KITECH 생산기술 전문지

식품의 품질과 안전은 국민 생활 안전에 직결되는 부분이다. 국내뿐만 아니라 전 세계적으로도 식품의 품질을 관리하고 위험 오염물질을 탐지하기 위한 기술과 방법들이 개발되고 있다. 특히 온라인 쇼핑의 확산으로 신선식품도 온라인으로 구매하고 배송시스템에 의해 배송되는 것이 일반화되어 신선식품에 대한 신선도 및 변질 여부를 판단하는 기술의 수요가 급속히 증가하였다. 계절과 환경적 영향으로 식품의 변질과 유해 물질 그리고 식중독균에 의한 오염이 우려되고 있는 상황에서 국민 생활 연구 및 국민 안전 이슈에 먹거리 안전 분야 기술 개발과 정책이 다수 포함되고 있으며 사회적 기술 수요가 높다고 할 수 있다. 한국생산기술연구원에서는 출연연 빅이슈 사업으로써 사회적 이슈(issue)인 식품의 안전 확보를 연구과제로 반도체식 가스센서와 나노물질을 이용한 식품의 신선도와 유해 물질 및 식중독균을 검출하는 기술개발을 수행하였다. 본 글에서는 식품 신선도 센서와 활용을 위한 기술 개발 체계 및 전략을 소개하고 있으며 기술 개발 결과를 설명하고 있다. 식품 신선도와 안전을 위해 개발된 핵심 요소기술에 대한 설명은 추가로 기술 소개 자료를 함께 기고하여 참고할 수 있도록 하였다.

나노입자로 구성된 나노구조체의 경우 비표면적이 높아 반응성이 높다는 장점이 있어 화학센서, 바이오센서, 광학전자기기 등에 다양하게 활용되고 있다. 기존에는 나노 다공성 구조를 형성하기 위하여 건식증착 후 선택적 에칭공정을 이용하거나, 습식 합성 및 코팅 후 열처리를 통하여 고표면적 나노구조를 형성하였으나 표면적 증가에 한계가 있었다. 또한 선택적 에칭공정이나 습식합성·코팅 후 열처리의 경우 타겟 물질 뿐만 아니라 불순물이 포함되어 전기화학적 특성 저하의 원인이 된다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위하여 중소기업에서 일반적으로 활용되고 있는 열증발증착 방식을 기반으로 다양한 금속 및 산화물의 나노 다공성 박막 구현이 가능한 기술을 개발하였으며, 이를 활용하여 표면증강라만산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) 기판 및 가스센서에 적용하여 우수한 성능을 나타냄을 확인하였다.

식중독은 전 세계적으로 심각한 공중 보건 문제로, 유해한 미생물에 오염된 음식물이나 물의 섭취로 발생한다. 주요 병원성 미생물로는 살모넬라균, 대장균, 리스테리아균 등이 있으며, 이들은 식중독의 주요 원인으로 전 세계적으로 인류 건강에 심각한 위험을 초래한다. 식중독의 대표적인 증상으로는 메스꺼움, 구토, 설사, 복부 경련, 발열 등이 있으며, 심한 경우 탈수, 입원, 심지어 사망에 이르기도 한다. 특히, 어린이, 노인 등 면역 저하자들에게 더욱 치명적일 수 있다. 이런 위험 질병인 식중독균을 검출하는 전통적인 방법으로는 중합효소 연쇄 반응(Polymerase chain reaction, PCR)과 효소 결합 면역흡착 분석(Enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA) 등이 있으며, 이들은 높은 정확도를 제공한다[1]. 그러나 이러한 방법은 고가의 특수 장비와 오랜 배양 시간이 필요하며, 결과 검증에 전문가의 분석과 상당한 비용이 요구되어 일상 생활속에서 실시간으로 결과를 얻는 데 한계가 있다. 본 연구에서는 신속하고 간편하게 살모넬라 균을 검출하기 위해, 폴리디아세틸렌(polydiacetylenes, PDA) 리포좀 센서에 살모넬라균에 대한 탁월한 결합 능력을 나타내는 DNA 분자인 압타머(aptamer)를 결합하여 비색형 바이오센서를 제작하고, 살모넬라균의 농도에 따른 미세한 비색 반응을 정밀하게 관찰하여, 비 전문가도 쉽게 측정할 수 있는 포터블 형식의 측정 장비를 제작하였다.

폴리다이아세틸렌(PDA)는 자가 조립을 통해 이중지질층인 리포좀(liposome)을 구성하며, 외부 자극에 의해 특이한 색상변화를 나타내는 물질로서 색변이 센선에 활용 할수 있다. 이러한 PDA 리포좀은 중금속 검출, VOC 검출에서부터 박테리아 및 바이러스 검출 등 다양한 분야에 유용한 센서로 활용될 수 있고, 지속적인 연구 개발을 통해 그 응용 범위는 더욱 확대 될 것으로 기대 된다. 본 글에서는 PDA 리포좀의 색변이 원리 및 다양한 센서로의 활용을 소개하며, 한국생산기술연구원의 빅이슈 프로젝트중 하나인 PDA 리포좀을 이용한 식품유해균 검출 센서 개발 연구내용을 소개하고자 한다.

용액 공정은 마이크로 및 나노 크기의 물질을 용액에 분산시켜 박막이나 나노구조체로 변환하는 기술이다. 이 공정은 비교적 낮은 온도에서 진행할 수 있고, 공정 비용이 저렴하며, 대량생산이 용이하다는 장점이 있다. 또한, 다양한 나노 소재를 용액 공정을 통해 활용할 수 있어 전자 소자, 에너지, 바이오 등 여러 분야에서 폭넓게 응용할 수 있다.[1-2] 비록 코팅의 균일성과 나노 소재의 정밀한 배열 등에서 한계가 존재하지만, 용액 공정은 마이크로/나노 기술의 발전과 함께 지속적으로 연구되고 있으며, 미래 첨단 기술 개발에 중요한 역할을 하고 있다. 본 글에서는 한국생산기술연구원의 빅이슈 프로젝트 중 하나인 용액 공정을 기반으로 한 가스 센서 제작 공정에 대해 다루고, 특히 용액 공정 기술 중 전기방사법(Electrospinning)을 활용한 연구 내용을 소개하려 한다.

본 발명의 목적은 시계열데이터 이미지 인코딩을 이용한 LOI(Loss on ignition) 예측 방법을 제안하기 위한 것으로 주조품의 품질을 좌우하는 중요한 재료인 주물사를 반복해서 사용할수록 노화 현상이 발생하므로 주물사 관리를 위해 주물사의 성능을 평가하기 위한 것이다. 주물사의 성능을 평가하는 시험으로 작열감량 (LOI, Loss-on ignition)법이 고려될 수 있다.

주조 공정에서 금속의 압탕 방안을 설계하는 것은 제품 품질과 생산 효율성을 높이는 데 핵심적인 역할을 한다. 주조 공정은 고온에서 녹인 금속을 주형에 부어 형태를 만든 후, 이를 냉각하여 고체화시키는 과정이다. 이 과정에서 금속이 응고하면서 나타내는 물리적 변화와 열적 거동을 이해하여 시뮬레이션 하는 것은 주조 제품의 품질 예측을 위해 필수적이다. 응고 해석은 주조 공정에서 금속이 액체 상태에서 고체 상태로 변화할 때의 열적 및 물리적 변화를 분석하는 과정으로, 금속이 응고하면서 부피가 줄어들고, 이로 인해 수축, 기공, 균열 등의 결함이 발생할 수 있다. 이러한 결함은 제품의 기계적 성질과 외관을 저하시킬 수 있으며, 따라서 이를 미리 예측하고 제어하는 것이 중요하다. 정밀한 응고 해석을 통해 이러한 결함의 발생 가능성을 줄이고, 제품의 품질을 개선할 수 있다. 응고 과정 중 발생하는 수축을 보상하기 위해 설계된 압탕 시스템은 주조 품질의 향상과 공정의 안정성 확보에 기여한다. 압탕 방안을 설계하고 최적화 하는 것은 금속이 고체화되는 동안 발생하는 부피 감소를 효과적으로 보충하고, 주조 결함을 줄이며, 생산 공정의 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 최적화된 압탕 방안을 설계하기 제품에 발생하는 결함(추축공)을 기반으로 압탕을 자동으로 생성 하도록 하였으며, 주조 공정의 압탕 방안을 최적화하기 위해 최적화 알고리듬으로 ‘직교배열표를 이용한 순차적 알고리듬(Sequential algorithm using orthogonal arrays; SOA)’을 사용하여 최적의 압탕의 위치와 사이즈를 결정하는 압탕 자동 생성 설계 시스템을 개발하였다.

최근 제조업에서는 제품의 품질과 신뢰성을 확보하기 위해 미세 단면 분석의 중요성이 점차 커지고 있으며, 특히 반도체, 디스플레이, 이차전지 등 다양한 산업 분야에서는 높은 정밀도와 대면적의 분석이 요구된다. 이러한 요구를 충족하기 위해 널리 사용되는 집속이온빔(focused ion beam; FIB) 기술은 뛰어난 정밀도를 제공하나, 대면적 가공에서 속도가 느려 효율성에 한계가 있다. 본 연구는 펨토초 레이저 가공 기술을 활용하여 FIB 가공 시간을 단축하고, 레이저 가공 과정에서 발생하는 테이퍼 각도를 줄이는 방법을 제안한다. 펨토초 레이저 가공은 기존 FIB 방식에 비해 수백 배 빠른 속도로 재료를 제거할 수 있으며, 열적 손상을 최소화하면서 미세한 가공이 가능하다. 그러나 레이저 가공 시 발생하는 테이퍼 각도는 후속 FIB 밀링 작업에 필요한 가공량을 증가시키는 주요 요인이 된다. 본 연구에서는 입사각(angle of incidence; AOI)을 조절함으로써 레이저 가공된 측벽의 테이퍼 각도를 효과적으로 줄여, FIB 밀링 시간을 대폭 단축할 수 있는 최적의 가공 조건을 도출하였다. 실험 결과, AOI를 8°로 설정한 경우 테이퍼 각도가 27.9°에서 2.5°로 감소하였으며, 이에 따라 FIB 밀링 시간이 약 90% 감소하였다. 동시에 가공된 표면의 품질도 우수하게 유지되었다. 본 연구 결과는 제조 현장에서 단면 분석 시편 제작의 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 효과적인 방법을 제시하며, 다양한 산업 분야에서 레이저 가공의 효율성을 극대화하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

고강도 후육 제품의 재질로 주로 사용되는 주강은 강도가 높지만, 비용이 비싸고 열처리가 필수적이며 경량화가 어려운 문제가 있다. 이를 대체하기 위해 구상흑연주철을 700MPa 이상급 재질(GCD700)로 개발하여 고강도 후육 제품에 적용하려는 연구가 진행 중이다. 그러나 GCD700 재질의 양산화에는 많은 난관이 있으며, 단순히 합금 원소를 첨가하거나 증량하는 방식은 여러 문제를 초래할 수 있다. 고강도 후육 제품의 경우, 결함 억제와 특성 확보를 위해 엄격한 기준이 요구된다. 이를 위해서는 청키흑연, 조대흑연, 흑연부상, 수축 결함 억제와 더불어, 미세조직과 기계적 특성에서 높은 성능이 필요하다. 이러한 요구를 충족하기 위해 접종공정의 효율화가 중요한데, 특히 후육주철에서는 Ba계 접종 방법이 주로 사용된다. 최근에는 산업계의 수요에 따라 Ba계 접종제를 Bi계 접종제로 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있다. Bi는 청키흑연 억제와 기지조직 강화에 효과적이며, 본 연구에서는 Bi계 접종 방법을 활용하여 GCD700 재질의 고강도 후육주철 양산화를 위한 연구를 수행하였다.

Hammer 부품은 다양한 형상으로 파쇄기 부품에 사용되고 있다. 파쇄기는 광산, 건설, 제철, 제강 등 산업 전반의 내마모성을 요구하는 곳에 사용되고 있으며, 주요 재질로 고망간강을 사용하고 있다. 고망간강은 열처리 를 하게 되면 완전한 오스테나이트 조직을 형성하여 인성 및 내충격성을 향상시키며, 격렬한 충격 하중으로 인해 표면층이 현저하게 가공 경화되어도 재료 자체의 인성이 그대로 유지되어 내마모성이 우수하고, 충격안정성 도 높다.

최근 국내 기업은 극심한 인력난을 겪고 있다. 특히 우리 경제의 근간이자 파급효과가 큰 제조업을 중심으 로 생산인력의 부족현상이 빠르게 확대되고 있다는 점은 우리 경제에 미치는 충격이 클 것으로 예상되고 있 다. 고용노동부 발표에 따르면 연도별 인력 미충원율은 2019년 9.5%에서 2022년 13.6%로 3년만에 4.1% 포인트 증가했고, 인력 부족율도 1.9%에서 3.2%로 1.3%포인트 늘어났다.

국내의 대도시에는 도시 기반구축 당시에 지하에 매설된 상하수도, 냉난방, 가스 배관과 같이 대규모의 배관이 존재한다. 매설된 배관은 지하에 설치되어 있기 때문에 시각적으로 보이지 않지만 도시의 기능과 생활 편의성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 그러나 서울과 경기도 등 수도권에 매설된 배관의 경우 대부분이 30년 이상의 장기간 사용된 노후배관으로 보수나 교체가 필요하나 공사비용이 높고 많은 인력이 소모되기 때문에 정부와 지자체 차원의 지원이 필요하여‘2022년 국정감사 이슈분석’보고서에서 도시가스 노후배관 교체를 시급히 해결 해야 할 과제 중 하나로 지목하였다.[1]

글로벌 희소금속 공급망은 희소금속의 수요가 급증하는 반면 생산과 매장이 일부 국가에 집중되어 있어 수급 불안이 항상 우려되는 분야다. 2021년 중국의 요소 수출 중단으로 인한 '요소수 대란' 이후 글로벌 공급망 위기가 심각해지면서 산업 필수 원재료인 희소금속의 공급망 확보에 대한 목소리가 커지고 있다. 이러한 상황에서 한국-키르기즈스탄 희토류 고부가가치화 협력을 통해 희토류 공급망 중국 의존도 분산, 주력산업과 차세대 산업 위기대응 강화는 회소공급망 다변화를 위한 합리적 선택이다. 무엇보다 키르기즈스탄은 중국산 희토류 공급 견제로 한-미-일 등 수급처를 적극적으로 모색하는 상황이다. 본론에서 살펴본 대로 키르기즈스탄은 한국과의 상호협력 희망 의사 높은 편이다. 한국 측 역시 키르기즈스탄 광물 활용과 인프라 지원으로 반도체, 전자부품, 이차전지, 고강도 절삭공구, 항공우주, 드론, 첨단 로봇 등에 필수적인 고순도 고강도 고부가가치 희소금속 협력 파트너 확대할 수 있다. 이를 통해 국내 중소중견기업 희소금속 가공 소재화 장비 납품과 선진 공정 기술이전 등으로 기업진출 지원 가속화도 가능할 것이다. 무엇보다 중앙아시아 자원국(키르기즈스탄, 카자흐스탄, 우즈베키스탄 등)에 국내 희소금속 공급기지 구축으로 글로벌 소재공급망 대응 전략 강화해 차세대 신산업의 필수적인 희토류 금속 공급 교두보를 마련할 수 있을 것으로 기대된다.