4차 산업에서 남도 새천년 미래 먹거리 찾는다 <8>한국광기술원 광원연구본부
‘빛의 원천’ 완전 해부…미래 먹거리 창출
마이크로 LED 핵심기술 확보…차세대 디스플레이 기술 선도
집광형 태양광·열 에너지 시스템 개발…에너지 활용성 향상
산업용 고출력 레이저 핵심기술 국산화 성공…수입대체 효과
제4차 산업혁명시대를 견인할 새로운 융복합산업분야에 적용 가능한 핵심 광원기술과 다양한 빛의 원천을 완전히 해부해 연구하고 있는 한국광기술원 광원연구원(본부장 김두근)의 역할이 새삼 주목을 받고 있다. 광원연구원은 ▲전기·자율차 ▲차세대 디스플레이 ▲바이오·의료 ▲사물인터넷(IoT) ▲AR·VR ▲항공·드론 ▲로봇 ▲차세대 홀로그래픽 엔진 등에 적용되는 핵심 광원기술을 중점 연구하고 있다.
특히 눈에 보이는 가시광선 뿐만 아니라 눈에 보이지 않는 자외선, 중적외선 대역까지 다양한 빛에 대한 의문점을 해소시켜 주며 레이저 선진강국 실현에 앞장서고 있다. 광원연구본부는 ▲차세대 디스플레이와 통신, 의료·바이오 및 스마트섬유 분야까지 광범위하게 광융복합 응용분야에 적용 가능한 마이크로 LED연구센터 ▲태양전지와 나노소재 및 유기광소자를 연구하는 광에너지연구센터 ▲제조산업 가공분야에 적용될 수 있는 산업용 고출력 레이저 및 광섬유소재를 연구하는 레이저연구센터 등 3개 센터로 구성됐다.
◇마이크로LED연구센터
마이크로LED연구센터(센터장 정탁)는 Red·Green·Blue LED 웨이퍼와 이를 이용한 마이크로 LED 칩 개발, 마이크로 LED 칩을 이용해 자체발광 디스플레이를 구현하는 응용기술 개발 전문가로 구성됐다. 마이크로 LED 광원 및 광융복합 응용분야에 총 100건 이상의 관련특허를 보유하고 있고, 최근 3년간 SCI 논문 약 30여 편을 게재하는 등 활발한 연구 활동을 이어가고 있다. 마이크로 LED연구센터에서는 지난 2016년부터 산업통상자원부로부터 7억원을 지원받아 머리카락보다 얇은 50마이크로미터(μm) 수준의 마이크로LED 칩 1천개를 한 번에 이송할 수 있는 원천기술을 확보했다.
마이크로 LED 칩 이송에 사용된 소재는 게코 도마뱀 발바닥을 모사한 생체모방소재로서 전 세계적으로 한국광기술원만이 보유한 독자 기술이다. 앞으로 차세대 디스플레이로서 OLED를 능가하는 마이크로 LED 디스플레이 구현을 위해 대량전사기술, 디스플레이 풀컬러 구현기술 등 핵심 요소기술을 추가 개발해 관련 중소·중견기업들의 제품 상용화 기술지원 및 국내 광산업 경쟁력 강화에 힘을 보태고 있다.
◇광에너지연구센터
광에너지연구센터(센터장 김용현)는 지난 2015년부터 한국전력공사와 연구 협력을 통해 집광형 태양광·열 활용 시스템을 개발하고 있으며 화합물 기반의 태양전지 효율 향상 기술과 고집광 효율의 반사판 측정, 분석 및 제작 기술, 태양열 온수생산에 대한 기술 개발을 추진하고 있다. 집광형 태양광·열 활용 시스템의 핵심 기술은 크게 3가지로 나눌 수 있다. 첫 번째 화합물기반의 태양전지 효율 확보를 위한 태양전지의 적층 구조 및 공정 기술, 두 번째는 집광률 확보를 위한 반사판 곡률도 확보 기술, 세 번째는 집광 태양열에너지 활용을 위한 열교환 모듈의 열회수 기술 등이다.
세 가지 핵심기술을 활용하면서 눈에 띄는 변화가 발생했다. 현재 10~20%의 태양광 발전 효율을 태양광 발전과 태양열을 동시 활용해 70% 이상의 태양에너지 효율을 확보할 수 있어 에너지 활용성을 크게 향상시켰다. 현재 국내 태양광 기업의 경쟁력 강화를 위해서 새로운 기술 개발이 필요한 시기인데, 광에너지연구센터에서는 집광형 태양광·열에너지 시스템 개발을 통해 전기 및 열에너지 활용 기술을 농업용 에코 그린하우스(Eco-greenhouse)와 도서지역의 해수 담수화 제품으로 그 영역을 확대하고 있다. 광에너지연구센터는 태양전지 및 시스템, 나소소재 및 유기광소자 관련 기술을 기반으로 연구 범위도 넓히고 있다.
또 태양전지 및 시스템 분야에서는 화합물 기반의 태양전지를 중심으로 페로브스카이트(Perovskite) 등 고효율 소자에 대한 연구를 집중하고, 집광형 태양광열 활용 시스템을 기반으로 실증사업을 확대하고 있다.
여기에 나노소재 및 유기광소자를 이용해 평판형 태양광 모듈의 효율 향상과 신규 태양광 모듈 개발 구현이 가능한 핵심기술을 확보할 예정이다.
이런 기술개발을 통해 국내 에너지산업 경쟁력 확보를 위해 중소·중견기업과 협업을 강화하는 등 제품 상용화 기술 지원에 박차를 가할 계획이다,
◇레이저연구센터
레이저연구센터(송영호 센터장)는 지난 2010년부터 5년간 수행한 정부과제를 통해 레이저 응용 제품 개발에 필요한 고출력 레이저 다이오드 칩, 패키지, 시스템 개발 및 시험에 필요한 각종 장비를 구축했다. 이를 기반으로 생산현장에 적용이 가능한 레이저 시험실 운영, 중소기업에 레이저 개발기술 지원, 산업계에서 필요한 핵심 광부품 애로기술 개발, 국내 레이저 관련 기업과의 네트워크 연결 등 다양한 분야에서 연구 역량을 결집시키고 있다.
레이저연구센터에서는 지난해 6월 그동안의 기술개발을 통해 집적된 기술을 토대로 1.1㎾급 광섬유레이저 모듈 국산화에 성공해 상용화를 눈앞에 두고 있다. ㎾급 광섬유 레이저는 고에너지효율을 갖고 있는데다 기계적 진동에 강하고, 열적 안정성이 뛰어난 장점을 갖고 있다. 이러한 장점으로 철강, 기계, 자동차, 우주항공분야에서 가공장비의 핵심 광원으로 사용되고 있으며, 최근 3D금속프린팅, 원전 해체, 레이저무기분야에서 각광 받고 있다.
현재 산업용 광섬유레이저는 ㎾급이 주로 사용되고 있으며, 이러한 광섬유레이저를 만들어 내는 기술은 미국, 독일, 영국, 중국 등 일부 레이저 강국만 보유하고 있다. 우리나라는 100% 수입에 의존하고 있는 상황이다. 이번 기술개발을 통해 그동안 수입에 의존하던 레이저 산업이 선진국과 어깨를 나란히 할 수 있게 됐으며, 앞으로도 국내 레이저 기술의 국제경쟁력을 확보하고 레이저 산업이 성장할 수 있을 것으로 예상된다.
또 레이저연구센터는 국내 레이저 산업발전 및 네트워크 활성화를 위해 매년 1월 세계 유수의 레이저 전문가들을 초청해 레이저에 대한 최신 응용 기술과 업계 동향 등을 함께 볼 수 있는 ‘산업용 레이저 고도화를 위한 전문가 세미나’를 개최하고 있다. 지난달 개최된 제8회 세미나에서는 레이저분야 세계 최고의 전문가들이 참여했다. 올해 세미나에서는 제4차 산업혁명을 중심으로 자동차, 의료, 광섬유 등 다양한 산업분야에서 레이저 기술이 실제 적용되고 있는 사례를 소개했다.
레이저연구센터는 오는 2020년 국내 레이저 융합산업에 가장 필요한 레이저 핵심부품의 국산화를 달성해 세계 5대 레이저 선진강국에 진입한다는 야심찬 목표를 내걸었다. 전량수입에 의존해 왔던 핵심부품과 모듈을 국산화에 성공해 기술종주국의 지위를 확보하기로 했다.
김두근 한국광기술원 광원연구본부장은 “제4차 산업혁명의 핵심역량인 광원기술을 선도해 새로운 부가가치 및 신규 고용창출에 기여할 수 있도록 최선을 다하겠다”고 밝혔다./박지훈 기자 jhp9900@namdonews.com