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  • 기사등록 2022-08-22 12:26:14
  • 수정 2022-08-22 17:20:21
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가스는 난방, 자동차 등의 연료나 전기·전자, 화학 등 다양한 제조업 분야에서 제품을 생산하는 과정에서 사용된다. 우리의 의식주를 포함해 교통, 환경, 우주 등 전 범위에 걸쳐 활용 되고 있다. 하지만 이렇게 우리에게 이로움과 편리함을 주는 가스가 환경문제를 일으키기도 한다. 우리나라 산업의 발전과 환경문제를 해결하기 위해서는 가스물질의 정밀도가 필요하다. 한 예로 자동차의 부품을 조립해 완제품을 만드는 일은 매우 엄밀한 정밀도를 요구한다. 많은 부품들이 유기적으로 결합해야 자동차의 성능과 안전을 보장할 수 있기 때문이다. 이러한 정밀도는 측정표준 능력에서 비롯된다. 국가에서 측정표준 능력을 갖추고 있지 못한다면 자동차 수출에 문제가 생긴다. 최근 환경 규제가 심해지면서 각 국가들은 자동차 배기가스의 유해 물질이 기준치 이상일 시 수입을 하지 않는 등 무역장벽을 쌓아가고 있다. 수입국들은 수출국의 유해물질 측정능력을 신뢰할 수 있어야 한다. 우리나라에서는 1975년 한국표준과학연구원(KRISS)이 설립돼 국가측정표준 대표기관으로서 과학기술 발전의 토대를 제공해 왔다. 우리나라의 주력산업 제품의 품질을 국제적 수준으로 향상시키는데 중추적인 역할을 수행하고 있다. 특히 가스분석표준그룹에서는 다양한 가스물질의 측정표준을 정립해 산업 및 환경 발전을 위해 노력하고 있다. 이에 본지는 한국표준과학연구원(KRISS) 가스분석표준그룹 정진상 그룹장과의 인터뷰를 통해 가스분석표준그룹의 역할과 계획에 대해 들어보는 자리를 마련했다.     


“반도체 등 국가 산업·탄소중립 지원, 가스측정기술 역점 ”




■한국표준과학연구원 가스분석표준그룹에 대한 소개를 부탁드린다


가스는 국내 주력 산업인 반도체, 석유화학 등에서 매우 중요하다. 다양한 산업분야에서 제품을 생산하는 복잡한 과정에는 수많은 가스 측정·분석기기가 사용된다.

한국표준과학연구원(KRISS) 가스분석표준그룹은 반도체, 수소, 원자력 등 다양한 산업에 사용되는 산업가스부터 에너지가스, 독성가스, 법의학가스, 온실가스, 대기·실내오염가스, 미세먼지 및 가스동위원소비 등 가스와 관련된 측정표준을 확립하고 유지하는 역할을 수행한다. 또한 인증표준물질 보급 및 교정·시험을 통해 정부·연구기관·산업체 등에 측정표준을 보급하며 국내외 각종 규제에 대응하기 위한 측정 솔루션을 제공한다.


가스분석표준그룹은 최근 반도체용 고순도 가스 소재의 순도분석을 위한 기반 시설을 구축하고, 순도분석법을 개발해 시험 서비스를 제공하고 있으며, 불화수소, 복합온실가스 등 인증표준물질(CRM)을 개발했다. 인증표준물질은 측정의 정확성과 신뢰성을 보장하는 표준물질로 다양한 소재와 제품의 기초가 되는 화학물질의 구성 성분부터 환경, 안전 등의 이상 유무를 알려주는 분석물질까지, 다양한 물질을 정확하게 측정하도록 도와주는 역할을 한다.


또한 가스분석그룹은 미니실린더 자동무게 측정 시스템의 개발을 통해 가스표준물질 제조에 시간과 비용을 줄일 수 있게 되었다. 이외에도 가스분석그룹은 기후 및 환경 변화에 영향을 주는 온실가스, 배출가스, 미세먼지 등 환경분야의 국제적 동등성 확보를 위해 국제비교를 수행하고 있다.


▲ 가스 인증표준물질 제조시스템



■ 가스분석표준그룹은 불화수소를 포함한 반도체용 특수가스의 국산화에 기여했다. 어떠한 노력을 했는지


2019년 7월 일본은 반도체·디스플레이를 생산하는데 꼭 필요한 불화수소(HF) 등을 한국에 공급하는 것을 규제했다. 특히 불화수소는 다른 반도체용 가스보다 제조공정이 까다로운데 일본은 기술력을 바탕으로 고품질의 불화수소를 저렴하게 공급해, 국내 기업들은 일본 제품에 대한 의존도가 높았다.


불화수소는 반도체 웨이퍼의 회로를 깎거나 세정에 쓰이는 핵심소재다. 반도체 공정이 10 나노미터(1/10억m) 이하의 정밀회로 제작일수록 정확도와 완성도를 높이기 위해 99.9999% 이상의 초고순도가 필수다. 불순물이 남아 있으면 다른 금속과 붙거나 전기가 통하지 않아야 할 부분에 전류가 통하는 등 오류가 날 수 있기 때문이다.


국내 고순도 불화수소의 순도 검증법은 업체별로 달라서 표준화돼 있지 않다. 고순도 가스분석에는 가스 순도를 직접 측정하는 법과 가스에 포함된 불순물을 분석해 이를 빼는 간접적인 방법이 있다. 주된 측정 대상이 불순물이 많이 섞인 소재이기 때문에 100에서 불순물 성분을 빼서 값을 구하는 방법을 사용한다.


이를 위해서는 각종 불순물 가스를 측정할 수 있는 장비와 인력, 기술력이 필요한데 국내에서는 KRISS가 유일하게 모든 가스분석에 대한 종합적인 연구 인프라를 갖추고 있다. KRISS는 세계 최상위권 수준의 가스분석 능력을 보유하고 있으며, 불순물 분석에 필요한 가스인증표준물질 즉, 표준가스를 자체 개발하고 생산하는 능력을 보유하고 있다.


2019년 일본의 수출규제로 우리나라의 핵심 먹거리인 반도체 산업이 크게 휘청거릴 수 있는 큰 위기였었는데, 가스분석표준그룹이 생산은 가능하지만 제품 품질을 검증하는 문제가 있었던 국내 기업의 애로사항을 해결해 줬다. KRISS의 기술력이 빛을 발휘해 반도체용 가스의 국산화를 이뤄낼 수 있었다.



■최근 굴뚝 배출 미세먼지 측정 및 미세먼지 농도측정장치를 개발해 과학기술정보통신부 장관상을 수상했다 들었다. 이는 어떠한 장치인지


▲ 굴뚝 배출 미세먼지 측정 및 미세먼지 농도측정장치(右)와 모식도


국민들의 관심이 높은 미세먼지 문제를 대응하기 위해 정부는 미세먼지관리 특별법을 제정해 시행하고 있다. 특히 미세먼지는 자동차뿐만 아니라 공장과 발전소에서도 많이 배출된다. 발전소나 소각장 굴뚝에서 배출되는 미세먼지의 농도를 입경별 (PM10, PM2.5)로 정확하게 측정해야 국가 미세먼지 배출량 산정 및 정책 수립에 활용이 가능하다. 하지만 현재 측정기는 대부분 광투과방식으로 먼지 농도의 입경별 분리 측정이 불가하고, 측정에 여러 가지 간섭을 받는다는 단점이 있다.


굴뚝 배출 먼지 농도의 정확한 감시 및 배출량 고도화를 추진하기 위해서는 대기환경 공식 미세먼지 측정법인 베타선 흡수법을 이용해 굴뚝 배출가스 중 먼지를 초미세먼지(PM2.5)와 미세먼지(PM10)로 구분해 정확히 측정해야 한다. 베타선을 이용한 굴뚝 배출 미세먼지 입경별 농도 측정은 국내에서는 성공한 적이 없고, 외국에서도 유사한 제품은 개발되었지만 신뢰성 있는 측정값 산출 및 입경별 농도 측정이 불가능했다.


가스분석표준그룹에서는 베타선흡수법 방식으로 굴뚝 배출 고온 다습한 시료 중 미세먼지 농도를 전처리 없이 실시간 측정할 수 있는 기술을 국내 최초로 개발해 특허 등록 및 시작품 제작. 현장 실증에 성공했다. 현재 국내 기업과 제품화를 위한 장비 개발을 수행 중에 있다.


▲ 2022년 ‘세계 측정의 날’ 기념식에서 정진상 그룹장(맨 右)이 과학기술정보통신부 장관상을 수상했다.



산업·환경 표준 가스 확립, 국산화·정책 수립 기여

9월 15~16일, 포스트 코로나 가스 세미나 개최



■미세먼지 측정 표준 확립 및 측정장비 등의 개발이 중요한 이유와 현재 국내 미세먼지 측정 장비개발 현황은?


미세먼지 등의 환경시료 분석은 매우 낮은 극미량 수준의 농도를 분석해야하기 때문에 매우 복잡하고 어렵다. 또한 대부분의 환경문제는 분석 결과를 바탕으로 논의가 되고 해결책을 찾을 수 있기 때문에 분석결과가 신뢰성이 높아야한다. 이를 위해서는 분석값의 정확도가 중요하다. 가스 오염물질 측정장비의 경우 교정용 표준가스를 실린더에 보관해 현장에서 교정이 가능하지만, 미세먼지 측정장비는 가스를 매질로 한 교정용 물질을 생산, 보관, 이동이 불가능하기 때문에 현장 교정에 한계가 있다.


미세먼지 측정장비를 이용한 정확한 측정에 대한 수요가 증가하고 있지만, 교정 및 성능평가에 대한 표준화는 이제 시작 단계다. 가스분석표준그룹에서는 나노입자의 입경별 수농도측정기에 대한 효율을 평가하기 위한 시스템을 구축하고, 표준화를 수행했다. 또한 미세먼지 질량농도 측정장비의 PM2.5, PM10 입경분립장치의 성능을 평가할 수 있는 시스템 구축 및 평가기법을 확립해 현재 서비스 중에 있다.


대기환경 중 미세먼지 측정장비 개발은 현재까지 많은 연구개발이 수행됐고, 국내에 여러 기업에서 측정장비를 개발해 보급하고 있다. 하지만 발전소와 소각장 굴뚝, 선박 배출구 등에서 배출되는 고온다습한 시료 중 고농도 미세먼지 및 가스상 물질의 실시간 측정장비 개발은 일부 기관에서 수행 중이지만, 추가 연구개발이 필요하다.


▲ 연구진들이 입경분립장치 성능평가시스템을 시행하고 있다.



■9월에 가스 산업에 대한 세미나를 개최한다고 들었다. 세미나에 대한 소개 부탁드린다


한국표준과학연구원(KRRIS) 가스분석표준그룹 주관으로 매년 가스측정클럽을 개최하고 있다. KRRIS가 구심점이 되어 국내 가스관련 업체 및 연구기관이 모여 가스관련 주요 현안을 공유하고 상호 교류를 하는 행사다. 올해는 ‘포스트 코로나 가스분야 주요 이슈’라는 주제로 9월 15일~16일 이틀 간 진행된다. 첫째 날에는 ‘기후변화와 기후변화 감시’라는 주제로 국립기상과학원장의 주제 발표와 가스검지기, 반도체 가스, 불활성 가스와 관련된 발표가 진행될 예정이다. 둘째 날에는 KRRIS 가스분석표준그룹에서 진행 중인 주요 연구 사업에 대한 소개와 표준가스 제조와 취급 관련 기초교육이 진행될 예정이다.


■향후 계획하고 있는 연구 과제의 방향과 내용은 무엇인지


한국표준과학연구원(KRRIS) 가스분석표준그룹은 현재 정부와 기업체에서 진행 중인 반도체 가스의 국산화 및 수입 다변화를 지원하기 위한 순도분석기술 개발하고, 시험분석 서비스를 확대할 계획이다. 대기환경분야에서는 새롭게 대두되는 오존 문제를 선제적으로 대응하기 위해서 오존 생성에 기여하는 일차 및 이차 생성 전구 가스상 물질에 대한 측정기술 개발 및 표준물질 개발을 진행할 예정이다. 또한 탄소중립에 대응하기 위해서 암모니아와 수소의 생산, 보관, 유통과 관련된 전주기 측정기술을 개발할 계획이다.

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