전 세계적인 에너지 및 환경 문제에 대한 기술이 요구되는 가운데, 인간의 삶의 질을 향상시키고 에너지 비용을 감소할 수 있는 에너지 변환(conversion) 및 수확(harvesting) 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과 심규호 교수는 인간의 생활 환경과 자연에 존재하는 다양한 형태의 미활용 에너지들을 사용하기 편리한 전기에너지로 변환 및 수확하는 연구 개발을 진행하고 있다. 특히, ‘하이브리드 가스베어링을 이용한 초소형 가스터빈 파워팩 기술 개발’이란 연구과제를 활발하게 수행하며 전기자동차, 재난/구조 로봇 등의 운송 모바일 시스템 동력원으로 활용할 수 있는 지속가능한 에너지 시스템 연구에 박차를 가하고 있다. 이 외에도 폐열 회수 스털링 발전기, 파력 발전 시스템 등과 같이 다양한 동력변환기의 효율 향상과 신재생 에너지 발굴을 위하여 폐열 회수 스털링 발전기, 파력 발전 시스템 등의 연구에 매진하고 있다.

 

 

 

 

고성능·고효율 에너지 시스템을 위한 탐구
인간의 삶의 질을 향상시키기 위해 에너지 변환과 수확을 위한 혁신적인 시스템을 연구하고 있는 심 교수는 전기 자동차, 필드 로봇 등의 주행거리 확장을 위하여 초소형 가스터빈과 초고속 모터를 결합해서 전기를 생산할 수 있는 발전 시스템을 만들기 위해 힘쓰고 있다. 이를 이루기 위해서는 가장 필요한 것이 초고속 회전 기술인 베어링이 중요한데, 기존에 사용하는 오일이나 볼 베어링이 아니라 공기나 가스를 윤활재로 이용하는 가스 베어링을 활용한다. 베어링의 성능을 올리고 시스템의 안정성을 높임으로써 훨씬 더 작은 사이즈에서 수십만 RPM까지 초고속 운전이 가능한 발전시스템을 만드는 것이다. 

 

심 교수는 “대표적으로는 전기차의 경우 주행거리가 짧아서 시장 확산에 어려움을 겪고 있습니다. 100km 미만의 주행거리로는 상용화되는데 어려움이 있습니다. 현실적으로 일반자동차에 버금가는 주행거리를 확보해야 많은 사람들이 사용할 수 있기 때문에 초소형 가스터빈 파워팩을 이용한 주행거리 확장기(레인지익스텐더)를 개발하는 것이 연구의 일부분입니다. 이를 통해서 단순히 출퇴근만 하는 것이 아니라 자동차가 갖고 있는 이동의 자유로움이 실현 될 수 있도록 연구하고 있습니다”라고 전했다.

 

현재 BMW, 아우디 등에서 주행거리를 확장할 수 있는 레인지익스텐더를 장착한 자동차를 출시하고 있다. 하지만 좀 더 작은 사이즈에서 고성능, 고출력이 이루어지기 위해서는 심 교수가 연구하고 있는 가스터빈 레인지 익스텐더의 개발이 필요하다. 또한 이 기술은 자동차뿐만 아니라 근본적으로 구동 배터리의 용량 한계를 가지고 있는 로봇에도 적용이 가능하다. 군사용 정찰 로봇이나 재난/구조 로봇에 적용될 경우 기존보다 주행거리를 확장시켜 임무 수행 능력과 반경을 확장할 수 있다. 사람이 입는 근강증강 로봇인 엑소스켈레톤에도 적용할 수 있는데, 이를 위해서는 시스템을 더욱 소형화하는 기술이 필요하다. 반대로 좀 더 크게 만들게 되면 전기 버스에 적용이 가능하다.

 

이처럼 초소형 가스터빈 발전기는 작은 사이즈임에도 불구하고 고성능, 고출력이 가능하다. 하지만 좀 더 작은 사이즈에서 고성능, 고출력이 이뤄지기 위해서는 심 교수가 연구하고 있는 가스터빈 레인지 익스텐더의 개발이 필요하다. 이 기술은 자동차뿐만 아니라 근본적으로 구동 베터리의 용량 한계를 가지고 있는 로봇에도 적용이 가능하다. 군사용 정찰 로봇이나 재난/구조 로봇에 적용될 경우 기존보다 주행거리를 확장시켜 임무수행 능력과 반경을 확장할 수 있다. 사람이 입는 근강증강 로봇(엑소스켈레톤)에도 적용할 수 있는데, 이를 위해서는 시스템을 더욱 소형화하는 기술이 필요하다. 반대로 좀 더 크게 만들게 되면 전기 버스에 적용이 가능하다. 

 

이처럼 초소형 가스터빈 발전기는 작은 사이즈임에도 불구하고 고성능, 고출력이 가능하다. 하지만 단점으로 시끄럽고 연소를 해야 하며 배기가스를 배출한다. 이와 반대로 중량에 비해 출력 양은 적지만 조용하고 순수 열에너지만 사용하는 스털링 엔진 발전기도 연구하고 있다. 스털링 엔진은 가정용 열병합 발전, 대형 디젤 엔진 폐열 회수 등에 사용이 가능할 것으로 내다보고 있다. 상반된 특징을 가지고 있는 가스터빈 발전기와 스털링 발전기를 주요 연구 분야로 몰두 하고 있는 심 교수의 전체적인 연구 방향은 지속가능하고 효율적인 에너지 변환과 수확이다. 특히 우리 일상과 자연 속에 있는 에너지를 수확하여 친환경, 고효율 및 인간 친화적인 에너지 시스템을 만들고자 한다.

 

심 교수는 “스마트폰의 경우 기능은 매우 빠른 속도로 발전하여 성숙 단계에 접어들고 있지만 배터리 문제는 아직 해결되지 않고 있습니다. 결국에는 에너지 동력원의 문제를 해결해야합니다. 또한, 기존의 석유자원을 활용한 에너지 변환장치는 자원의 고갈로 지속적으로 경제성이 떨어지기 때문에 자연에 존재하는 무한한 미활용 에너지를 회수 및 활용하는 신재생에너지를 발굴이 필요합니다. 대표적인 예로는 파도의 웨이브 에너지를 진동 시스템을 이용하여 전기로 출력하는 파력발전이 있는데, 원격 도서 지역의 전원공급장치로 매우 유용할 것입니다. 이와 같이 지역 환경을 고려하여 에너지 수확 시스템을 적용하면 지역 에너지 문제 해결에 큰 효과가 있을 것입니다.”라고 설명하였다.

 

인간 친화적인 연구와 관계 속에서 미래를 꿈꿔
심 교수는 석사 학위를 병렬처리기법을 이용한 구조 유한요소해석, 박사는 가스 베어링의 회전체 및 열 성능연구를 하였고, 학위 과정 후 삼성종합기술원에서는 IT기기 소음 및 진동해석 연구를, 한국과학기술연구원에서는 터보기계를 위한 고속·고온 회전체 시스템 설계 및 성능시험 연구를 수행하였다. 현재는 이 모든 것을 아우르는 에너지 변환 및 수확 시스템에 대하여 학술적인 연구와 상용화를 위한 개발을 동시에 진행하고 있다. 특히 기술 개발이 연구에 그치지 상용화까지 되어 실생활에 적용되기 위해서는 학술 연구와 기술 상용화의 차이를 감안하여 적절한 관심과 지원이 필요하다고 전했다.

 

이처럼 다양한 분야를 접하며 넓은 시각으로 연구를 진행하는 심 교수는 먼저 이 길을 걸어가는 선배의 마음으로 학생들을 대한다. 그래서 학생들이 실력을 향상시켜 내면의 자신감을 키우며 한 단계 먼 미래를 향해 나아갈 수 있도록 가이드 역할을 해주고 있다. 나아가 언젠가는 인간친화적인 에너지 변환 및 수확을 포괄 할 수 있는 연구소나 기관을 설립하여, 사회에서 자리를 잡은 졸업생들이 한 번씩 모여 삶의 정을 나누는 인생의 동반자처럼 지내고 싶다고 하였다. 인간 친화적인 연구와 관계를 추구하는 심 교수의 신념이 고스란히 담긴 연구가 실생활에 쓰이는 그 날을 기대한다.