술 기반 융합형 의료기기, 중전기기 시험인증 등이 있다.
웹사이트: http://www.keri.re.kr
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