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국내 연구진이 지난 2005년 규명한 바 있는 모트 금속 절연체 전이(Mott MIT) 현상을 활용, 가정용 및 산업용에서 두루 쓰이고 있는 전자개폐기 및 차단기의 크기와 가격을 크게 줄일 수 있는 기술개발에 성공했다.

MIT란 부도체가 금속으로 또는 금속이 부도체로 바뀌는 현상이다. 즉, 절연체에도 전기가 통한다는 원리다. 연구진은 MIT 현상을 이용해 칩을 만들어 전류가 많이 흐를 때 차단하는 기기 등에 적용했다.

과전류가 흐를 때 전기를 차단하는 역할을 했던 기존 전자개폐기는 주전원의 신호를 끊거나 이어주는 전자석과 온·오프 스위치인 계전기로 구성된다.

ETRI(한국전자통신연구원, 원장 김흥남) 김현탁 박사 연구팀은 전자개폐기에서 계전기 부분을 떼어내 MIT 소자로 대체했다. 아울러 교류전압 1킬로볼트(kV) 이하의 저압 배선 차단기, 누전 차단기 등에도 과전류 차단의 길을 활짝 열었다.

ETRI는 전자개폐기중 전자석 부문에 MIT 소자를 인쇄회로기판(PCB) 위에 붙여 과전류 차단시험을 한국기계전기전자시험연구원에 의뢰해 합격했다. 향후 연구진은 전자석 부문에 MIT 소자를 내장시킬 계획이다.

따라서 기존 전자개폐기 구성품 중 계전기 부분을 떼어 냄으로써 부피를 반가량 줄일 수 있게 되었다.

현재 이와 같은 전자개폐기가 사용되는 곳으로는 전자제품 중 저전압이 이용되는 세탁기나 냉장고, 에어컨, 소방전 등 시간에 따라 전류의 방향과 세기가 달라지는 전류인 교류용 모터제품에는 대부분 사용이 가능하다.

현재, 시판중인 에어컨용 전자개폐기를 예로 들면, 가격이 약 2만원대인데 계전기 가격이 1만원 정도로 이를 MIT 소자로 대체할 경우, 시장에서 전자개폐기 가격은 절반 정도 줄일 수 있을 것으로 ETRI는 전망했다.

또한 가정에서 과전류를 방지하는데 활용되는 일명, 두꺼비집(누전차단기)의 경우도 MIT 소자를 활용할 경우 가격은 물론 크기와 모양도 획기적으로 바뀔 것으로 보고 있다.

기존 과전류를 차단하는 역할을 하던 기기들은 도선의 온도가 올라가서 바이메탈 금속판이 달아올라 휘어지면서 기계식 접점을 끊어 전자석을 제어하는 방식이었다.

하지만, 이번 개발에 성공한 ETRI MIT 소자를 이용한 방식은 도선의 온도가 올라가면 MIT칩이 급격한 저항변화를 감지해 임계온도인 67℃ ~ 85℃ 사이가 되면 전자적으로 과전류를 차단하는 방식이다.

ETRI 김현탁 MIT창의연구센터장은“현재 세계적으로 경쟁하고 있는 MIT 원천기술 및 응용 분야에서 ETRI가 주도권을 확보하였다고 확신하며, 경제적 측면에서 한국이 취약한 전력산업 분야에 큰 기여를 할 수 있다”고 말했다.

현재, 전 세계 전력개폐기 및 차단기 시장은 내년기준 약 30조원이 될 것으로 ETRI는 시장조사 전문기관을 인용해 밝혔다. 국내기업 전체의 해외시장 점유율은 약 13.1% 정도로 낮다. 따라서 ETRI는 본 기술을 활용, 취약한 전력분야에서 시장 점유율을 끌어 올려 전력차단 산업을 국가 성장동력으로 키울 수 있을 것으로 내다봤다.

ETRI 김흥남 원장도 “MIT 차단기 기술은 MIT 현상의 이론을 세계 최초로 확립하고, 이론을 바탕으로 빠른 시간내에 상용화 제품을 만들어낸 R&D 선순환의 대표적인 본보기다”고 밝혔다.

한편, 김현탁 박사는 2007년, 사이언스에 논문을 게재하는 한편, 대한민국 특허 최고상인 ‘발명대왕상’을 2008년 수상한 바 있다. 김박사의 논문은 현재 3,944회나 전 세계적으로 인용되고 있다. 김박사가 2002년부터 게재한 MIT 관련 논문은 84편, 출원한 특허만도 국내 74개, 국제 189개에 달한다.

향후 김박사는 본 기술을 보다 고도화 하고 기술이전과정에서 업체의 요구사항을 최대한 수용, 상용화를 앞당길 계획이다. 상용화 시점은 내년 하반기로 보고 있다. 아울러 외국처럼 나무로 지은집의 경우 화재예방을 위해 아크 차단기(AFCI)를 많이 사용하는데 여기에도 MIT 소자를 적용해볼 계획으로 있다. <보도자료 본문끝>

<참고자료 1, 추가 설명자료>

본 기술개발로 향후 전자개폐기 시장의 일대 혁신이 이뤄질 것으로 ETRI는 전망하고 있다. ETRI가 개발한 전자(電子)식 MIT 전자(電磁)개폐기는 기존 전자(電子)식 개폐기와 많이 다르다. 기존 전자개폐기는 아날로그 방식의 전류 감지(Sensing) 부분과 전류의 크기를 판단하는 마이크로콘트롤러로 구성되어 있다. 하지만 ETRI MIT 개폐기는 마이크로콘트롤러 역할을 하는 부분을 MIT 소자가 담당하는 것이 핵심이고 가장 큰 차이다.

기존 전통적 과전류 차단기는 크게 두 가지다. 바이메탈과 기계식 접점을 이용하는 방식과 솔레노이드 전자석과 기계식 접점을 이용하는 두 종류가 있다.

이렇게 바이메탈과 솔레노이드 전자석을 이용하여 과전류를 감지하는 기술은 약 100년 전에 개발되어 기술적 큰 진보 없이 모양과 기능이 지금까지 내려오고 있다.

하지만, ETRI는 MIT 소자와 발열도선, 전자식 스위치를 사용해 전력을 차단 함으로써 그동안 위와 같이 100년 동안 사용해 오던 전자석과 기계적 접점 방식을 탈피할 수 있었다. 이에 따라 보다 소형화되고 단순한 전자식 개폐기와 차단기 사용길을 활짝 연 것이다.

이외에도 ETRI 김박사가 개발한 MIT 소자를 이용한 전자개폐기는 장점이 많다. 우선 기계식 접점을 사용하지 않고 전자식 제어가 가능하여 크기가 줄고 신뢰성을 향상 시켰을 뿐만 아니라 원가를 크게 낮춘다. 아울러 환경온도 보정도 필요 없다.

MIT소자의 임계온도는 67oC ~ 85oC 이다. 전력도선의 온도가 이 범위에 들면 자동 차단된다는 의미다. 기존 방식처럼 기계식이 아닌 전자식으로 자동변환케 만든 것이다.

이에따른 소자의 저항변화는 임계온도에서 1만배 정도(~104) 이다. 이는 전류가 흐르지 않다가 저항이 급격하게 변화하면 전류가 갑자기 흐르게 됨을 의미한다. 연구진은 저항변화를 이용, 제어용 소자의 신호를 찾아냈다. 즉 MIT 소자는 임계특성을 이용, 전력도선의 온도를 센싱함과 동시에 제어소자를 직접 제어할 수 있는 스위치이다.

특히 MIT 현상을 이용해 개발된 MIT 소자는 향후 전기가 있는 곳에 반드시 필요할 것이다. 또 저압 전력차단기는 부가가치가 있고 시장이 매우 크다.

또한 아이디어 착상 단계에서부터 ETRI의 HR(High Risk High Return) 사업 및 창의연구사업의 성공적인 사례로 ETRI의 연구능력이 세계적 수준에 도달되어 있음을 증명한다.

MIT 센터 연구 동향으로는 지난 2004년부터 MIT 센터의 연구논문은 물리학 및 응용물리학 분야에서 세계적 권위를 자랑하는 저널들에 계속 등재 되어왔고, 현재 논문 피인용율이 3,944편이나 되며, MIT 센터에서 주장한 모트 MIT의 증거로 제시된 ‘구조상전이 없는 MIT’ 현상은 다른 연구그룹들에 의해 재현되었다.

아울러 MIT 기술 상용화 경향으로는 화재 감지용 MIT 소자는 정온식 감지기에 적용되어 형식승인을 득한 후 지금 시판되고 있으며, 리튬이온 전지 보호용 소자는 기술이전 업체에서 시험하고 있다. 본 전력 차단 기술은 현재 개발되고 있으며 필요한 소자는 MIT 센터에서 개발을 완료하였다. 그리고 MIT 기술을 이전 받은 ㈜모브릭 회사는 큰 시설자금을 투입하여 MIT 소자를 월 1억 개의 소자를 생산할 수 있는 팹(Fab) 라인을 건설중이다.

<참고자료 2, 기존 전자개폐기와 MIT 개폐기와 비교>

100년 기술 (기계식)				ETRI 기술 (센싱부분 電子식)
핵심소자명	장점	단점	용도	핵심 소자명	장점	단점	용도
바이메탈 :온도증가에 따라 만곡특성 (연속적 아날로그 특성)	단순함	환경보정 어려움, 경년(經年)변화로 특성변화, 기계식제어	열동형계전기(Thermal Overload Relay), 차단기	MIT소자 :임게온도에서 급격한 저항변화 (불연속적 디지털특성)	회로간단, 환경온도보정 불필요, 전자식 제어	미발견	열동형계전기, 차단기
ODP솔레노이드 전자석 :전류증가에 따라 자기력이 증가하는 특성 (연속적아날로그 특성)	전자석 원리, 큰 전류에 효과 큼	복잡, 제조어려움, 고가, 큼, 기계식제어, 사양화되고 있는 추세	차단기

<첨부 그림 1> MIT-CTS (Critical Temperature Switch: 임계온도스위치) 소자에서 측정된 저항의 임계온도 특성이며, 임계온도 67oC 근처에서 저항 변화(약 104)를 보여줌.

<참고자료 3, 시장분석>

[차단기 시장]

차단기는 고가이고 부가가치가 있다. 전력 차단기 시장은 아래의 그림 2와 같이 크며, 지역별 시장규모는 그림 3에서 보여주며, 국내기업 전체의 해외시장 점유율은 13.1% 정도로 낮으며 그림 4에서 보여준다. 업계에 따르면 우리나라가 전력분야 해외 진출이 어려운 이유는 선진국 다국적 기업들의 기술 장벽이 높고 국내 원천기술의 부재 때문으로 해석하고 있다. 가까운 미래에는 중국과 인도의 약진으로 한국의 해외시장 점유율이 크게 떨어질 것으로 예측하고 있다.(ETRI 보고서). 따라서 국내기술인 MIT 기술을 잘 개발하고 관리하면 우리나라가 취약한 전력분야에서 시장 점유율을 올릴 수 있을 뿐만 아니라 전력차단 산업을 국가 성장동력으로 키울 수 있다.

그림 2. 세계차단기 및 개폐기 시장 전망

(출처 :“The World Market For Transmission & Distribution Equipment and Systems”, Goulden Report, 2013).

그림 4. 세계중전기 시장에서 각 회사들의 시장점유율

[참고: 세계 중전기기 시장 점유율을 보면, 국내 대기업 현대중공업 2.2%, 효성 1.9%, LS산전 1.3%, 일진전기 0.9% 등이며 국내 중소기업 포함 모든 기업을 합해도 13.1% 정도임. 해외기업 ABB 17.2%, 슈나이더 13.6%, 지멘스 13.4%, 도시바 7.7% 등.]

<참고자료 4, Q&A>

MIT 현상이란 무엇인가 ?

10년 전(2005년) MIT 개발후 최근까지 연구 경과를 간략히 설명 ?

2005년 8월 31일 MIT 개발 후 MIT 프로젝트는 중단 없이 계속 이어져 왔으며, 꾸준히 연구한 결과 미국물리학회에서 바나듐계 MIT 세션을 2개 만들었으며, 연구 논문을 Science를 비롯한 유명 물리학 저널에 60편 이상 게재하였음. 그 논문들은 3,944편 이상 인용되었음. MIT 소자는 기술이전 되어 사업성 검토를 위하여 화재감지용 소자를 포함한 MIT+트랜지스터가 시험 판매되고 있음(약 100만개 정도 팔리면서 사업성이 확인됨). 기술이전을 받은 업체 (주) 모브릭은 리튬이온 전지 보호용 소자로 시험중이며, MIT 소자 대량생산(월 1억개)용 MIT 소자 생산용 팹(Fab) 라인 공장을 오창에 건설하고 있으며 11월에 완공예정이며 2016년도부터 대량생산되어 시중에 공급할 예정임. 특히, MIT 센터에서 최초로 주장한 모트 MIT (구조 상전이 없는 금속-절연체 전이 현상)은 타 연구그룹에 의해 증명되었음.

MIT 기술 상용화 전략은 ?

2009년 11월 MIT 소자 기술이전 이래 2015년 상반기까지 사업성 검토를 한 결과 리튬이온 전지 보호소자를 비롯한 MIT 트랜지스터, 화재 감지기용 MIT 소자, 전력 트랜지스터 발열제어용 소자, 본 발명의 핵심인 열동형 계전기, 차단기 등과 같은 큰 응용분야가 발견되어 사업성이 있는 것으로 판단되었음. 그래서 MIT 기술을 이전 받은 회사(모브릭)는 MIT 소자 대량 생산용 Fab 라인을 건설 중이며 지속적인 투자를 계획하고 있음. 열동형 계전기와 차단기는 MIT 소자를 이용한 시스템이며 이 시스템을 제조하여 판매하면 부가가치를 더 낼 수 있고, 사업화를 성공할 수 있을 것으로 판단함. 그리고 MIT 소자를 대량생산하기 위하여 중저가 차단기 시장이 매우 크므로 이쪽 시장을 집중 공략할 계획임.

MIT 개폐기와 차단기 발명의 의의가 무엇인가 ?

기술적으로는 100년 동안 사용되어온 바이메탈과 솔레노이드 전자석(ODP)과 기계적 접점을 사용하지 않고 보다 소형 단순 저렴한 MIT 소자 이용 전자식 전자 개폐기와 차단기(누전, 배선)는 전력이 있는 한 사용될 수 있는 살아있는 기술의 개발에 큰 의의가 있고, 경제적으로는 부가가치가 있는 전력차단기술 분야에 원천기술의 개발로 이 분야 국제경쟁력을 갖추어서 세계시장 점유할 수 있으며 일자리 창출 및 국부창출에 기여를 할 수 있다는 데도 큰 의미가 있음.

MIT 개폐기 및 차단기(중전기기 시장)의 경제적 파급효과는 무엇인가 ?

전력 차단기(중전기기) 시장은 아래의 그림과 같이 크며, 국내기업 전체의 해외시장 점유율은 13.1% 정도로 낮음. 업계에 따르면 우리나라가 전력분야 해외 진출이 어려운 이유는 선진국 다국적 기업들의 기술 장벽이 높고 국내 원천기술의 부재 때문으로 해석하고 있음. 2015년 국내시장은 3조원정도 되며 세계시장은 약 30조원으로 조사되었으며 매년 3.6% 성장하고 있음. 또한 차단기 관련 부품사업의 성장에도 큰 파급효과가 예상됨.

[참고: 세계 중전기기 시장 점유율을 보면, 국내 대기업 현대중공업 2.2%, 효성 1.9%, LS산전 1.3%, 일진전기 0.9% 등이며 국내 중소기업 포함 모든 기업을 합해도 13.1% 정도임. 해외기업 ABB 17.2%, 슈나이더 13.6%, 지멘스 13.4%, 도시바 7.7% 등.]

기존의 개폐기 및 차단기와 MIT 개폐기 및 차단기 기술적 차이가 무엇인가 ?

기존의 개폐기와 차단기는 바이메탈 혹은 솔레노이드 전자석(Oil Dash Pot: ODP)과 기계식 접점을 이용하는 대신, MIT 개폐기와 차단기는 MIT 소자와 발열도선과 전자식 스위치로 전력을 차단하는 것이 큰 차이임.

<참고자료 5, 김현탁 박사 연구이력>

기간	연구과정	연구 내용
1982.3.~1984.2.	서울대 석사	MIT 관련 이론 연구
1984.3.~1992.3.	회사근무	전자공학 관련 업무
1992.4.~1995.3.	일본 쓰쿠바(筑波)대학 박사	MIT 관련 연구
1995.4.~1998.3.	일본 쓰쿠바(筑波)대학 대학교수	MIT 관련 연구
1998.4. ~ 현재	ETRI 책임연구원	MIT 관련 초전도 과제 수행
2002.1.~2015.9. (현재: 약13년)	ETRI 연구원 (MIT 과제 책임자)	MIT 연구: MIT 현상규명 및 응용기술개발 ◆ ETRI, 공식적으로 MIT 과제 시작(2002) 및 진행(현재) MIT 현상규명(Mechanism) 연구 실적: ◆ 물리학계의 오랜 물리문제인 모트 금속-절연체 전이 연구에서 ‘구조 상전이 없는 금속-절연체 전이 현상’ 실험으로 최초 관측 ◆ MIT 응용연구 포함 SCI 논문 84편 게재(사이언스 등) 위 연구내용은 선진국 연구기관에서 재현되었음 ◆ 논문 피인용 3,944편 이상 -> 글로벌 리더가 되었음 MIT 응용연구 실적: 특허 국내 74개, 국제 189개 ◆ MIT 소자 개발 ◆ MITR 개발: MIT + 트랜지스터 융합 소자 ◆ HTR 개발: MITR + 파워트랜지스터 융합소자 ◆ 1차 기술이전 (2009. 11.): ㈜모브릭 MIT 소자 월 1억개 생산 가능 공장 오창에 건설 중 (10월 완공예정) ◆ MIT 소자 이용 정온식 화재 감지기 발명(현 판매중) ◆ MIT 소자 이용 보상식 화재 감지기 발명 ◆ Si에서 MIT 현상 발견 및 NDR 트랜지스터 발명 ◆ Si NDR 트랜지스터 이용 스위칭 파워서플라이 발명 ◆ 저압전력 감시용 전력차단기술 개발 (2015) (기술이전 진행 중) 중요한 기술관련 수상 명예: ◆ 대한민국 특허 최고상 발명대왕상 수상 (2008) ◆ 세종대왕 특허 기술 대상 (2006)