비대면 서비스 로봇을 위한, 문어 다리 닮은 흡착형 만능 그리퍼 개발 - 하나의 단순한 흡착 그리퍼로 다양한 형상 물체 파지 가능 - - 아침준비, 서예에 백신접종까지 로봇으로 일상생활 속의 복잡한 작업들 구현 - 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 문어 다리를 닮은 흡착형 만능 로봇 그리퍼를 개발했다. 산업 현장에 널리 쓰이고 있는 진공 흡착 그리퍼 기술을 한 단계 끌어올린 새로운 흡착 그리퍼 기술로, 단순한 흡착 그리퍼 하나만으로도 아침 준비, 서예, 망치질, 백신 접종까지 일상생활 속의 복잡한 작업이 가능해 비대면 서비스를 구현하기 위한 핵심 로봇 기술이 될 것으로 기대된다. ▲ 문어 모사 흡착형 만능 그리퍼 시연 한국기계연구원 로봇메카트로닉스연구실이 흡입형 만능 그리퍼를 이용해 아침 식사 준비에 필요한 다양한 작업을 구현하고 있다. 가스렌지 손잡이 돌려 불 켜기, 시리얼 컵을 파지한 후 시리얼 디스펜서 돌려 시리얼 받기, 좁은 손잡이의 컵을 파지하여 옮긴 후 무거운 주전자 손잡이를 잡아서 뜨거운 물 붓기, 뒤집개로 호떡 굽기 등의 작업을 하나의 그리퍼로 구현할 수 있었다. ▲ 문어 모사 흡착형 만능 그리퍼 시연 한국기계연구원 로봇메카트로닉스연구실이 흡입형 만능 그리퍼를 이용해 서예에 필요한 다양한 작업들을 구현하고 있다. 무겁고 복잡한 형상의 벼루 뚜껑을 파지하여 열기, 손잡이 면적이 좁아 파지하기 힘든 먹물 통을 파지하여 먹물 붓기, 형상이 복잡한 붓을 잡아서 흔들리지 않고 글씨 쓰기, 그리고 커터칼을 안정적으로 잡아서 종이 절단까지 하나의 그리퍼로 구현하였다.  ▲ 문어 모사 흡착형 만능 그리퍼 변형 형상 (사진1) 문어 다리가 물체를 감싸안은 후 빨판이 물체의 세부적인 형상과 일치하도록 변형하는 것처럼 (사진2) 개발된 그리퍼도 물체를 감싸안는 형상으로 변형된 후 벌집 구조 내의 육각형의 유연 구멍들이 문어 빨판처럼 세부 형상과 일치하도록 변형되어 흡착된다. 만능 흡착 그리퍼가 형상이 실제 사람 손을 파지한 상태와(사진3) 그리퍼를 때어낸 직후 자국(사진4). 손의 복잡한 굴곡에도 불구하고 모든 면에 대해 안정적인 흡착을 구현하고, 따라서 문어 빨판에 붙었을 때처럼 흡입구 구멍 하나하나가 선명하게 나타나 있다. 기계연 첨단생산장비연구부 로봇메카트로닉스연구실 송성혁 선임연구원 연구팀은 기존의 진공 흡착 그리퍼가 파지하기 힘든 복잡한 형상의 물건까지 안정적으로 파지할 수 있는 흡착형 만능 그리퍼를 개발했다. 이번에 개발한 그리퍼는 다양한 사물을 파지한 다음 위치를 단단하게 고정할 수 있어 파지한 사물로 일상생활 속 다양한 작업을 할 수 있다. 흡착형 만능 그리퍼는 문어가 다리와 빨판을 동시에 이용하여 다양한 사물을 잘 잡는 것에서 착안하여 개발됐다. 문어가 물체를 잡기 위해 가장 먼저 다리로 물체를 휘감듯이, 그리퍼가 물체에 닿을 때 물체를 감싸 안도록 설계됐다. 연구팀은 이를 구현하기 위해 유연한 그리퍼 표면에 미세 와이어 구조를 나란히 배치하여 물체가 미세 와이어를 누르기 시작하면 그리퍼 구조가 물체 방향으로 오므라들게 했다. 또한, 문어의 빨판이 물체의 세부적인 형상대로 바뀌어 안정적으로 흡착하듯, 물체를 감싸 안은 상태에서 그리퍼 표면의 유연한 구멍이 물체의 세부 형상에 따라 변화해 밀착한 후 강하게 흡착하도록 했다. 유연한 구멍은 벌집 형상의 부드러운 구조로 이뤄져 표면이 심하게 굴곡진 물체도 그에 맞춰 효과적으로 밀착할 수 있다. 이번에 개발한 흡착 만능 그리퍼의 외곽 구조는 실시간으로 단단하거나 말랑하게 바꿀 수 있는데 이는 문어가 다리를 단단하거나 말랑하게 바꾸는 것에서 착안했다. 송성혁 선임연구원은 “사물을 파지한 후 그리퍼의 외곽 구조가 딱딱하게 굳어지면서 물체의 위치가 고정되기 때문에 파지한 사물로 다양한 일상 작업이 가능하다”고 설명했다. 연구팀은 이 흡착형 만능 그리퍼를 이용해 일상생활 속 사물을 단순히 파지하는 것에 그치지 않고 다양한 비대면 서비스까지 가능한 것을 확인했다. 아침 식사를 준비하는 과정에서 뒤집개를 잡아 호떡을 뒤집으면서 굽거나, 서예를 위한 벼루, 먹물, 화선지, 붓과 같은 사물을 다루며 붓글씨를 쓰는 동작도 가능하다. 백신 접종 시 필요한 백신 바이알이나 주사를 다루는 등 다양한 동작에도 성공했다. 박찬훈 로봇메카트로닉스연구실장은 “개발된 흡착형 만능 그리퍼는 모터나 복잡한 기구 메커니즘 없이 단순한 흡착만으로 복잡한 작업까지 수행할 수 있는 세계 최초 기술”이라며 “향후 다양한 상황에서 다양한 사물을 효과적으로 다루어야 하는 비대면 서비스 로봇 개발에 큰 역할을 할 것으로 기대한다”고 말했다. 한편 이번 연구는 기계연 기본사업 ‘올인원 로봇 작업 시스템을 위한 스마트 엔드 이펙터’ 과제의 지원을 받아서 수행됐다.   ▲ 문어 모사 흡착형 만능 그리퍼 변형 형상 (왼쪽) 한국기계연구원 첨단생산장비연구부 로봇메카트로닉스연구실 송성혁 선임연구원 (오른쪽) 한국기계연구원 첨단생산장비연구부 로봇메카트로닉스연구실 송성혁 선임연구원이 흡착형 그리퍼를 시연하고 있다. ▲ 문어 모사 흡착형 만능 그리퍼 연구팀  한국기계연구원 첨단생산장비연구부 로봇메카트로닉스연구실 송성혁 선임연구원 연구팀은 문어 다리의 빨판 원리를 이용한 흡착형 그리퍼를 개발했다. (왼쪽부터 이재영 학생연구원, 박정애 선임연구원, 박찬훈 로봇메카트로닉스연구실장, 송성혁 선임연구원, 박종우 선임연구원, 한병길 선임연구원, 서용신 학생연구원)

원전 사고 환경에도 끄떡없도록! 원전기기 안전성 검증 설비 구축 - 기계연 원전기기검증연구단, 다양한 원전사고 대비 원전기기 성능 검증장비 개발 - - 국내 최고 사양 원전 설계기준사고 및 중대사고 모사 설비 구축 - 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 원자력발전소의 다양한 사고 환경에 맞춰 원전기기의 안전성을 검증할 수 있는 국내 최고 사양의 시험설비를 구축했다. 국내 관련 기업의 경쟁력을 강화하고 안전한 원자력 에너지 확보에 기여할 것으로 기대된다. 기계연 부산기계기술연구센터 원전기기검증연구단 김대환 단장 연구팀은 국내 최고 사양의 원전 설계기준사고 환경모사 시험설비 및 국내 최초의 원전 중대사고 환경모사 시험설비를 구축했다. 국내 관련 기업들이 앞으로 강화되는 원자력안전규제에 대응하는데 적극 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 국제 시장에서 우리 원전 기술의 경쟁력을 높이는 데에도 큰 도움이 될 전망이다. 원전 설계기준사고 환경모사 시험설비는 원전의 대표적인 설계기준사고로 꼽히는 LOCA(Loss of Coolant Accident, 냉각재상실사고), MSLB(Main Steam Line Break, 주증기관파단) 및 HELB(High Energy Line Break, 고에너지배관파단) 등이 발생했을 때 원전 기기의 안전기능을 시험할 수 있는 설비이다. ▲한국기계연구원 부산기계기술연구센터 원전기기검증연구단은 원전 설계기준사고를 모사할 수 있는 국내 최고 사양의 시험설비를 신규 구축하고, 공인시험 수행을 위한 등록절차를 완료했다. 또한, 원전 중대사고 환경에서 기기의 기능을 평가할 수 있는 모사시험 설비도 구축했다. 원전 중대사고란 수소연소를 동반한 사고와 같이 설계기준사고를 초과하는 가혹한 사고를 통칭하는 개념이다. ▲한국기계연구원 부산기계기술연구센터 원전기기검증연구단은 국내 최초로 원전 중대사고 환경에서 기기생존성을 평가할 수 잇는 기술을 개발했다. 원전 사고 환경모사 시험설비는 원전기기를 화학살수가 동반되는 200℃, 600kPa 이상의 환경 혹은 순간적으로 630℃까지 상승하는 고온/고압 환경 등에서 평가하기 위하여 일반 환경 시험설비와 달리 온도와 압력 등의 환경을 큰 폭으로 변동시킬 수 있어야 한다. 이를 위한 빠른 제어 성능도 필수적이다. 연구팀은 국내 원전기기 검증 및 국산화 선도 경험 그리고 다양한 열유체분야 연구를 바탕으로 새로운 설계를 적용한 시험설비 개발에 성공했다. 김대환 선임연구원은 “원전기기는 다양한 사고 환경에서도 주어진 기능을 수행할 수 있어야 하고, 이를 실증할 수 있는 사고환경 모사 기술은 원전기기 검증기술의 핵심”이라며 “세계적으로도 엄격한 국내 원전 안전규제를 만족시킬 수 있는 검증기술을 지속적으로 개발하고, 이를 국내 기업들이 활용할 수 있도록 지원하여 국제 시장에서 한국 원전의 경쟁력을 높이는데 기여하겠다”고 말했다. 한편 이번 연구는 산업통상자원부 전력표준화 및 인증지원사업 ‘원전 부품·설비 검증체계 개선 기술개발’사업, 기계연 기본사업 ‘원전 중대사고 대처설비 기기생존성 평가기술 개발’ 사업과 부산광역시 원자력안전과의 지원을 받아 수행됐다.

- 기계연 나노역학장비연구실 신축성 뱀 비늘형 배터리 개발 - - '소프트 로보틱스 저널' 온라인 게재 - ▲ 한국기계연구원 나노역학장비연구실 장봉균 박사가 신축성 뱀 비늘형 배터리를 제작하기 위한 전극 구조의 상태를 확인하고 있다. 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 뱀처럼 부드럽게 휘어지면서 늘어나는 유연 신축 배터리를 개발했다. 소프트 로봇부터 웨어러블기기까지 다양한 형태의 기기에 적용해 에너지 저장 소자나 재난 환경 등 다양한 목적으로 활용될 것으로 기대된다. 기계연 나노역학장비연구실 장봉균 선임연구원, 현승민 책임연구원 연구팀은 뱀의 비늘 구조에 착안해 안전성과 유연성을 갖는 신축성 배터리 구조를 개발하고 연구성과를 소프트 로봇 분야의 권위있는 저널 ‘소프트 로보틱스’ 온라인에 8월 16일 발표했다. * 논문제목: Bioinspired, Shape-Morphing Scale Battery for Untethered Soft Robots (무선 소프트로봇에 적용하기 위한, 형상이 변화할 수 있는 자연모사에 기반한 비늘 형태의 배터리)   ▲ 한국기계연구원 나노역학장비연구실 장봉균/현승민 박사 연구팀은 뱀의 비늘 구조에서 비늘과 유연한 관절부를 모사해 높은 안전성과 신축성을 갖는 뱀 비늘형 배터리를 개발했다. 배터리를 확대해보면, 육각형 모양의 배터리와 유연한 전기적 연결부로 이루어져 있다. 유연 연결부가 접혔다 폈다하면서 신축성을 갖는 구조를 확인할 수 있다. 소설 ‘어린왕자’에 묘사된 코끼리를 삼킨 보아뱀과 같이 뱀의 비늘은 하나하나는 단단하면서도 서로 접혀 외부 충격을 방어할 수 있을 뿐만 아니라 유연하게 움직이면서 높은 신축성을 구현하는 구조적 특성을 갖는다. 연구팀은 뱀의 비늘 구조를 모사한 기계적인 구조체를 제작하여 원하는 방향으로 쉽게 늘어나면서도 높은 안전성과 성능을 확보한 배터리를 개발했다. 제품 본체와 배터리가 단단하게 결합한 기존 웨어러블 기기와 달리, 여러 개의 작고 단단한 배터리를 마치 비늘 같은 구조로 연결하여 유연하게 움직일 수 있는 것이 특징이다.   ▲ 한국기계연구원 나노역학장비연구실 장봉균/현승민 박사 연구팀이 개발한 유연 신축 배터리를 뱀과 같이 유연한 관절을 갖는 소프트 로봇에 적용시켜, 유연한 움직임을 관찰하고 있다.  기어가거나 구불구불하게 이동하는 여러 형태의 로봇에 부착하여 그 움직임에 맞춰 변형 하면서 동시에 무선 로봇 구동을 위한 전력을 제공할 수 있다. 동시에 안전성을 구현하기 위해 배터리 내부 전지 소재의 변형을 최소화하는 구조를 적용하고 작은 크기의 배터리에 높은 충전 용량을 구현하기 위해 개별 배터리의 형상도 최적화했다. 이번 성과의 핵심은 배터리 셀과 연결부의 형상을 설계하는 데 있다. 리튬 폴리머로 비늘 한 조각과 같은 육각형의 작은 배터리 셀을 제작하고, 이를 폴리머와 구리로 만든 연결부로 경첩처럼 접었다 폈다 하도록 연결했다. 이와 함께, 종이접기에서 착안한 제조 공정으로 유연 전극을 자르고 접는 방식으로 만들 수 있기 때문에 경제적으로 대량 생산할 수 있다는 것도 장점이다. 이를 활용하면 부드럽고 유연한 에너지 저장소자가 필요한 인체 착용형 소프트 로봇이나 몸이 불편한 노약자를 보조할 수 있는 재활 의료기기의 에너지 저장 소자로 활용할 수 있다. 또한, 장애물이 있는 좁은 공간도 자유롭게 이동할 수 있는 신축 및 변형 가능한 특성을 살려 재난이 발생한 공간에서 구조에 도움이 되는 재난 로봇의 전력 공급 장치로도 활용할 수 있을 것으로 기대된다. ▲ 한국기계연구원 나노역학장비연구실 장봉균/현승민 박사 연구팀이 개발한 신축성 뱀 비늘형 배터리를 사람의 팔과 손에 착용한 모습. 인체의 형태에 밀착시킬 수 있을 뿐만 아니라 그 움직임에 맞춰 자유롭게 변형할 수 있다. 연구팀은 향후 소프트 에너지 저장 소자의 저장 용량을 증가시킬 수 있는 기술을 개발하고, 인공 근육 및 소프트 로봇 구동 기술과의 결합을 통하여 활용도가 높은 소프트 로봇을 개발할 전망이다. 장봉균 선임연구원은 “뱀 비늘의 구조에 착안해 유연하고 신축성있는 특성을 살리면서도 안전성을 갖춘 배터리를 개발한 것”이라며 “앞으로 국민의 건강과 안전에 도움이 될 수 있는 재활 의료 및 재난 구조에 활용 될 수 있도록 후속 연구개발에 매진하겠다”고 말했다. 한편 이번 연구는 기계연 기본사업 ‘나노기반 옴니텍스(Omni-Tex) 제조 기술 개발’과 과학기술정보통신부 지원 ‘글로벌프론티어 파동에너지극한제어연구단’, 산업통상자원부 ‘알키미스트 사업’의 지원을 받아 수행됐다.

- 기계연 나노공정장비연구실 리포솜 대량생산 위한 미세유로칩 개발 성공 - - 차세대 의약품, 기능성 화장품 생산에 꼭 필요한 리포솜의 균일 대량 생산 청신호 - 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 백신이나 단백질 의약품, 기능성 식품 및 화장품 등의 핵심 원료인 리포솜과 같은 지질나노입자를 균일하게 대량으로 제조할 수 있는 미세유로 칩 양산 기술 개발에 성공했다. ▲ 한국기계연구원 유영은 책임연구원 연구팀 및 연구소 기업 ㈜네오나노텍에서 개발한 리포솜 대량 제조를 위한 미세유로 칩 기계연 나노공정장비연구실 유영은 책임연구원 연구팀은 대량생산이 용이한 플라스틱 소재를 이용한 미세유로 칩을 설계하고, 이를 제조할 수 있는 사출 성형과 패키징 기술을 개발해 지금까지 연구용으로만 쓰이던 미세유로 칩의 실용화를 앞당겼다. 이번에 개발된 미세유로 칩은 1만 개 이상의 미세한 유로에서 리포솜을 대량으로 제조할 수 있다. 지질나노입자인 리포솜은 기능성 화장품이나 식품, 백신, 단백질 의약품 등의 핵심 원료로 쓰인다. 차세대 의약품이나 기능성 식품, 화장품을 개발하기 위해서는 핵심 원료인 핵산이나 노화 방지 물질 등의 다양한 활성 물질을 외부 환경으로부터 보호하고, 손실 없이 세포 내부 등 필요한 곳으로 효율적으로 전달해야 한다. 이런 전달체로 지질나노입자가 쓰이는데, 지질나노입자를 적용하는 제품에 따라 수십~수백 나노미터의 미세한 크기로 균일하게 제조하는 것이 중요하다. 리포솜은 이런 지질나노입자 중 주목받는 하나다. 일반적으로 리포솜을 대량으로 얻기 위해서는 수용액에 혼합된 지질 액적을 초음파로 분쇄하거나 고압으로 유로를 통과시키며 분쇄하는 방식을 쓰고 있다. 하지만 새로운 약효나 기능성을 발견하기 위해 더 작은 크기의 리포솜을 균일하게 제조하려는 노력이 지속되고 있다. 이를 해결하기 위해 리포솜을 수십 나노 크기까지 매우 작고 균일하게 제조할 수 있는 미세유로를 이용한 연구가 진행되고 있지만, 생산성이 매우 낮아 실용화에 어려움을 겪고 있다. 기계연 연구팀은 미세구조 설계와 성형 및 패키징 기술을 바탕으로 플라스틱 칩 위에 1만 개 이상의 미세유로를 형성하고, 지질 용액과 친수성 용액을 통과시키며 혼합하는 방식으로 수십 ~ 수백 나노미터 크기의 리포솜을 균일하게 대량으로 제조하는 데 성공했다.  ▲ 한국기계연구원 유영은 책임연구원 연구팀과 연구소 기업 ㈜네오나노텍이 개발한 리포솜 제조 장비 연구팀은 핵심기술을 연구소기업 ㈜네오나노텍*에 기술이전하고, 연구개발용 장비 상용화에 성공했다. *www.neonanotech.com 유영은 책임연구원은 “이번 성과로 백신 등 차세대 의약품, 기능성 식품 및 화장품 등의 핵심 원료인 균일한 지질나노입자의 양산화와 차세대 현장형 진단 기술의 실용화에 기여할 수 있을 것”이라며 “앞으로 상용화 수준의 미세유로 칩 설계 및 제조 기술을 지속 개발하여 제약과 식품, 화장품 및 진단 산업에서의 소재, 부품 및 제조 솔루션을 제공할 수 있도록 노력하겠다”고 말했다. 한편 이번 과제는 기계연 기본사업 ‘나노기반 유해물질 검출진단 소자 플랫폼 기술 개발’과 기계연 ACE 사업(중소기업) ‘나노리포솜 대량 제조를 위한 미세유로소자 및 장비 개발’ 사업의 지원을 받아 수행됐다.

- 수소 기술 세계적 석학부터 글로벌 기업까지 각계가 제시하는 수소 기술의 미래 전망 눈길 - - 기계연, 2021 글로벌 기계기술 포럼 9월 8일(수) 온라인 개최 - 세계적인 감염병 확산과 이상기후 현상으로 탄소중립에 관한 관심이 커지고 있는 가운데 탄소중립 사회 구현을 위한 수소 기계기술의 미래를 조망하는 ‘2021 글로벌 기계기술 포럼’이 열린다. 수소 기술 분야의 세계적 석학을 비롯해 글로벌 수소전문기업인, 국내 수소경제 생태계를 선도하는 기업까지 각계각층의 연사가 참여해 입체적인 미래전망을 제시할 것으로 더욱 관심을 모은다. 한국기계연구원(이하 기계연, 원장 박상진)은 ‘탄소중립의 기반, 수소 기계기술’을 주제로 9월 8일(수) 2021 글로벌 기계기술 포럼(2021 Global Forum on Mechanical Engineering)’을 온라인 개최한다. 과학기술정보통신부와 국가과학기술연구회의 후원으로 한국기계연구원과 국회 더불어민주당 이상민 의원, 조승래 의원, 국민의힘 김영식 의원이 공동 주최하는 이번 포럼은 탄소중립 달성의 핵심으로 꼽히는 수소 기계기술의 미래를 입체적으로 전망하는 자리로 마련된다. 기조연설에는 독일 율리히 연구소 산하 기술경제시스템분과 데틀레프 스톨튼 소장(아헨대학교 교수)이 연설자로 나선다. 국제에너지기구(IEA, International Energy Agency) 연료전지 분과위원장을 역임한 수소경제 분야의 세계적 석학인 스톨튼 교수는 이번 기조연설에서 ‘수소기술: 탄소 중립 사회로의 전환’을 주제로 연설한다. 수소기술 분야의 글로벌 선두기업 린데 수소연료기술 유한회사의 마커스 바흐마이어 국장을 비롯해 현대자동차 연료전지사업부 김세훈 부사장, 노르웨이 빌헬름센 해운그룹 토피카 유한회사의 슈타이너 매드센 CEO도 연사로 참여한다. 기계연은 최병일 플랜트융합연구실장이 연사로 나서 기계연의 액화수소 기반 수소 사회 인프라 구축 전략에 대해 발표한다. 포럼의 마지막 순서인 패널토론에는 수소융합얼라이언스 김성복 단장과 연세대학교 문일 교수, 대우조선해양 중앙연구원 최동규 원장, 최병일 실장이 참여해 포럼에서 제시된 수소 기계기술의 미래상을 되짚어보며 포럼에 깊이를 더할 전망이다. 박상진 원장은 “세계의 시선이 탄소중립이라는 시대적 과제를 해결하기 위해 집중되는 가운데 우리나라는 다양한 수소 기계기술의 거대한 테스트베드로서 주목받고 있다”며 “오늘 포럼이 다양한 차세대 수소 기술의 미래를 깊이있게 전망하고 전략을 모색할 수 있는 자리가 될 것”이라고 말했다.

만성 호흡기질환, 하나의 장비로 진단부터 재활까지 -기계연 의료기계연구실 만성 호흡기질환 모니터링용 호기 분석 복합 시스템 개발- 최근 환경오염과 흡연, 바이러스의 확산 등으로 호흡기 건강관리에 관한 관심이 커지고 있는 가운데 질병 치료비 부담이 높기로 손꼽히는 만성 호흡기질환을 효율적으로 관리할 수 있는 건강관리 시스템이 국내에서 처음으로 개발돼 관심을 모은다. 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 천식, 만성 폐쇄성 폐 질환 등 다양한 만성 호흡기질환을 하나의 장비로 스스로 진단하고, 경과도 관리 할 수 있는 모듈형 호흡기 건강관리 시스템을 개발했다. 기계연 대구융합기술연구센터 의료기계연구실 이동규 선임연구원 연구팀은 개발한  모듈형 호흡기질환 건강관리 시스템은 다양한 만성 호흡기질환을 효과적으로 진단하고 치료, 재활 관리할 수 있다. 시스템은 모듈형으로 이뤄져 손잡이 부분인 본체에 진단모듈과 치료모듈 등의 상단부를 목적에 따라 교체, 결합해 활용할 수 있다. 또한, 모바일 어플리케이션으로 진단부터 치료, 재활 이력을 손쉽게 관리할 수 있다. 지금까지는 호흡기 질환의 진단과 관리, 치료, 재활을 위해서는 질병 별로 고가의 별도 의료기기를 구입하거나 병원을 찾아야만 했다. 하지만 이 시스템을 이용하면  다목적 재활치료와 상태 관리 뿐 아니라 하나의 장비에서 측정한 데이터를 지속해서 관리할 수 있다. 치료모듈은 광치료, 흡입/분사치료, 네뷸라이져 분무치료 등을 할 수 있고, 재활치료 모듈의 경우 호흡기 근(筋)의 재활 훈련도 가능하다. 호기진단 모듈은 천식과 만성 폐쇄성 폐 질환 등 호흡기질환 상태의 모니터링에 꼭 필요한 호기 속도, 호기량과 FENO(호기산화질소가스), 아세톤 가스 농도 등을 동시에 측정할 수 있다. 현재 상용화된 천식 진단 의료기기는 FENO(호기산화질소가스) 1종만 측정할 수 있지만, 이번에 개발된 모듈은 FENO(호기산화질소가스)외 아세톤 농도를 비롯해 최고 호기속도(PEF), 1초간 노력성 호기량(FEV1), 노력성 폐활량(FVC) 등 폐기능 검사까지 동시에 할 수 있다. 아울러 호기 복합가스, 고속 호기속도, 습도 등의 데이터를 활용한 보정 알고리즘을 적용해 측정의 정확도를 높였고, 수집한 데이터를 바탕으로 인공지능 기술을 활용해 통해 건강관리를 위한 효율적인 치료 및 재활훈련 가이드도 제시 받을 수 있다. 개발된 진단 모듈은 분당서울대병원 호흡기내과에서 전임상을 통해 기존의 천식의료기기와 측정수치에 대한 비교실험을 수행하였으며, 앞으로 전체 모듈에 대한 임상 진행 및 사업화를 위한 지속적인 기술 협력을 추진할 계획이다. 이동규 선임연구원은 “이번에 개발된 기술로 만성호흡기 질환으로 고통받고 있는 환자들의 진단/치료/재활훈련 등 자가관리에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”며 “앞으로 이 기술이 실제 활용될 수 있도록 의료기관 및 산업계와 협력하여, 국민의 건강한 삶을 위한 연구개발에 힘쓰겠다”라고 말했다. 한편 이번 과제는 국가과학기술연구회 ‘의료소외계층 맞춤형 로보틱 현장클리닉 기술혁신 기반구축’과제의 지원을 받아 수행됐으며, 중소벤처기업부 ‘스마트 호기성능검사 및 호흡훈련치료가 가능한 가정용 다목적 헬스케어시스템 개발’ 과제의 지원을 받아 상용화를 추진 중이다.

사람과 기계가 공존하는 미래를 현실로, ‘인체 증강 기계’新성장동력으로 육성해야 -장애인·고령화 등 사회문제 대응, 산업 생산성 향상에 기여- 세계적으로 인간의 신체와 기계기술이 결합하는 인체 증강 기계 기술 개발에 대한 투자가 활발히 진행되는 가운데 우리 정부가 인체 증강 기계 분야의 육성책 제시가 필요하다는 제언이 나왔다. 특히 우리나라 의료기술이 세계적 수준인 점을 인체 증강 기계 산업 활성화의 강점으로 보고, 비교적 미흡한 관련 기술 사업화 경험 축적을 위하여 정책 지원과 선제적인 관련 법제도 정비가 뒤따라야 한다고 덧붙였다. 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 인체 증강 기계의 글로벌 시장 동향 및 국가별 정책과 미래상을 담은 기계기술정책 제104호 ‘인체 증강 기계의 동향과 전망’을 발간했다. 구분 인체 증강 기계 (예시) 착용형 외골격 로봇, 근육 옷감 부착형 인공 피부, 로봇 의수·의족 삽입형 인공 달팽이관, 인공 심장, 인공 관절 ▲ 착용 형태별 인체 증강 기계 인체 증강 기계는 인체에 삽입하거나 부착, 착용해 신체의 감각과 능력을 향상시키는 기계장비와 시스템을 일컫는다. 단순히 인체의 기능과 구조를 회복하거나 대체하는 것을 넘어 손실된 기능을 복원하거나 다른 기능을 증강하는 것이 포함된 개념이다. 형태적으로는 크게 외골격 로봇, 근육 옷감과 같은 착용형과, 인공피부 등의 부착형, 인공 관절 등의 삽입형으로 구분한다. 인체 증강 기계는 장애인과 노약자의 신체적 불편함을 개선해 삶의 질을 높여줄 뿐만 아니라, 생산 활동에도 참여할 수 있도록 돕기 때문에 저출산・고령화 등 사회 문제 해결에도 도움이 될 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 택배, 건설, 제조, 돌봄 등 특정 움직임을 반복 수행하는 노동자의 신체활동을 보조하거나 병사의 근력을 증강시키는 등 건강한 사람을 대상으로 하는 보편적 기술로 활용하여 산업 생산성 향상에도 크게 기여할 것으로 전망된다. 인체 증강 기계 로봇 산업은 로봇・제조공학, 바이오・생명공학, 정보통신・ 전자공학 등 다양한 기술 분야가 함께 필요한 4차 산업혁명을 대표하는 융・복합 산업의 결정체다. 시장조사 전문 기업 마켓앤마켓(MarketsandMarkets)에 따르면 향후 세계 인체 증강 기계 시장은 2019년 약 340억 달러 규모에서 2024년까지 연평균 12.7% 성장할 것으로 전망된다. 주요국 정책명 목적 주요 내용 미국 로보틱스 로드맵 (U.S. Robotics Roadmap) 고령화 사회 대응 및 바이오 기계 산업 육성 인간-로봇상호작용을 통하여 고령자 대상 근력 증강, 생활 지원 등 로봇 연구 추진 유럽 Robotics 2020 Multi-Annual Roadmap 고령화 사회에 대응하여 고령자의 신체･정신 건강을 증진 휴먼증강 연구 등 EU의 현황 분석 및 미래 R&D 투자 전략 수립 일본 Society 5.0 고령화 등 사회적 문제 해결 평생현역사회 수립을 위한 로봇, 보건 등 분야 추진 전략 수립 중국 제13차 5개년 계획, 차세대 인공지능 촉진 3개년 행동계획 사회보험, 건강, 양로, 출산 등 4대 영역에 대한 심층 개혁과 국민 건강의식 제고 및 노령화 대비 의료재활, 노인 및 장애인 보조 등 로봇 서비스 투자 확대 한국 대한민국 과학기술 미래전략 2045 안전하고 건강한 사회, 풍요롭고 편리한 사회 등을 실현 신체증강 장비･로봇, 인체 모방 설계 기술 집중 투자 ▲ 주요국 인체 증강 기술 관련 동향 연구진은 인체 증강 분야에 대한 정책적 분류 체계를 설정하고 분야별 육성책을 제시할 필요가 있다고 제언했다. 특히 한국은 세계적 수준의 의료진을 보유한 만큼 인체 증강 기계 산업 활성화에 강점이 있는 것으로 분석했다. 더불어 미래에는 치료와 증강의 개념이 점차 모호해져 안경을 쓰거나 자동차의 타이어를 교체하는 것처럼 쉽게 인체 증강 기계를 접하는 초개인화 사회가 될 것이라며, 활용 산업의 범위가 넓고 다양한 산업을 창출할 수 있는 분야인 만큼 장기적이고 지속적인 정책 투자가 필요하다고 강조했다.  이를 위하여 비교적 미흡한 관련 기술 사업화 경험이 축적될 수 있도록 관련 법제를 선제적으로 정비하여 시장 경쟁력을 선점해야 한다고 덧붙였으며, 분야별 맞춤형 정책 지원과 사업화 연계 연구 개발로 신산업 수요를 전략적으로 창출하여 세계 시장에서의 경쟁력을 확보해야 한다고 제언했다. 기계연 이지은 선임연구원은 “인허가・심사 등의 단계별 행정 절차에 오랜 시간이 걸려 상용화가 지연되는 것을 방지하기 위해 전담인력 양성・배치, 제품 수정 심사 간소화, 보험수가 반영 신속화 등을 검토해야 할 시점이다”라며 “관련 가이드라인을 주기적으로 점검하여 국내에 없는 품목을 신설하고 최신기술을 고려하여 재정비 하는 등의 노력이 필요하다”고 말했다. 한편 기계연은 ▲근육 옷감 ▲로봇 슈트 ▲피부 재생을 위한 바이오 프린팅 ▲유연 촉각 센서 ▲로봇 의수・의족 ▲뇌파・신경 인터페이스 ▲재활 로봇 ▲생체신호 감지・측정 센서 등 인체 증강 기계 관련 연구개발에 박차를 가하고 있다. 기계산업 동향을 분석하고 정책을 제안하는 전문지식지 ‘기계기술정책’은 매년 4회 이상 발간되고 있으며, 기계연 홈페이지에서 정기구독 신청 및 다운로드 받을 수 있다.

탄소중립시대의 새로운 연금술, 재생에너지만으로 물을 암모니아로 ! 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 재생에너지를 이용해 상온 상압에서 암모니아를 생산하는 혁신 공정을 개발했다. 탄소를 전혀 배출하지 않는 암모니아 생산 공정을 고안한 것으로 향후 탄소중립 달성에 획기적으로 기여할 혁신적인 기술로 기대된다. 기계연 플라즈마연구실 이대훈 책임연구원 연구팀은 탄소무배출 암모니아 생산 혁신 공정 개발에 성공하고, 연구성과를 에너지과학 분야의 권위있는 저널 ‘ACS Energy Letters’*에 8월 5일 발표했다. * 논문제목: Plasma Catalyst-Integrated System for Ammonia Production from H2O an N2 at Atmospheric Pressure      (상압 운전 플라즈마-촉매 시스템으로부터 물과 질소를 이용한 암모니아 생산) ▼ 암모니아 생산 공정 모식도 (위) 하버 보슈법: 천연가스를 열분해해서 추출한 수소와 대기 중의 질소를 반응물로 하여 고온, 고압 조건에서 촉매를 활용해 암모니아를 생산하는 공정 (아래) 플라즈마-촉매 융합 그린암모니아 생산 공정: 대기 중의 질소와 물로 플라즈마-촉매 융합 공정을 통해 암모니아를 생산하는 친환경 공정 1913년 프리츠 하버와 카를 보슈가 개발한 암모니아의 유기 합성법(하버-보슈법)은 암모니아를 비료로 사용하여 농업 생산성을 크게 높이면서 농업혁신의 바탕이 된 발견으로 평가받는다. 특히 암모니아는 최근 탄소를 배출하지 않는 친환경 연료로도 주목받고 있다. 질소와 수소 원자가 결합한 암모니아는 연소해도 이산화탄소를 배출하지 않기 때문이다. 하지만 하버-보슈법으로 암모니아를 합성하려면 압력 200기압 이상, 온도 400℃ 이상의 고온 조건을 갖춰야 한다. 또한, 수소를 얻기 위해 천연가스 등의 화석연료를 사용하기 때문에 에너지 소모가 크고, 이산화탄소 배출도 많다. 2020년 영국왕립학회 보고서**에 따르면 하버-보슈법을 이용해 암모니아를 생산하는데 세계 에너지의 1.8%를 사용하고 있으며, 이 과정에서 배출되는 이산화탄소는 전 세계 배출량의 1.8%에 달한다. ** https://royalsociety.org/-/media/policy/projects/green-ammonia/green-ammonia-policy-briefing.pdf 연구팀은 질소 플라즈마에 물을 공급하고 분해하면서 수소와 질소산화물을 생산하고, 이를 촉매로 공급하여 암모니아를 만드는 공정을 개발했다. 이 플라즈마 반응으로 만든 질소산화물의 99% 이상은 암모니아로 쉽게 합성할 수 있는 일산화질소 상태가 된다. 합성된 일산화질소는 함께 생성된 수소와 반응해 95% 이상의 높은 선택도로 암모니아를 합성하며, 이 반응에 필요한 열은 플라즈마 분해 과정에서 발생한 열을 이용한다. 이 공정은 별도의 화석연료를 사용하지 않으며 이산화탄소 배출도 없는 ‘그린 암모니아’를 생산할 수 있는 기술로, 하버-보슈법의 대안으로 제안되고 있는 다양한 전기화학적 암모니아 생산법 대비 300~400배의 수율을 거둘 수 있다. 아울러, 기존의 고온 고압 공정이 아닌 상온 상압 조건에서 물과 질소만으로 암모니아의 생산이 가능하고, 모듈형 시스템을 통해 비교적 쉽게 공정을 대규모로 확대할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 암모니아 생산과 함께 발생하는 부산물 질산염(Nitrate) 수용액은 농업용 양액, 산화제 등으로 유용하게 쓸 수 있다. 연구팀은 향후 스케일 업 및 제품화 기술 개발을 통해 암모니아 생산 비용과 효율을 개선하여 국내외 엔지니어링 업체와 함께 암모니아 플랜트, 특히 상압, 상온 운전이 가능한 중소 규모 플랜트 분야 진출을 모색할 전망이다. 이대훈 책임연구원은 “재생에너지 기반의 전기를 사용하면 이론적으로 탄소배출이 없고 실제 설비 적용이 가능한 수준의 친환경적인 암모니아 생산 공정을 개발한 것”이라며 “앞으로 전 지구적인 탄소 배출량의 획기적 감축에 도움이 될 수 있도록 후속 연구개발에 매진하겠다”고 말했다. 한편 이번 연구는 기계연구원 기본사업과 국가과학기술연구회의 융합연구 사업 지원을 받아 수행됐다. ▲ 한국기계연구원 환경시스템연구본부 플라즈마연구실 이대훈 실장(책임연구원/오른쪽)과 김유나 선임연구원(가운데), 무자밀 이크발(IQBAL MUZAMMIL) 박사후연구원(왼쪽)

친환경 액체수소 버스 개발 산학연 맞손 ▲한국기계연구원(원장 박상진)과 KAIST, 서울버스㈜, ㈜제이엔이웍스, ㈜래티스테크놀로지는 8월 17일(화)  액체수소를 사용하는 연료전지 버스를 실증하고, 이를 위한 액체수소 충전소를 개발하기 위한 협약을 체결했다. 국내 전문연구기관과 기업이 손을 잡고 액체 수소 버스 관련 수소 기술 개발에 나선다.  관련 기술이 상용화되면 액화수소 생산/충전/활용의 공급 사슬을 확보하는 국내 첫 사례가 될 뿐만 아니라 액화수소 기반 트럭, 대형 드론 등 다양한 분야까지 기술이 미치는 파급 효과도 클 것으로 기대된다. ​ 한국기계연구원(원장 박상진)과 KAIST, 서울버스㈜, ㈜제이엔이웍스, ㈜래티스테크놀로지는 8월 17일(화) 액체수소를 사용하는 연료전지 버스를 실증하고, 이를 위한 액체수소 충전소를 개발하기 위한 협약을 체결했다. ​ 기계연은 액체수소 기반 연료전지 버스와 충전소의 액체수소 관련 시스템을 설계하고 핵심 기자재를 개발하며, 액체수소 공급을 맡는다. ​ 공급된 액체수소는 KAIST가 개발하고 ㈜래티스테크놀로지가 상용화한 세계 최초의 자유형상 압력탱크인 격자형압력탱크에 저장된다. 액체수소 격자형압력탱크는 버스와 충전소에 맞춰 최소한의 공간을 차지하도록 공간맞춤형으로 설계된다. ​ 에너지관리시스템은 ㈜제이엔이웍스가 맡는다. 버스의 전력 및 냉난방 부하를 분석하여, 노선 뿐만 아니라 계절에 따라 액체수소 기반 연료전지 버스의 최적 에너지 관리 솔루션을 제시하게 된다. ​ 서울버스㈜는 연료전지 공급 및 전력공급시스템 설계, 차량 시스템 통합/설치를 수행하고, 액체수소 기반 연료전지 버스의 실증과 운영을 담당할 예정이다. KAIST는 엄밀한 시스템 모델링과 장기적인 기술 발전 및 비용 변화를 고려한 기술적 경제성 평가를 수행하여 이 프로젝트를 지원하게 된다. ​ 이에 앞서 기계연은 국토교통부(국토교통과학기술진흥원)의 '상용급액체수소플랜트핵심기술개발사업'을 수행하면서  일산 0.5 톤의 수소 액화플랜트를 개발하고 있다. 국내 최초의 수소 액화플랜트 개발 책임자는 최병일 박사는 “수소 경제가 성장함에 따라, 수소의 대규모 생산, 저장, 수송, 그리고 활용이 이루어져야 한다”며  “액체수소 인프라는 이러한 규모의 경제에 초석을 제공하는, 액체수소를 사용하는 대중교통인 버스와 충전소는 파급력 있는 첫걸음이 될 것”이라고 액체 수소 인프라의 중요성을 강조했다.

반도체 웨이퍼 이송장비용 2D 라이다 센서 국산화 성공 - 기계연 인공지능기계연구실, 전량 외산 의존 중인 반도체 이송장비용 핵심센서 성능 개선 - - 라이다 센서 전문기업 에스오에스랩 양산기술 확보를 통한 사업화 청신호 - 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 국내 라이다 센서 전문기업 에스오에스랩(대표 정지성)과 함께 반도체용 웨이퍼 이송장비에 탑재하는 2D 라이다 센서의 국산화에 성공했다. ▲반도체 웨이퍼 이송장비용 2D 라이다 센서가 반도체 웨이퍼 이송장비(OHT)에 부착된 모습  2D 라이다 센서는 자율주행 시스템의 눈에 해당하는 핵심부품으로 주변 환경을 입체적으로 인지하여 장애물인지, 충돌회피 등에 활용된다.   라이다 센서는 초당 수백만 개의 레이저 빔을 지속적으로 발사하고 센서로 되돌아오는 시간을 바탕으로 거리를 측정하여 주변 환경을 입체적으로 인식하는 장비로 자율주행을 위해서 반드시 필요한 핵심 부품이다. ▲반도체 웨이퍼 이송장비용 2D 라이다 센서 사진은 반도체 웨이퍼 이송장비(OHT)의 모습으로 장비 1대 당 2~4개의 라이다 센서가 부착되어 있다. 반도체 생산라인에는 사람 없이도 웨이퍼를 이송하기 위해 천정에 설치된 레일을 따라 공정을 이동하면서 웨이퍼를 실어 나르는 자율주행 시스템 ‘OHT(Overhead Hoist Transport)’가 적용되어 있다. OHT 1대 당 2~4개의 라이다 센서가 필요한데 지금까지 전량 독일과 일본 등 수입 제품에 의존해왔다. 기계연 인공지능기계연구실 하창완 선임연구원 연구팀과 라이다 센서 전문기업 에스오에스랩, 수요기업 세메스가 라이다 센서 국산 기술 개발 및 사업화를 위해 협력한 끝에 국산 제품의 성능을 높이고, 양산 가능한 기술을 확보하는 데 성공했다. 연구팀은 기술 국산화를 위하여 관련 전문기업과 협력해 실제 반도체 생산 현장에 꼭 맞는 맞춤형 제품 개발에 착수했다. 또한, 제품을 필요로 하는 수요기업과 함께 성능 평가를 진행하여 현장 적용시의 신뢰성을 최대한 높였다.  연구팀은 양산성을 고려한 제품 최적화와 광정렬 개선을 통해 라이다 센서의 핵심성능인 측정분해능 및 정확도를 향상시켰고 제품 조립 후 수작업으로 이루어지던 보정 및 성능평가 단계를 자동화함으로써 대량 생산을 위한 양산기술을 확보했다. 해당 기술은 수요기업 기준 연간 4,000여 개의 반도체 웨이퍼 이송장비용 2D 라이다 센서 수입대체 효과를 거둘 것으로 기대된다. 또한 향후 다양한 라이다 센서 개발에 적용되어 자동차의 자율주행과 스마트 모빌리티, 스마트 인프라 구현에도 활용될 전망이다. 기계연 하창완 선임연구원은 “출연연, 국내기업, 수요기업이 적극 협력하여 외산제품에 의존하던 제품을 국산화에 성공하여 의미가 크다”며 “일본의 수출규제 강화와 같은 외부 환경 변화에도 국내 반도체 생태계를 더욱 안정적으로 보호할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 에스오에스랩 정지성 대표는 “스마트 팩토리 내 센서 국산화를 통해 국가 기술력을 올리는데 기여할 수 있어서 대단히 감사하다”며 “자율주행 및 스마트 인프라 시장에서도 세계 최고 라이다 회사가 되도록 앞으로 더 최선을 다하겠다”라고 말했다. 한편 이번 성과는 한국산업기술진흥원 소재·부품·장비 양산성능평가지원사업의 일환으로 추진한 ‘반도체 웨이퍼 이송장비용 2D 라이다센서 성능개선 및 양산기술 개발’사업으로 수행됐다.