북유럽 4 개국 (Sweden, Norway, Denmark, Finland)

과학 기술 분야

Technical Trend 보고서

2015. 4

스칸디나비아 과협 (KSSEA)

목 차

1 장. ICT 분야 ....................................................................................................... 7

1.1 북유럽 ICT 산업동향 ................................................................................................ 7

1.1.1 북유럽의 ICT 산학연 클러스터 ...................................................................................8

1.1.2 북유럽 게임 산업 동향 ..............................................................................................15

1.1.3 북유럽 무선이동통신 산업동향 ................................................................................19

1.2 북유럽 ICT 기술 및 연구 동향 ............................................................................ 23

1.2.1 차세대 광통신 연구동향 ............................................................................................23

1.2.2 제 5세대 이동통신 (5G) 연구동향 ...........................................................................26

참고문헌 (Bibliography) ........................................................................................ 34

2 장. 나노테크놀러지 (Nanotchnology) .......................................................... 36

2.1 개 요 ........................................................................................................................ 36

2.2 북유럽 나노기술현황 ............................................................................................. 38

2.2.1 나노소재 (Nanomaterials) ..........................................................................................38

2.2.2 나노전자소자 (Nanoelectronics) .................................................................................43

2.2.3 나노포토닉스 (Nanophotonics) ...................................................................................49

2.2.4 바이오 및 헬스케어 ....................................................................................................53

2.3 국가별 나노기술 트랜드 ....................................................................................... 56

2.3.1 스웨덴 (Sweden) ..........................................................................................................56

2.3.2 덴마크 (Denmark) ........................................................................................................58

2.3.3 핀란드 (Finland) ...........................................................................................................60

2.3.4 노르웨이 (Norway) .......................................................................................................63

2.4 결론 및 향후전망 ................................................................................................... 66

2.4.1 북유럽 국가 나노기술 전망 ......................................................................................67

참고문헌 (Bibliography) ........................................................................................ 69

3 장. BT (Bio Technology) 기술분야 .............................................................. 76

3.1 북유럽 생명공학 연구동향 ................................................................................... 76

3.2 뇌의 인지행위와 관련한 Fast-spiking Parvalbumin (FS-PV) Interneurons 의

역할연구.............................................................................................................................. 77

3.2.1 연구기관 소개..............................................................................................................77

3.2.2 연구배경과 목적 ..........................................................................................................78

3.2.3 내용, 방법, 범위 .........................................................................................................79

3.2.4 관련 연구동향..............................................................................................................82

3.2.5 기대효과 및 활용방안 ................................................................................................83

3.3 세포밖 소포체의 분비와 기작 연구 ................................................................... 87

3.3.1 세포밖 소포체 연구 동향 ..........................................................................................87

3.3.2 북유럽 4개국 세포밖 소포체 최신 연구 동향 ......................................................89

3.3.3 활용 방안 .....................................................................................................................91

3.4 GMO를 통한 유용물질 생산 ................................................................................ 92

3.4.1 개요 ...............................................................................................................................92

3.4.2 식물에서의 유용 물질 생산 ......................................................................................92

3.4.3 미생물을 이용한 유용 물질 생산 ............................................................................94

3.5 기후변화와 관련한 식물의 생장과 식물의 생산성 증진을 위한 노력 ........ 96

3.5.1 연구 배경과동향 ..........................................................................................................96

3.5.2 노르웨이에서 진행되는 기후변화에 대응하는 식물의 생장연구 .......................97

3.5.3 연구방향 .......................................................................................................................98

3.5.4 연구성과 ..................................................................................................................... 100

3.5.5 연구성과의 활용 ........................................................................................................ 101

3.6 Centre of Environmental Radioactivity (CERAD) ................................................ 101

3.6.1 연구배경과 동향 ........................................................................................................ 101

3.6.2 연구방향 ..................................................................................................................... 102

3.6.3 구체적인 연구분야 .................................................................................................... 104

3.7 앱타머 개발 ........................................................................................................... 106

3.7.1 ssDNA앱타머 개발 연구 .............................................................................................. 106

3.8 질량분석 기반 프로테오믹스 연구 ................................................................... 112

3.9 연어양식 산업에서 연어백신의 개발과 사용 .................................................. 115

3.9.1 배경과 목적 및 범위 ................................................................................................ 115

3.9.2 활용 및 기대효과 ...................................................................................................... 120

참고문헌 (Bibliography) ......................................................................................122

4 장. Energy 환경 기술분야 ..........................................................................128

4.1 에너지 기술개발 개요 및 현황 ......................................................................... 128

4.2 서브시 프로세싱 (Subsea Processing) .............................................................. 129

4.2.1 서브시 다상펌프 (Subsea Multiphase Pump) ......................................................... 129

4.2.2 서브시 상분리기 (Subsea Separator) ..................................................................... 133

4.2.3 서브시 컴프레서 (Subsea Compressor) ................................................................. 136

4.3 다상유동 기술 (Multiphase Flow Technology) .................................................. 141

4.4 LNG 액화공정 (LNG Liquefaction Process) ....................................................... 145

4.5 이산화탄소 포집 및 저장 (CCS - Carbon Capture and Storage) ................ 150

참고문헌 (Bibliography) ......................................................................................152

5 장. 기계 분야 ................................................................................................154

5.1 차세대 전기자동차 개발 ..................................................................................... 154

5.1.1 전기자동차 기술 ........................................................................................................ 154

5.1.2 전기자동차 구조 ........................................................................................................ 155

5.1.3 전기자동차의 환경적인 측면 .................................................................................. 156

5.1.4 ISO 16254-2016 .............................................................................................................. 156

5.2 진보된 수중 음향 탐지기술 ............................................................................... 158

5.2.1 항만 수중 침투 탐지 시스템 .................................................................................. 158

5.2.2 잠수체 음향 탐지 ...................................................................................................... 161

5.2.3 신개념 다음장(Multi-Field) 마이크로폰(Microphone) 개발 ................................... 166

5.2.4 음장 (Sound Field) ..................................................................................................... 166

5.2.5 다음장 마이크로폰 (Multi-Field Microphone) ......................................................... 167

5.2.6 평판형 마이크로폰 (Flat Microphone) .................................................................... 170

5.3 진보된 음향 가시화 기법 개발 ......................................................................... 173

5.3.1 근접 음장 가시화 ...................................................................................................... 173

5.3.2 자유 음장 가시화 ...................................................................................................... 175

5.3.3 이동 음원 가시화 ...................................................................................................... 178

6 장. 조선∙해양 분야.......................................................................................188

6.1 조선, 해양기술 동향 ............................................................................................ 188

6.1.1 세계 조선 및 해양 산업 동향 ................................................................................ 188

6.1.2 세계 조선 시황.......................................................................................................... 190

6.1.3 북유럽에서의 조선, 해양 기술 동향 ..................................................................... 191

6.2 해양 에너지 및 해양 플랜트 설치 기술 ......................................................... 200

6.2.1 친환경 해상 풍력 발전 에너지 기술 동향........................................................... 200

6.2.2 친환경 해상 풍력 발전기 설계 및 시공 기술 ..................................................... 207

6.2.3 노르웨이 최근 현황 .................................................................................................. 212

6.2.4 해양 지반조사............................................................................................................ 213

6.3 선박, 해양 플랜트의 위험 및 안전 기술 동향............................................... 219

6.3.1 원해역 해양 플랜트 (offshore plant) 및 해저 플랜트의 안전 운용 ................. 219

6.3.2 고정식 플랫폼 안전성 평가 기술 .......................................................................... 224

참고문헌 (Bibliography) ......................................................................................228

1 장. ICT 분야

ICT 산업은 북유럽 경제의 중추적 역할을 담당하고 있다. 특히 핀란드와 스웨덴에서

이러한 경향이 두드러진다. OECD 에 따르면 2000 년 기준 비농업분야의 ICT 비중이

세계에서 가장 높은 나라는 핀란드로 약 15%에 달하며, 스웨덴이 14%로 3 위를 차지하고

있다. 대한민국이 세계 2 위로 핀란드와 스웨덴 사이에 위치한다. (OECD, 2002)

북유럽은 ICT 산업의 국제 경쟁력 또한 매우 높다. Business Software Association 에서

발표하는 IT 산업경쟁력지수 (IT industry competitiveness index)에 따르면, 2009 년 기준

핀란드와 스웨덴은 미국의 뒤를 이어 세계 2, 3 위를 차지했다. 2011 년 지수에서도

핀란드가 2 위, 스웨덴이 4 위를 차지하는 등 최상위권 경쟁력을 유지하고 있다. 덴마크와

노르웨이의 경우 ICT 의 산업비중이 핀란드와 스웨덴만큼 크지는 않으나 ICT 기술의

경쟁력은 세계 상위권을 유지하고 있다. 덴마크의 경우에는 2009 년 8 위, 2011 년 6 위를

차지했으며 노르웨이는 2009 년 10 위, 2011 년 14 위를 차지했다. 이에 비해 대한민국은

2009 년 16 위, 2011 년 19 위로 아직 세계 최상위권과는 거리가 있다. (Business Software

Alliance, 2011) 요약하면, 대한민국은 북유럽 국가들과 유사하게 ICT 산업의 비중이 매우

높지만 아직 그에 상응하는 국제 경쟁력을 확보하지 못 했다고 할 수 있다. 따라서

북유럽 ICT 산업의 특성을 분석하는 것은 대한민국 ICT 의 경쟁력을 제고할 수 있는

시사점을 찾기 위한 좋은 방법이 될 것이다.

역사적으로 북유럽 ICT 산업을 대표하는 분야는 무선이동통신이다. 핀란드의 노키아와

스웨덴의 에릭슨이 이 분야를 선도해 왔으며, 산학연 협력이 잘 정착된 분야이기도 하다.

최근에는 소프트웨어 분야도 상당한 수준의 경쟁력을 보여주고 있는데, 특히 앵그리버드,

마인크래프트, 캔디크러쉬사가 등 초대형 히트작을 생산해내고 있는 게임 산업의 성장이

눈부시다. 이 장에서는 북유럽의 무선이동통신 산업현황 및 그 기반을 이루고 있는

산학연 클러스터를 소개하고, 게임 산업의 현황을 조사한다. ICT 연구 분야로 눈을

돌리면 현재 북유럽이 선도하고 있는 분야로 차세대 통신시스템 연구를 꼽을 수 있다.

이 장에서는 차세대통신시스템을 광통신 및 무선통신 시스템으로 나누어 각 분야의 최신

연구동향을 정리한다.

1.1 북유럽 ICT 산업동향

본 절은 북유럽 ICT 산업동향을 기술한다. 먼저 북유럽의 대표적인 ICT 산학연

클러스터인 시스타와 오타니에미의 현황 및 성공요인을 분석한다. 다음으로 북유럽의

게임산업과 무선이동통신 산업의 동향을 정리한다.

1.1.1 북유럽의 ICT 산학연 클러스터

북유럽의 긴밀한 산학연 협력은 ICT 산업의 성공 요인 중의 하나로 꼽힌다. 산학연

협력은 대부분 ICT 혁신 클러스터를 중심으로 이루어진다. 다양한 크고 작은 규모의 ICT

산학연 클러스터가 있는데, 이 중 역사 및 규모 면에서 가장 성공적인 곳은 스웨덴의

시스타 사이언스 시티 (Kista Science City)와 핀란드의 오타니에미 사이언스 시티

(Otaniemi Science City)이다. 이 두 클러스터는 ICT 산학연 협력의 모범 사례로

전세계적으로 널리 알려져 있으며, 특히 시스타 사이언스 시티는 한국에도 수 차례

소개된 바 있다. 본 절에서는 기존의 보고서에서 한 발 더 나아가 시스타와

오타니에미에서 수년간 근무한 한국인 연구자들의 시각을 통해 북유럽 ICT 클러스터의

성공 요인과 향후 과제를 분석한다.

1.1.1.1 시스타 사이언스 시티

시스타의 역사와 개요

시스타는 스톡홀름 중심부에서 북서쪽으로 20km 떨어진 곳에 위치해 있다. 지하철로는

T-Centralen 역에서 17 분 거리에 해당한다. 1970 년도에 주거단지로 개발이 시작된

지역에 에릭슨의 무선통신 관련 사업부와 연구소가 입주하면서, 수많은 정보통신업체가

뒤를 이어 입주하게 되었다. 1980 년대에는 산학연 기관들과 스톡홀름 시가 함께 설립한

Electrum 재단이 시스타 지역의 관리와 발전을 위한 업무를 전담하기 시작했으며, 이

재단은 후에 Kista Science City AB 라는 주식회사로 변경되었다. 2012 년

기준으로 1168 개에 달하는 ICT 관련 기업이 시스타에 입주해 있다. 72346 명이

시스타에서 근무하고 있으며, 이 중 23973 명이 ICT 분야 종사자이다. (BengtssonInger,

2014)

그림 1-1 시스타 사이언스 시티의 전경

시스타의 성공 요인

시스타의 성공 요인으로는 흔히 다음과 같은 점이 꼽힌다. (이현우, 2014)

• 스웨덴을 대표하는 대기업인 에릭슨의 입주

• 스웨덴의 수도 스톡홀름과 알란다 국제공항에서 가까운 우수한 입지조건

• 운영 및 관리전담회사의 설립

• 대학 및 정부출연연구소의 입주

• 시스타 혁신성장센터의 설립 및 창업 지원

그러나 이러한 제도적인 성공요인만큼 중요한 요인은 시스타에 실제로 산학연 협력을

수행하는 사람들의 자세이다. 이는 정량화하기 어렵지만 시스타에서 수년간 근무한

한국인 연구자들이 피부로 느끼는 점이다. 특히 시스타에 근무하는 연구원들의 개방성에

주목할 필요가 있다.

그림 1-2 시스타 지역 내의 에릭슨 입주 현황

그림 1-2 에서 알 수 있듯이 시스타의 대표 기업인 에릭슨의 건물은 시스타 전역에 고루

분포하고 있으며 그 사이를 대학, 연구소, 협력 업체들이 메우고 있다. 심지어 에릭슨의

최대 경쟁사인 화웨이의 연구소도 시스타 사이언스 파크에 공존하고 있다. 이는 다양한

산학연의 연구자들이 쉽게 만날 수 있도록 도와준다. 예를 들어 점심식사 시간에 다른

업체의 직원과 마주쳐 잠시 대화를 나누는 경우가 자주 있는데, 이를 통해 시스타 내의

원활한 정보교류가 가능해진다. 이러한 개방적인 태도는 단순한 정보교류에서 그치지

않고 다양한 기업, 대학, 연구소의 연구원들이 함께 하는 협력 프로젝트로 파생되는

원동력이 된다.

시스타의 당면 과제

시스타는 그 동안 에릭슨으로 대표되는 이동통신 산업 위주로 발전해왔다. 그러나

시스타의 핵심 역량이 이동통신 위주로 치우치면서 ICT 의 다른 분야 및 다른 산업

분야와 융합하지 못 하는 것이 시스타가 현재 당면한 과제이다. 스웨덴은 이동통신

이외에도 ICT 의 타 분야에서 두각을 나타내고 있다. 특히 미디어 서비스 관련 산업 및

다음 장에서 소개할 게임산업에서 상당한 강점을 보인다. 이와 같이 새롭게 대두되는

분야와 시스타가 전통적으로 강한 이동통신 산업을 성공적으로 융합할 수 있는지가

시스타의 지속적인 성장과 경쟁력 유지를 위한 가장 중요한 과제로 보인다.

1.1.1.2 오타니에미 사이언스 시티

오타니에미 역사와 개요

오타니에미는 핀란드 수도인 헬싱키 중심부로부터 서북쪽으로 16km 떨어진 에스포 (City

of Espoo)에 위치해 있으며 알토대학교 (Aalto University)의 공과대학을 중심으로,

정부연구소와 기업이 물리적 접근성을 가지고 산학연 협력을 통해 지역발전뿐 아니라

과학기술발전이 성공적으로 이루어지고 있는 핀란드의 대표 산학연 클러스터 지역의

명칭이다. 핀란드정부 주도하에 국가의 과학기술을 담당할 과학기술지역으로 육성시킬

목적으로 오타니에미 지역에 1949 년부터 과학기술 단지를 계획하였고, 헬싱키 공대 (현

알토대학교)와 국립기술연구센터인 VTT (Technical Research Centre of Finland)가 설립된

이후인 1985 년부터 실질적인 과학기술단지로써의 행보를 시작하였다. 이후 중앙정부의

정책적 지원이 더해지면서 초창기에는 노키아를 중심으로 관련기업들의 입주가

활발하였으며, Innopolis (Technopolis Innopoli Ltd), Innovation center 등 창업관련

지원기관들의 설립을 통해 대기업과 벤처기업간의 협력을 유도하며 과학기술 벤처산업을

이끌었다.

오타니에미 단지는 대학, 연구기관, 산업 사이에 새로운 연계를 창출하는데 목적을 두고

있으며, 대학과 연구기관으로부터 민간기업으로 기술을 이전하여 과학 및 연구기반

기업들의 창업을 촉진하는 목적을 가지고 있다고 할 수 있다. 핀란드가 정보통신

산업부문에서 선두적인 역할을 할 수 있었던 원인은 정부주도형 산업정책과 기업들의

아낌없는 R&D 투자 및 벤처에 대한 기업가정신, 그리고 대학의 첨단기술개발

연구능력이라 할 수 있는데, 오타니에미 과학기술단지는 이 모든 요소들이 다 포함된

결정판이라 할 수 있다.

그림 1-3 오타니에미 사이언스 시티의 전경 과 지도

오타니에미 과학단지의 성공요인

오타니에미 과학도시의 성공요인은 크게 과거(하드웨어)의 물리적 인접성을 이용한

산학연협력과 현재(소프트웨어)의 다학제간 창의적 인재양성을 바탕으로 한 혁신적

창업지원체계로 크게 구분할 수 있다.

물리적 환경요소를 기반으로 한 산학연 협력

오타니에미 과학도시는 알토대 공과대학을 중심으로 국가기술연구소(VTT) 뿐 아니라

핀란드 과학기술정보센터(Finnish IT Center for Science) 등의 정부출연연구소,

국립기술개발청 (National Technology Agency, TEKES), 핀란드 기술혁신 기금(Foundation

for Finnish Inventions), 창업지원센터(Innopolis)와 같은 정부지원기관, 그리고 노키아와

에릭슨, 삼성전자, KONE 등의 주요 IT 분야 글로벌 기업의 유럽지사, R&D 센터은 물론

신생 창업기업 등 800 여개 기업들이 입주해 있다. 즉 대학, 정부출연연구기관, 산업계가

모두 한 지역에서 도보로 이동 가능한 거리에 집결한 하나의 클러스터형태로 위치해있기

때문에 서로 협력하며 과학기술개발을 위한 상호작용을 통해 핀란드 과학기술의 중추적

역할을 담당하고 있다.

도보로 이동 가능한 거리에 집결해 있는 오타니에미 단지의 물리적 환경요소는 대학과

연구소 그리고 산업체 사이의 연계를 통해 연구개발 활동뿐만 아니라 산학연간의 공동

R&D 설비, 연구공간 등을 공유하면서 서로간의 네트워크를 강화할 수 있다는 장점을

가진다. 즉, 산학연참여주체인 대학, 기업, 연구소 간 연구원들의 하드웨어에 대한 공유는

자연스럽게 인적 네트워크에 대한 빈도가 높아질 수 있는 기회를 제공하여, 서로 업무

외적인 부분에서도 같은 분야에 대한 호기심을 기반으로 수시로 아이디어를 나누고 열띤

토론을 펼침으로써 기술개발에 대한 아이디어를 만들어 낼 수 있는 기회를 창출할 수

있다. 오타니에미는 이런 물리적, 공간적 인접성(proximity)과 상호연계성이 어떻게

협력과 혁신을 촉진하는가를 가장 잘 보여주는 세계적 사례라고 할 수 있다.

체계적인 창업지원 시스템 & 학생창업 붐

오타니에미의 또 다른 특징은 학생과 연구자들을 위한 창업시스템이 아주 잘 갖추어져

있다는 사실이다. 오타니에미에서는 산학연협력의 최종적 목표를 창업에 두고 있음을

주목할 필요가 있다.

Innopolis 중심의 창업지원: 오타니에미 과학단지 내 하이테크 창업 인큐베이터단지인

이노폴리스는 핀란드 창업교육을 통해 설립된 회사들이 성장할 수 있는 보금자리 역할을

담당하고 있으며 편의시설뿐 아니라 벤처사업에 필요한 마케팅이나 재무관리 등의

교육까지 담당하며 벤처인프라를 제공하고 있다. 이노폴리스는 벤처기업 선정은

엄격한지만 보육·지원시스템이 완벽해 벤처기업 생존율은 90%에 달한다고 한다.

이곳에서 인큐베이팅한 벤처기업들은 핀란드 경제의 버팀목 역할을 하고 있다.

그림 1-4 오타니에미 사이언스 시티에 있는 이노폴리스와 테크노폴리스 전경

학생이 새로운 사업 아이디어를 가지고 있을 때 벤처기업으로 연결하고 제대로 된

기업으로 성장하도록 지원하는 것이 이노폴리스의 역할이라면 같은 오타니에미에 입주해

있는 핀란드 정부 산하 기술개발센터(TEKES)는 이노폴리스에 입주해 있는 기업에 대해선

기술평가를 통해 50%까지 창업자금을 지원하며 이들의 창업을 더욱 독려하는 역할을

한다. 실제로 학교 연구실이나 학생의 아이디어로 시작한 벤처기업 100 여 사가 상주해

있으며, 학생들은 기초지식뿐 아니라 기업과 함께 연구하며 아이디어를 실생활에 사용할

수 있는 제품으로 만들어가는 시스템을 체험하고 있다고 할 수 있다.

학생 창업 붐: 최근 오타니에미 단지에는 학생창업이 활발하게 이뤄지고 있으며 배경에는

알토대학교가 있다. 기존의 엔지니어 인재양성의 역할을 담당하고 있던 헬싱키공과대학

(TKK)이 알토대학교로 변경됨에 따라 기존의 과학기술인재뿐만 아니라 IT 비즈니스와

관련 있는 경영, 경제 및 디자인인재들이 IT 산업의 적재적소에 맞는 역할을 담당하기

위해 오타니에미 단지는 대학을 중심으로 창업에 대한 융합교육을 통해 인력교류의 장을

넓히는 계기를 마련하고 있다. 알토대는 이러한 특수성을 통해 학생들이 자생적으로

만든 Altoes (Aalto Entrepreneurship Society) 라는 창업지원 조직을 2009 년부터 지원하고

있다. 그 결과 지금은 다른 유럽 학생들과 창업 아이디어를 공유하기 위해 다양한

활동을 벌이면서 북유럽 벤처 생태계의 구심점으로 성장하였다는 평가를 받고 있다.

그 중 최근 인기를 얻고 있는 프로그램은 창업경진대회 ‘ 스타트업 사우나 (Start-up

sauna)’ 이다. 사우나를 할 때 땀에 흠뻑 젖는 것처럼 학생들이 아이디어를 비즈니스

모델로 만들기 위해 열정을 다한다는 의미로 지어진 스타트업 사우나는 창의적인

아이디어를 실제 창업으로 연결해 주는 것이 목표인 프로그램이다. 누구든지 창업할

좋은 아이디어나 기술을 가지고 있으면 6 주간 집중적으로 지도를 해주며, 아이디어를

가진 창업예정자와 기업가, 투자가, 그리고 대학교수 등 과학기술자들이 한 자리에

모이는 공간을 제공하는 역할을 수행한다. 따라서 스타트업 사우나는 예비창업자인

학생들의 창업문화를 대학, 정부, 그리고 전문성을 가진 기업가들이 만들어내는 새로운

조합의 창업 생태계라 할 수 있다. ‘ 클래시 오브 클랜 돌풍’을 일으킨 슈퍼셀

(Supercell)을 비롯해 기타 교육 애플리케이션(앱) 세계 1 위를 달리는 오벨린 (Ovelin) 등

최근 핀란드의 창업성공 신화에는 모두 스타트업 사우나가 함께하고 있다.

그 밖에 슬러시 컨퍼런스 (slush conference)를 통해 유럽 각국에서 사람들을 끌어 모아

창업 관련 교류의 장을 주관하기도 하며, 스타트업 라이프 (startup life)라는 인턴십

프로그램을 통해 일부 창업 준비 학생들에게 미국 실리콘밸리 벤처기업에서 일할 수

있는 기회를 주고 있다. 특히, 창업에 실패한 아이디어와 경험을 공유하며 성공을 위한

자산으로 만드는 날(매년 10 월 13 일 국제 실패의 날)을 정해 실패를 실패라고 보지 않고

또 다른 성공의 귀중한 자산이라고 생각하는 핀란드인들의 실패에 대한 자세를 주목할

필요가 있다.

1.1.2 북유럽 게임 산업 동향

1.1.2.1 북유럽 게임 개발사 현황

북유럽에는 타 지역의 게임들에 비해 월등히 높은 매출을 올리고 있으며 유명한

모바일/PC/콘솔 게임 개발업체들이 많이 있다. 특별히 세계 모바일 게임 시장을 북유럽

회사들이 리드하고 있다. 각 국가별 게임 개발업체들에 대해 간략히 알아보면 다음과

같다.

스웨덴:

King: 캔디크러쉬사가로 유명하며 2012 년 이후 연간 2 조원 이상의 매출을 올리고 있다.

1500 여명의 직원이 있으며 Sweden 의 Stockholm 에 절반이상의 핵심 개발인력이

모여있고, Malmö, Barcelona, London, Bucharest 에 개발 스튜디오를, San Francisco, 서울,

Tokyo, Beijing 에 각각 비즈니스 사무소를 두고 있다. 킹은 2015, 2016 년 중국 캐주얼

게임 마켓을 가장 큰 메이저 시장으로 보고 준비 중이다. 창의적인 기업 문화로도

유명하다.

Mojang: 마인크래프트로 유명한 게임개발사로 2009 년 출시 이후로 연간 2530 억원의

매출을 올리고 있다. 스톡홀롬에 본사가 있다. 마인크래프트는 PS4/Xbox one 등의

콘솔게임 플랫폼과 IOS, Android 등의 모바일 플랫폼 등 대부분의 현존하는 모든

플랫폼에서 실행 가능하다. 2014 년 Mojang 은 마이크로소프트에 2 조 5 천억원에

매각되었다. 현재 마이크로소프트에서 준비중인 홀로렌즈 (Hololens, 차세대 VR 가상현실

장치) 로의 포팅/업그레이드 중이며 디지털로 구현된 Lego 와 같은 의미로 많은 기대를

받고 있다.

그림 1-5 홀로렌즈 개념도 (출처: 마이크로소프트)

Dice Studio: 1992 년 Växjö 에 세워진 중견 게임개발사로 주로 콘솔과 피시용 게임만

만들고 있다. 유명한 타이틀로는 Battlefield 1942 와 Mirror's Edge 가 있다. 단일

스튜디오에서 년간 1000 억원이상의 매출을 올리고 있으며 2004 년 미국의 공룡

퍼블리셔인 EA 에 매각 되었다.

Massive: 1997 년 Malmö 에서 시작한 중견 개발사로 주로 콘솔과 피시용 게임만 만들고

있다. 우리나라에서도 유명한 전략 게임인 World in Conflict, Assassin's Creed, Far Cry

3, Tom Clancy's The Division 등을 제작하였다. 300 여명의 비교적 많은 개발자를

보유하였으며 2008 년 Ubisoft 에 매각되었다.

핀란드:

Rovio: 2003 년 창업한 헬싱키에 위치한 개발사이다. 앵그리버드로 모바일 게임 시장의

초창기에 많은 성공을 가져오고 아직까지 캐릭터 산업으로 그 명맥을 이어오고 있다.

교육사업에도 뛰어들었으나 별 성과를 이루지 못하고 있다. 앵그리버드 이후론 이렇다

할 성공작을 가져오지 못했고 기존 임원진들과 핵심 개발자들이 퇴사를 했으며 2014 년

전체직원의 약 16 프로인 130 여명의 인원이 정리해고 당했다. 연 매출 2000 억원을

올리고 있으며 이중 45%는 캐릭터 라이선스로 얻는 수익이다. 현재 애니메이션, 캐릭터

라이센싱, 게임개발, 유아 교육 콘텐트 등이 주력 사업이다.

Supercell: 슈퍼셀은 2010 년도에 헬싱키에서 창업한 개발사이다. 직원 130 여명이 연간

2 조원 이상의 매출을 올리고 있다. 일본의 Softbank 에 2013 년 1 조 6 천억원에 51 프로의

지분이 인수되었다. 그 후 연간 4800 억원을 마케팅 비용에 쏟았으며 한국에서만

100 억원 이상의 비용을 비용을 쓰며 모바일 게임 회사로는 가장 많은 금액을

사용하였다. 130 여명의 임직원들이 모두 15 년 이상의 베테랑 개발자들로 구성되어 있다.

대표작은 현재 전세계적으로 돌풍을 일으키고 있는 클래시 오브 클랜이다.

그림 1-6 Supercell 사의 대표작인 클래시 오브 클랜

덴마크:

Unity 3D: 현재 모바일, 콘솔게임 개발을 통틀어 가장 널리 쓰이는 게임엔진인 Unity

3D 를 만들었다. 게임엔진 시장의 45 프로를 점유하고 있으며 손쉽게 멀티 플랫폼으로

제작이 가능하여 널리 쓰이고 있다. 개인은 무료이나 기업으로부터 나오는 매출은

통계가 나와있지 않다. 다만 자체 내 어셋 스토어는 하루 2 만불이상의 매출을 내고 있다.

한국을 비롯한 아시아의 많은 게임들이 Unity 3D 를 이용하여 현재 게임을 개발 중이다.

1.1.2.2 북유럽 게임회사들의 특징

구조적 특징

북유럽 전체의 인구수가 대한민국의 절반에 불과하여 인력이 부족하며, 프로젝트당

개발인원도 북미나 아시아 게임개발사들에 비하여 절반 정도이다. 개발기간은 King 과

Supercell 을 기준으로 적게는 3 개월에서 길게는 12 개월로 타 지역에 비하여 절반

수준이다. 그럼에도 불구하고 이들의 성공요인은 무엇인가? 북유럽에서 가장 성공적인

게임 개발업체인 King 과 Supercell 을 주요 모델로 한국, 넓게는 아시아 게임개발사와의

차이점을 비교해 보겠다.

King 과 Supercell 은 개발과정에 있어서 위계 구조를 타파하고 평등한 개발자간 관계를

중시한다. 작은 그룹의 개발인원에게 상품 개발 방향성에 대한 절대적 권한을 줌으로써

각각의 구성원이 강한 주인의식을 가지게 한다. 한편으론 각각의 직책에 대한 명확한

구분을 자제하고 멀티태스크와 멀티 포지션을 맡아 일하도록 유도하고 있다. 이는

구성원이 각자 할 일만 하도록 방관하지 않고 좀 더 적극적으로 팀워크를 발휘하여

프로젝트를 끝내도록 유도하게 된다. 한국이나 기타 아시아 개발사에서는 강한

위계구조를 가지고, 말단의 개발자들이 경영진과 중간 관리자의 이중 결재를 받는

방식으로 되어 있다. 이는 창의력을 발휘해야 할 게임산업에 어울리지 않는 구조이며 각

개발자들이 최적의 성과를 내기 힘든 업무방식이다. 북유럽식 업무 방식의 단점으로는

구성원이 프로젝트의 성공에 관심이 없거나 실력 미숙일 경우, 프로젝트를 컨트롤

하기가 힘들어 진다. 채용단계에서 이미 경력이 많고 자기주도적인 인재를 채용했다라는

전제하에서만 효과를 볼 수 있다.

디자인을 중시하는 문화

세계적인 모바일 게임시장 붐에 편승하여 북유럽 게임들이 많은 성공을 이루었다.

모바일 게임시장은 사용자 경험이 매출과 직결되는 관계로, 사용자경험디자인 (UX

design)이 매우 중요한데, 타 지역 게임 개발사들과는 차별되게 King 과 Supercell 두

회사는 사용자심리학 박사 학위 소지자들을 UX designer 로 채용하고 있다. 또

한편으로는 심리학 박사학위 소지자들을 중심으로 다양한 데이터분석 기법을 통해

고객들의 행동패턴과 소비성향들을 분석 파악하고 공격적으로 대응하고 있다.

또한 게임 디자인에서 매우 실용적인 면모를 보이는데, 북유럽 특유의 심플한 제품

디자인이나 북유럽 유아용 동화에 나오는 특유의 저채도 색상들이 게임에는 적용되어

있지 않다. 일본과 미국의 취향을 철저히 반영한 디자인이 많이 사용되는데, King 의

미술감독인 Niklas Malmqvist 와 Supercell 의 CEO 인 Ilkka Paananen 에 따르면 북유럽의

특색보다는 디즈니, 픽사 등의 북미 3D 에니메이션이 더 세계적인 트렌드라는 내부적

판단에 따른 전략이라고 한다.

1.1.3 북유럽 무선이동통신 산업동향

북유럽의 무선이동통신 산업은 핀란드의 노키아 (핸드폰 분야)와 스웨덴의 에릭슨 (장비

분야)이 선도해왔다. 그러나 이는 한편으로 북유럽의 무선이동통신 산업이 노키아와

에릭슨의 실적에 크게 의존하는 효과를 가져왔다. 북유럽의 무선이동통신 산업은 최근

노키아와 에릭슨의 성장이 정체되면서 어려움을 겪고 있으며, 한 편으로는 이로 인한

다양한 기회가 창출되기도 한다. 본 절에서는 북유럽 무선이동통신 산업의 현황을

조사하고 시사점을 정리하였다.

1.1.3.1 핀란드의 무선이동통신 산업동향

전술한 바와 같이 핀란드의 무선 이동통신 산업은 노키아에 크게 의존해왔다. 노키아의

실적 및 전략이 무선 이동통신 산업뿐만 아니라 핀란드 전반적인 산업에 큰 영향을

미쳐왔다. 세계 휴대폰 시장에서 14 년 넘게 시장 점유율을 1 위로 점령했던 노키아는

어쩌면 핀란드인들에게 자부심의 상징이었을지도 모르겠다. 하지만 2008 년 이후 급락한

세계 스마트 폰 시장 점유율은 그들의 자부심을 유지하기에는 너무나 혹독한 시련의

시발점이 되었다. 핀란드 GDP 의 20% 규모를 차지하고 제조업의 80%를 담당하는

노키아의 실적하락은 핀란드 전체성장을 위협하는 양날의 칼로 작용하기에 충분했다

(Statistics Finland, 2015). 본 절은 대기업 의존도가 높은 한국에게 포스트 노키아 시대가

던지는 메시지를 살펴보자고 한다.

포스트 노키아 시대

핀란드 내외 많은 언론들은 노키아의 쇠퇴가 핀란드 경제에 엄청나게 새로운 기회가 온

것처럼 보도하기도 했고, 또 다른 한편으로는 “노키아의 몰락”이라는 다소 자극적인

단어를 써가면서 노키아의 몰락이 핀란드 경제가 엄청난 위기에 빠진 것처럼

이야기해왔다. 유로존의 경제 위기나 러시아와의 교역관계 악화와 같은 다른 요소들도

있었기에 핀란드 경제 위기 원인을 노키아 하나로 단정지을 수는 없다. 하지만 분명한

사실은 상징적인 기업의 부진에 대해 핀란드 내부적으로 위기 의식이 커져갔고, 막연한

불안감 보다는 건전한 위기의식을 바탕으로 현실을 인식하기 시작하였다는 것이다.

이러한 냉정한 현실 인식은 새로운 산업구조 및 혁신의 기회였고, 핀란드의 건전한 IT

생태계는 이런 변화를 수용하기에 충분한 역량을 보유하고 있었다라는 것이다.

기업의 역할 - 사회적 역할을 다하는 기업의 롤모델

노키아의 실적 부진은 노동자들의 대량 해고에 따른 실업률 증가로 이어졌다. 지난

2008 년 직원수가 12 만 5000 명에 달했던 노키아는 지난 6 년간 총 7 만 6000 명을

해고했다 (Bloomberg, 2014). 하지만 노키아와 함께 20 년동안 양성된 고급엔지니어들이

노키아의 몰락과 함께 새로운 창업 및 국내외 IT 기업취업 등으로, 오히려 다양한 사업

활성화에 기여하였다. 특히, 회사의 위기와 어려움 속에서도 직원들을 해고할 때

노키아는 브리지라는 해고자 창업 지원 프로그램을 통해 좋은 아이디어가 있다면 1 인당

약 2 만 5 천유로까지 지원함으로써 해고자들을 거리로 내모는 것이 아니라 가능한

새로운 창업의 길을 열어주는 역할을 하고 있다. 이는 기업의 영리추구 이전에 세계적

기업으로서 그들이 보유했던 우수한 기술력과 인력들이 글로벌 벤처기업을 창업하고

성장할 수 있도록 국가 플랫폼 역할을 하며 사회적 윤리적 책임을 끝까지 지켜 나가는

좋은 기업의 롤모델로서 시사하는 점이 크다.

정부의 역할

노키아에서 흘러 들어온 인재들의 스타트업은 기존 학생 주도의 스타트업 노력에 맞물려

스타트업 붐이라는 새로운 경제 활성화라는 결과를 가져왔다. 이러한 흐름을 이어가기

위해 핀란드 정부 차원에서 여러 게임 벤처 산업 육성을 위한 창업지원 및 정책들의

노력이 이어졌다. 이런 스타트업 붐과 정부정책의 노력들은 기존 핀란드의 IT 클러스터

전략과 함께 Rovio 나 Supercell 과 같은 고부가가치 벤처 호재에 지금까지 성공적인

역할을 해왔다는 평가를 받고 있다 (Vigo, 2015). 이는 핀란드와 함께 휴대폰 강국이라는

유사한 행보를 보이는 한국정부에게 벤처산업 육성 및 지원의 필요성과 방향성에

시사하는 점이 크다고 할 수 있다.

노키아의 변신: 실패를 딛고 빠르게 다른 가능성을 모색하는 기업의 롤모델

사실 노키아는 오랜 세월 동안 시장의 거대한 변화에 성공적으로 적응해온 혁신이라는

단어에 그다지 새로울 것이 없어 보이는 소위 말하는 혁신기업이었다. 1965 년

제지공장을 시작으로 펄프, 화장품, 고무 등 다양한 분야로 사업을 확대했다. 노키아

타이어는 유럽에서 가장 많이 판매되는 겨울용 타이어 명가 브랜드 중 하나이다. 특히,

지난 10 여년간 노키아의 가장 큰 주력 사업은 휴대폰 시장이었다. 노키아는 또 다른

변화의 노력으로써 모바일 사업부를 마이크로소프트에 판매하고, 나머지 사업 부문을

강화하는 체제로 변화했다. 2014 년 4 월, 본사의 대형 유리건물 맨 위쪽에 있던

노키아라는 간판이 마이크로 소프트라는 이름으로 바뀌었을 때는 핀란드인들에게는 적지

않은 충격이었다. 하지만 그 상실감은 위기의식의 기반으로 또 다른 혁신의 서막을

알리는 상징적인 순간이었다.

그림 1-7 마이크로소프트로 간판이 바뀌는 노키아 본사

워낙 기존 휴대폰 사업 규모가 컸기에, 실제 체감하는 핀란드인들의 상실감은 더

컸으리라 예상된다. 하지만 결론부터 말하자면, 노키아 자체는 아직 건재하다고 말할 수

있다. 노키아는 적자를 내던 모바일 사업부를 정리하고, 잘 할 수 있는 사업부(Networks,

Here, Technologies)로 재편하여 흑자로 전환한 상태이다. 특히, 네트워크는 노키아 매출

규모의 90%에 달하는 가장 주요 사업 부문이다. 기존 NSN (노키아-지멘스 합작)이

담당했던 것으로, 모바일 부문 판매 이후 NSN 이었던 명칭만 노키아 네트워크(지멘스

보유지분 인수)로 바뀌어, 기존 담당했던 통신 네트워크 인프라 사업을 지속하고 있다.

2015 년 4 월, 노키아는 다시 한번 혁신을 위해 알카텔-루슨트 (산하 벨 연구소)를 흡수

합병에 성공하였다. 이번 합병으로 노키아는 지난해 마이크로소프트에 핵심사업이던

휴대폰 부문 매각 이후에 통신장비 부문 세계 업계 2 위 (스웨덴 에릭슨 1 위, 중국

화웨이 3 위)로 도약하였다. 이는 휴대폰 제조 업체로 실패한 회사의 인상을 지우고 통신

장비 기술 업체로 체제를 전환했음을 알리는 긍정적인 역할과 동시에 2020 년 이후

펼쳐질 미래 5G 사물인터넷 (Internet of Things, IoT) 시대를 위한 통신기술 분야에서

선도기업으로 성장동력을 배가할 수 있다는데 의미가 있다.

현 핀란드의 무선이동통신 산업은 모바일 단말기 사업에서 모바일 네트워크 사업으로

재정비 되는 추세이다. 노키아는 변화하는 시대에 제대로 대응하지 못해 ‘ 몰락한’

휴대전화 기업이 아니라 실패를 딛고 빠르게 다른 가능성을 모색하는 기업으로

지금까지는 적어도 긍정적인 롤모델의 역할을 하였다. 앞으로 이런 혁신에 성공하여

제대로 변신해, 다시 ‘ 부활한’ 상징적인 기업으로 회자될 수 있을지 노키아의 새로운

시작이 기대된다.

1.1.3.2 스웨덴의 무선이동통신 산업동향

핀란드의 경우와 유사하게 스웨덴의 무선이동통신 산업은 에릭슨에 크게 의존하고 있다.

따라서 에릭슨의 실적 및 미래 전략이 전체 산업에 큰 영향을 미친다. 에릭슨은 2015 년

3 월에 스웨덴에서 2200 명 규모의 감원을 단행할 것이라고 발표했다. 특히 스웨덴

중부의 작은 도시인 Katrineholm 의 경우에는 생산 공장을 완전히 정지시킬 계획이다.

이는 실적 악화로 인한 불가피한 감원이라기 보다 에릭슨이 추진하고 있는 비용절감

계획의 일부로 보인다. 이에 앞서 2014 년 9 월에는 에릭슨이 스마트폰 모뎀 사업에서

철수하면서 스웨덴에서 약 700 명 규모의 감원 계획을 발표했다. 이는 다각화된 사업을

정리하고 핵심 역량을 무선통신시스템의 연구 개발에 집중하기 위한 전략의 일부였다.

급격한 몰락을 겪은 핀란드의 노키아와 달리 에릭슨은 무선통신장비 분야에서 여전히

우수한 실적을 거두고 있다. 그러나 과거에 무선통신시스템, 스마트폰, 모뎀에 이르는

포트폴리오를 가지고 있던 에릭슨이 핵심역량을 무선통신시스템에 집중하면서 지속적인

감원이 발생하고 있다. 또한 무선통신시스템의 경우에도 스웨덴 내에서의 기능을

연구개발로 집중하는 과정에서 스웨덴 곳곳에 산재해있던 생산 인력의 감원이 꾸준히

일어나고 있다.

최근 에릭슨은 다음 장에서 기술할 제 5 세대 이동통신 (5G)의 연구를 선도하는 등,

연구개발 분야에서는 여전히 세계 최고의 경쟁력을 유지하고 있다. 그러나 연구개발

분야는 높은 부가가치에 비해 고용효과는 크지 않다. 따라서 에릭슨의 전략은

장기적으로 스웨덴의 ICT 산업에 악영향을 끼칠 것으로 보인다. 에릭슨에서 감원된

인력이 다양한 벤처기업으로 흡수될 경우 벤처기업의 생태계가 풍성해지는 긍정적인

효과가 나타날 수도 있다. 하지만 핀란드의 경우와는 다르게 스웨덴에서는 아직

가시적인 효과가 나타나지 않고 있다.

1.2 북유럽 ICT 기술 및 연구 동향

앞서 북유럽 ICT 산업현황을 알아보았다. 이제 북유럽 ICT 산업의 경쟁력의 원천인 연구

분야를 살펴보기로 한다. 특히, 본 절은 북유럽 ICT 의 대표 분야인 통신시스템 분야의

최신 연구동향을 기술한다. 크게 차세대 광통신 분야 및 제 5 세대 이동통신 분야로

나누어 정리한다.

1.2.1 차세대 광통신 연구동향

2009 년 노벨 물리학상은, 광통신 연구에 대한 공로를 기리며 찰스 카오 (Charles K.

Kao)에게 수여되었다. 광통신은 정보를 전달하기 위해 빛을 사용하는데, 물리적인

근본적인 이유 때문에 전류를 사용하는 통신 방법에 비해서 통신 대역폭(bandwidth),

속도, 전송거리 등에서 월등한 장점을 갖는다. 이런 장점 때문에, 현재 지구상에

존재하는 모든 통신망의 근간(backbone)은 광통신 기술로 구축되어 있다. 이런 기술적인

월등함 때문에, 광통신 기술은 20 세기 후반부터 인류의 통신 패러다임을 변화시켜왔다.

구글, 페이스북, 무선전화, 화상전화 등은 광통신 기술이 없었다면 현재의 수준으로

구현되기 어려웠을 것이다.

이렇게 통신기술에 의존적으로 변화된 인류의 라이프 스타일 때문에, 더 넓은 대역폭의

통신기술이 요구되고 있고, 통신관련 에너지 소모도 크게 증가하고 있다. 2012 년 통계에

따르면, 통신망, 개인컴퓨터, 데이터센터(data center)를 포함하는 ICT 관련 전력소모가

전세계 전력소모량의 4.6%를 차지했는데, 문제는 전력소모량의 증가추세가 다른 분야를

크게 앞지르고 있다는 점이다. (LambertSofie, 외., 2012) 최근의 광통신관련 연구의

세계적인 추세는, 혁신적인 기술을 통해 앞서 나열된 ICT 분야의 통신 관련 대역폭을

현저한 수준으로 증가시키고, 에너지 소모를 크게 줄이는 데 맞추어져 있다. 이와

관련하여 또 다른 주목할 만한 연구경향은, 광통신이 수십 km 이상의 장거리 통신뿐만

아니라 단거리 통신에도 적극적으로 도입되고 있다는 점이다.

• 장거리 광통신: 수십 km 이상의 전송거리

• 데이터센터: 1 km 이하의 전송거리. 최근에는 1km 이상의 전송거리가 필요한

거대 데이터센터(large datacenter)에 대한 수요가 증가하고 있음.

• 고성능 컴퓨터 (high-performance computer; HPC): 1cm 이하의 반도체 칩 수준의

통신 (chip-level interconnect)부터 수 m 이하의 통신 (rack-to-rack

interconnect)이 필요함.

상기 분야는, NTT, IBM, Intel, Oracle, HP, 삼성전자, 화웨이 등 거의 모든 주요 통신 및

컴퓨터 관련 기업체에서 주요 연구분야로 연구를 진행해 오고 있으며, 커다란 경제적

파급효과가 예상된다. 상기 분야에서 요구되는 기술 혁신이 새로운 과학적, 공학적

발견을 필요로 하기 때문에 유수의 대학 및 연구기관에서도 관련 연구가 활발히

진행되고 있으며, OFC, Photonics West, ECOC 등 세계적인 광 관련 주요 학술대회에서

독립된 분과를 할당하고 있다. 북유럽의 대학연구기관 및 기업체에서도 상기 분야에

대한 활발한 연구활동 및 상용화가 진행되고 있다. 본 절은, 이 중에서 세계 최초 혹은

세계 최고 등의 경쟁력을 갖고 있는 세부 분야를 요약한다.

1.2.1.1 장거리 광통신 기술

장거리 광통신에서 대역폭을 늘리는 방법은 광신호를 담고 있는 통신채널 수를 늘리는

것이다. 기존의 장거리 광통신 기술에서는, 다수의 주파수 채널을 사용하거나(wavelength

division multiplexing; WDM) 다수의 위상 채널을 사용함(advanced modulation format)을

통해 통신채널 수를 늘릴 수 있었다.

현재 차세대 기술로 주목 받고 있는 방법은, 다수의 공간 채널을 사용하는 것 (space-

division multiplexing; SDM)이다. SDM 은 크게 두 가지 방식으로 나뉜다. 첫 번째는 한

개의 광섬유 내에 여러 개의 코어를 삽입하는 방식이다. 코어는, 광섬유 내에 포함된

실린더 형태의 광도파로 (optical waveguide)인데 광신호를 전달한다. 두 번째 방식은 한

개의 코어 내가 허용하는 여러 개의 waveguide mode 를 전송 채널로 사용하는 방식이다.

덴마크 공대 (Technical University of Denmark)를 중심으로 관련 연구가 활발하게

진행되고 있다. 최근에는, 43 Tb/s 의 기록적인 전송속도를 데모해서 많은 주목을 받았다.

1.2.1.2 데이터센터

데이터센터는 수많은 컴퓨터와 컴퓨터를 연결해 주는 스위치로 구성되어 있다. 따라서,

데이터 센터의 성능은 컴퓨터 및 스위치 사이의 통신의 효율성에 따라 크게 좌우된다.

현재, 데이터센터 내의 통신 표준은 광통신이다. 광원으로는 980nm 혹은 850nm 의

파장을 가진 VCSEL 이라는 레이저가 사용되며, 멀티모드 플라스틱 광섬유(multi-mode

plastic fiber)가 광도파로로 사용되고 있다.

현재 광통신의 표준 속도는 10 Gb/s 에서 12.5 Gb/s 로 전환되고 있는데, 업계 전문가들은

수 년 내에 50 Gb/s 로 전환될 것으로 예상되고 있다. 이를 위해서는 광통신에 관련된

모든 구성요소들의 속도가 50 Gb/s 급으로 전환되어야 한다. 북유럽 내의 관련 연구도

이를 실현하기 위한 방향으로 진행되고 있다.

• VCSEL 관련 연구: 스웨덴의 Chalmers 공대 (Chalmers University of

Technology)의 연구팀이 세계 선도 연구팀 (Prof. Anders Larsson) 중의 하나로

IBM, HP 등과 협력연구를 수행하고 있다. 덴마크 공대의 연구팀 (Assoc. Prof. Il-

Sug Chung) 에서는 최근 실리콘 기반의 1550nm 의 VCSEL 를 데모했으며,

Mellanox DK 와 협력연구를 수행하고 있다. (ParkGyeong, 외., 2015) 현재

데이터센터 내의 광통신에는 1550-nm 파장이 사용되고 있지 않지만, 수요가

커지고 있는 거대 데이터센터 내의 광통신에는 1550 nm가 유리하다.

• VCSEL 구동 IC: VCSEL 에 전기신호를 전달하는 IC 역시 VCSEL 과 동일한 속도로

동작해야 한다. 덴마크 기업인 IPtronics 가 데이터센터 스위치 관련 업계 2 위

기업인 Mellanox 에 인수되어 Mellanox DK 가 되었다. Mellanox DK 는 VCSEL IC

관련 업계 수위 기업이다.

• Advanced modulation format: VCSEL 에서 구현되는 advanced modulation

format 관련 연구는 덴마크 공대의 연구팀 (Prof. Idelfonso Monroy)이 세계 선도

그룹 중의 하나이며, Mellanox DK와 협력 연구를 수행하고 있다.

데이터센터 관련 시장은, 광통신 관련 주요 시장 중의 하나로, 수년 내 50 Gb/s 기술이

상용화될 경우 시장 크기가 상당히 증가할 것으로 예상되고 있다.

1.2.1.3 고성능 컴퓨터: 실리콘 포토닉스

실리콘은 메모리, CPU 등 전자소자에 사용되는 반도체이다. 실리콘을 광소자를 위한

물질로 사용할 수 있다면 광소자의 가격이 매우 낮아질 수 있는데, 이 가격 절감은

시장에서 기술이 채택되게 할 수 있는 굉장히 중요한 결정 요인 중의 하나이다.

실리콘은 기존 광소자를 만드는데 사용되는 화합물 반도체보다 10 배에서 20 배 정도

가격이 낮으며, CMOS 라 불리는 최적화된 공정기술을 사용한다면 공정비용도 상당히

낮아질 수 있다.

실리콘을 광소자로 사용하는 것에 관련된 연구를 실리콘 포토닉스라고 광범위하게

부른다. 2005 년 MIT technology review 에서 차세대 기술로 선정된 것이 보여주는 것처럼,

실리콘 포토닉스는 많은 연구자들로부터 폭발적인 관심을 받았으며, 지난 10 년간 눈부신

발전을 거듭해 왔다. 현재, IBM, Intel 등의 기업에서는 상용화에 상당히 근접해 있는

상태이다. 그러나 많은 발전에도 불구하고, 실리콘 기판에 집적될 수 있는 광원, 즉

레이저에 관한 연구는 여전히 표준이 없는 상태이며, 압도적인 기술은 여전히 데모되지

않은 상태이다.

고성능 컴퓨터는 실리콘 포토닉스가 적용될 수 있는 분야 중의 하나이다. 컴퓨터는 CPU,

메모리 등 다양한 요소로 구성되어 있다. 컴퓨터의 성능을 좌우하는 CPU 도, 연산을

수행하는 코어와 캐쉬 메모리 등으로 구성된다. 과거 CPU 의 성능은, 클럭 스피드라고

불리는 코어의 동작속도를 높이는 것을 통해 이루어져 왔다. 현재 클럭 스피드는 3 GHz

정도에서 정체되어 있는 상태이며, 이보다 더 높이는 것은 현실적으로 어려울 것으로

예상된다. 따라서, 현재 CPU 의 설계 철학은, 다수의 코어를 사용하는 병렬 동작 방식을

통해 성능을 높이는 것이다. 이런 이유로 코어 및 캐쉬 메모리 간의 통신의 효율성이

전체 CPU 의 성능을 좌우하게 된다. 한 예로, Intel 의 2012 버전의 CPU 에서 ½정도의

전력이 CPU 내 통신에 사용되는 것으로 알려져 있다. 물리적인 한계점을 생각했을 때,

전류를 사용하는 기존의 통신방법보다 광통신이 더 큰 잠재력을 갖고 있기 때문에 IBM,

Intel, Oracle, 삼성전자 등 주요 컴퓨터 관련 전자회사와 주요대학에서 많은 연구를

수행해 왔다. 북유럽 내에서는, 덴마크 공대에서 광원 관련 연구와 optical switch 관련

연구가 세계 최고 수준으로 수행되고 있다.

• 광원: 실리콘 포토닉스에서 광원의 성능을 평가하는데 사용하는 기준 중의 하나는

1 비트의 정보를 보내는데 소요되는 에너지 량이다. 덴마크 공대 연구팀에서 최근

10 fJ/bit 을 데모했는데, 이는 기존에 비슷한 구조에서 데모된 값의 1/7 수준으로

현재 세계 기록이다.

• Optical switch: 덴마크 공대 연구팀에서 밀리미터 길이의 Si waveguide 내의

비선형 효과를 사용하여 세계기록의 대역폭을 데모했다. 최근 같은 연구팀에서

GaAs 의 비선형 효과를 이용하여 기록을 경신했다. (PuMinhao, 외., 2015)

1.2.2 제 5세대 이동통신 (5G) 연구동향

1.2.2.1 5G 시스템의 필요성

스마트폰의 등장과 함께 최근 몇 년 동안 무선데이터통신의 수요가 폭발적으로

증가하였다. 이러한 증가세는 앞으로도 한동안 계속될 것으로 예상된다. 정보통신업계는

앞으로 10 년 동안 전세계의 무선데이터 트래픽의 양이 1000 배 정도 증가하리라고

예측하고 있다. 또한, 앞으로 몇 년 안에 무선통신의 주체가 사람에서 기계로 진화하면서

전세계의 수많은 사물이 무선으로 연결되는 사물인터넷 (Internet of Things, IoT) 시대가

열릴 것이라는 예측이 지배적이다. 에릭슨은 2020 년에 500 억개의 사물이 서로

무선통신으로 연결되는 시대가 올 것이라고 보고 있다. 이러한 폭발적인 무선통신

수요의 증가를 현재의 4 세대 통신 시스템이 감당하기 어렵다는 전망이 나오면서, 차세대

무선통신 시스템, 즉 5 세대 (5G) 시스템의 필요성이 대두되었다.

5G 시스템은 어떠한 성능 기준을 만족해야 하는가? 연구자마다 의견의 차이는 있으나,

현재 가장 널리 통용되는 수치는 다음과 같다. 아래의 요구사항은 현재의 4 세대 LTE

시스템 대비 성능 향상을 일컫는다.

• 1000 배 향상된 면적당 데이터 전송 량 (1000x mobile data volume per area)

• 10 배에서 100 배 많은 단말의 접속 (10-100x number of connected devices)

• 10 배에서 100 배 빠른 사용자 별 전송속도 (10-100x typical user data rate)

• 5 배 빨라진 종단간 통신지연 (5x reduced end-to-end latency)

• 10 배 늘어난 저전력 기계간 통신모듈의 배터리 사용시간 (10x battery life for low

power machine-type communication devices)

위의 성능목표와 함께 중요한 목표는 5G 시스템의 구축 및 운용 비용과 에너지 소비량이

현재의 시스템에 비해 현격히 증가하지 말아야 한다는 것이다. 위의 목표를

도식화하면그림 1-7 과 같다.

그림 1-8 5G 시스템의 성능목표

위 그림에서 알 수 있듯이 5G 시스템이 직면한 과제는 현저한 수준의 성능 향상을 여러

가지 방향에서 동시에 이루어내야 한다는 것이다. 한 두 가지 기술의 발전으로는 이렇게

여러 방향으로의 성능 향상이 불가능함을 쉽게 짐작할 수 있다. 따라서 5G 시스템은

다양한 기술적 혁신의 집합체가 될 것으로 예상된다.

1.2.2.2 유럽연합 프로젝트 METIS

이동통신 시스템 산업은 통신 표준을 선점하는 것이 매우 중요하다. 지난 20 년 이상

이동통신의 표준화는 유럽, 특히 북유럽이 선도해 왔으며, 이는 북유럽의 경쟁력 확보로

이어졌다. 이동통신 시스템의 표준을 제정하기 위한 첫 단계로, 경쟁 관계에 있는 유럽의

통신 업체들이 대학들과 함께 공동의 연구 프로젝트를 진행하는 방법이 사용되었다.

연구 프로젝트를 통해 축적된 지식과 상호 이해를 바탕으로 표준화 기구에서 영향력을

발휘하는 것이다. 이러한 방법은 3 세대 WCDMA 와 4 세대 LTE 시스템의 연구에서

연이은 성공을 낳았고, 5G 시스템의 연구에도 자연스럽게 적용되었다.

5G 시스템의 연구를 위해 유럽위원회 (European Commission)에서는 지난 2012 년부터

4~5 개의 프로젝트를 선정하여 예산을 지원했는데, 그 중에서 가장 대표적인 프로젝트가

METIS 이다. METIS 는 세계 최초의 5G 시스템 연구 프로젝트였으며, 유럽위원회가

지원하는 5G 관련 프로젝트 중에 가장 큰 규모였다. 따라서 유럽뿐만 아니라 국제적인

조명을 받으며 5G 시스템의 개념 정립에 중요한 역할을 했다. METIS 는 스웨덴의

에릭슨이 주도하였으며, 유럽 전역에서 29 개 파트너가 참여하였다. 2012 년 11 월에

시작하여 2015 년 4 월에 끝을 맺었다. 유럽 전체가 참여하는 연구 프로젝트이지만, 그

중에서도 특히 북유럽이 막강한 영향력을 발휘했다. 29 개 파트너 중에서 북유럽에서

9 개 파트너가 참여하였는데, 인구 비례를 감안하면 압도적으로 높은 비율이다. 무엇보다

프로젝트 리더인 에릭슨의 공헌도가 다른 파트너들에 비해 높았다.

METIS 프로젝트는 5G 시스템의 요구사항을 체계적으로 분석하고 새로운 기술의 효과를

검증하기 위해 앞 절에서 설명한 5G 의 목표를 정의하고, 이를 다섯 개의 시나리오로

재구성했다. 그림 1-8 에서 알 수 있듯이 amazingly fast, great service in a crowd, best

experience follows you, super real-time and reliable connections, ubiquitous things

communicating 이라는 다섯 가지의 사용자 경험을 제시하고, 새로 제안되는 기술이

이러한 시나리오를 만족하는지 확인하기 위해 12 개의 테스트 케이스를 개발했다. (METIS,

2013)

그림 1-9 METIS 프로젝트에서 제안한 5G 시나리오

이를 통해 xMBB, mMTC, uMTC 라는 5G 시스템을 구성하는 세 가지 중요한 축을 만들어

냈다. (그림 1-9 참조) xMBB 는 extreme mobile broadband 의 약자로, 현재의 광대역

무선데이터통신 시스템의 성능을 비약적으로 향상시킨 개념이다. mMTC 는 massive

machine-type communications 의 약자로, 사물인터넷의 실현을 위해 센서 등의 저전력

통신을 실현하고 동시접속 용량을 크게 늘린 개념이다. uMTC 는 ultra-reliable machine-

type communications 의 약자로, 무인자동차를 위한 자동차간의 통신, 재난 사태시의

통신망 가동 등 언제 어느 상황이나 접속지연 없는 통신을 보장하는 개념이다. (METIS,

2015)

그림 1-10 METIS 프로젝트의 5G 시스템 기본개념

이러한 5G 시스템 개념을 구체화하기 위해 METIS 프로젝트는 140 여개의 기술요소

(technology component)를 개발했다. 개개의 기술요소가 여러 개의 연구논문에 해당하는

방대한 양의 연구결과이다. 이렇게 방대한 기술요소를 모두 포함시키는 시스템을

운용하는 것은 실질적으로 어렵기 때문에, 앞으로 남은 과제는 xMBB, mMTC, uMTC 라는

개념을 가장 효과적으로 실현할 수 있는 기술 요소를 골라내고 이를 적용한 시스템을

구축하는 것이다. METIS 프로젝트에서 아직 해결하지 못 한 문제는 하나의 통신

시스템이 세 가지 개념을 모두 포함할 것인지, 각각의 개념에 특화된 시스템을

독립적으로 개발할 것인지 이다. 이는 METIS 의 후속연구에서 밝혀내야 할 숙제이다.

또한 현재의 4 세대 LTE 시스템과 Wi-Fi 시스템이 미래의 5G 서비스에서 어떠한 역할을

할 것인지도 추후 연구를 통해 밝혀내야 한다.

1.2.2.3 5G 핵심 기술

5G 시스템은 다양한 기술적 혁신의 집합체가 될 것이라고 전술한 바 있다. METIS

프로젝트에서는 140 개가 넘는 기술요소를 개발해 냈는데, 이를 대략적으로 다음의

카테고리로 분류할 수 있다. 본 절에서 언급하는 기술 이외에도 다양한 방향의 연구가

진행되고 있으나, 본 절에서는 연구자들의 관심을 가장 크게 받고 있는 기술들을 추려

보았다. 아래에 설명할 기술은 METIS 프로젝트뿐만 아니라 전세계의 연구자들이 동시

다발적으로 연구를 진행 중이다.

• Massive MIMO: 다중안테나기술 (MIMO)은 무선 시스템의 전송용량을 높이는

방법으로 각광을 받아왔다. 그러나 작은 크기의 단말에 여러 개의 안테나를

장착하는 것이 현실적으로 어렵기 때문에 이론적으로 가능한 성능향상을 얻는

것이 힘든 상황이다. 최근에 기지국에 단말기의 안테나 숫자에 비해 훨씬 많은

수의 안테나를 장착할 경우 기지국-단말 간 통신품질이 간섭 및 열화에 훨씬

둔감해진다는 사실이 이론적으로 증명되었다. 이를 응용하면 다수의 단말에게

동시의 높은 품질의 서비스를 제공할 수 있게 된다. (LarssonE., TufvessonF.,

EdforsO., MarzettaT., 2014)

• Millimeter wave communications: 현재의 셀룰러 이동통신 시스템은 파장의 길이가

3cm~10cm 정도인 전파를 사용한다. 이 영역보다 주파수 대역이 높아지면, 즉

파장의 길이가 짧아지면, 전파도달거리가 짧아지고 장애물의 영향이 커져서

무선통신에 어려움이 있다고 일반적으로 알려져 있다. 그러나 최근에는 파장의

길이가 1cm 보다 훨씬 작은 밀리미터파 (millimeter wave)를 이용한 통신 시스템의

연구가 각광을 받고 있다. 기존의 주파수 대역에 비해 훨씬 많은 대역폭

(bandwidth)을 사용할 수 있기 때문에, 이를 통해 사용자 전송속도를 획기적으로

높일 수 있기 때문이다. 반도체 기술 및 다중안테나 기술의 눈부신 발전에 힘입어

밀리미터파의 현실적 활용 가능성이 높아지고 있다. (RappaportT., 외., 2013)

• Device-to-device (D2D) communications: 현재의 셀룰러 이동통신 시스템은 모든

통신 메시지가 반드시 단말과 기지국 사이를 거치도록 되어 있다. 최근에는 바로

근처에 있는 단말끼리 데이터를 주고받는 경우가 종종 생기는데, 이 때 기지국을

거치지 않고 단말간 직접 통신이 가능해지면 전송속도, 전송지연, 에너지소비 등

많은 면에서 이득이 생길 것이 자명하다. 그러나 한 편으로는 이러한 직접 통신이

기지국의 통제를 받지 않을 경우 다른 사용자들에게 심각한 간섭을 미칠 수도

있다. 따라서 다른 사용자들에 대한 영향을 최소화하면서 단말간 직접 통신의

이득을 누릴 수 있는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. (DopplerK.,

RinneM., WijtingC., RibeiroC., HuglK., 2009)

• Ultra-dense network (UDN): 무선통신의 수요가 많은 곳, 예를 들어 도심의

광장이나 스포츠 경기장 같은 곳에 무선데이터의 처리 용량을 늘리는 가장

손쉬운 방법은 기지국의 수를 늘리는 것이다. 하나의 기지국이 열 명의 사용자를

처리하다가 다섯 명만 처리하게 되면 각각의 사용자 입장에서는 전송 용량이 두

배로 느는 효과가 나기 때문이다. 이러한 논리로 기지국을 매우 촘촘하게

설치하는 것이 폭발적으로 증가하는 트래픽 수요를 감당하기 위한 해법의 하나로

연구되고 있다. 기지국이 많아지면 개별 기지국의 가격과 설치, 운영비가 크게

줄어들어야 한다. 또한 각각의 기지국이 담당하는 영역이 미세화되면서 이동하는

사용자를 서비스하는 것이 어려워진다. 이러한 여러 가지 난제들을 해결하기 위한

노력이 진행 중이다. (YunasS., ValkamaM., NiemelaJ., 2015)

• Dynamic spectrum sharing: 무선 주파수는 비싸고 귀한 자원으로 여겨지고 있다.

대한민국에서 2013 년 8 월에 있었던 주파수 경매에서 90 MHz 의 대역폭이 총액

2 조 4289 억원에 낙찰된 것이 그 좋은 예이다. 이동통신 시스템은 한정된

무선통신 주파수를 효율적으로 활용하기 위해 끊임없이 진화해 왔다. 그러나 한

편으로는 무선통신에 적합한 주파수의 상당 부분이 레이더, 항공항법장치 등의

시스템에 할당되어 그 활용률이 매우 낮은 상태이다. 또한 무선통신 주파수가

전국 단위로 할당되다 보니 자금력이 부족한 지역 기반의 중소기업이 새로운

무선 서비스를 제공하는 것이 불가능했다. 이러한 문제점을 극복하고자 이종

시스템끼리 주파수를 동적으로 공유하는 기술의 연구가 활발히 진행되고 있다.

지난 몇 년간 인지무선기술 (Cognitive Radio)에 기반한 후 순위 주파수 공유

(secondary spectrum sharing)에 대한 연구가 주종을 이루었고, 최근에는

지역기반의 서비스 업체들이 동등한 우선순위로 주파수를 공유하는 방법 (co-

primary spectrum sharing)에 대한 연구가 시작되었다. 시스템간 간섭, 주파수

정책 등 다양한 과제들이 남아있다. (KangD., SungK.W., ZanderJ., 2013)

1.2.2.4 북유럽 5G 연구의 향후 전개

유럽 내 5G 연구는 METIS 프로젝트를 통해 5G 시스템의 기본 개념에 대한 합의를 이룬

상태이다. METIS 프로젝트가 2015 년 4 월에 마무리됨에 따라 후속 연구가 시작될

예정이며, 후속 연구는 표준화 전 단계의 연구프로젝트들을 통해 진행될 예정이다. 유럽

위원회는 5G 연구에 향후 7 년간 700 million Euro (약 8200 억원)의 연구 자금을 지원할

계획이다. 이에 호응하여 유럽의 이동통신 시장을 선도하는 에릭슨, 노키아, 알카텔 등의

업체들이 The 5G Infrastructure Public Private Partnership (5G PPP) 이라는 단체를

결성하여 표준화 전 단계의 연구프로젝트들을 정의하고 프로젝트간 조정작업을 수행할

예정이다. 2015 년 7 월부터는 Horizon 2020 프레임 하에서 10 여개의 5G 연구 프로젝트가

시작될 예정이다. 이 중 특히 주목할만한 프로젝트는 METIS 의 후속 프로젝트인 METIS-

II 이다. METIS-II 는 역시 에릭슨의 주도로 결성되었으며, METIS 에서 개발한 시스템

컨셉트와 기술 요소들을 바탕으로 보다 구체적이고 실질적인 5G 시스템 개발을 위한

연구를 수행할 예정이다. 북유럽에서는 에릭슨 이외에 핀란드의 노키아, 스웨덴의

왕립공대 (KTH Royal Institute of Technology)가 참여할 예정이다.

5G 시스템 연구에서 가장 앞서있는 에릭슨은 범 유럽 연구 이외에도, 스웨덴 혁신청

Vinnova 의 지원 하에 스웨덴 내의 연구 파트너들을 규합해서 ‘5G in Sweden’ 이라는

연구 프로그램을 시작했다. 이 연구 프로그램에는 에릭슨 이외에 스웨덴의 대표적인

대학 및 연구기관이 참여하고 있다. 왕립공대 (KTH Royal Institute of Technology),

샬머스공대 (Chalmers Institute of Technology), 린셰핑대학 (Linköping University),

룬드대학 (Lund University), 스웨덴정보통신연구소 (RISE)가 이에 해당한다. 특이한 것은

대형차량 및 중장비 업체인 Scania 와 Volvo Construction Equipment 가 파트너로

참여한다는 점이다. 5G 시스템의 연구가 이동통신의 테두리를 벗어나 운송, 건설 등

다른 산업분야와 연계되어야 한다는 점을 잘 보여주고 있다. (Ericsson, 2015)

핀란드에서는 2017 년부터 2018 년까지 유럽 지역에서 대규모 테스트 네트워크를

구축하는 단계에 이를 것이라고 판단하여, 노키아 같은 산업파트너들과 VTT 기술 연구

센터가 이끄는 5G 테스트 네트워크 (5GTN)를 핀란드 북부 도시 오울루 (Oulu)에 2015 년

하반기에 오픈 할 예정이다. (5GTN, 2015) 공공 부문과 민간 부문으로 구성될 테스트

네트워크는 5G 기술의 실제 이점을 잘 이해하고 초기 어플리케이션을 구축하는데 도움이

되는 핵심 인프라 역할을 할 것으로 기대된다. 이는 5G 관련 기술 개발뿐만 아니라

5G 기술 표준화를 담당할 5G PPP 에 힘을 실어줄 것으로 예상되어, 미래 국가 통신의

대부분을 담당할 5G 개발 주도권을 위한 북유럽의 강한 의지와 역할에 주목할 필요가

있겠다.

참고문헌 (Bibliography)

1.1

Bengtsson, I. B. (2014). From Rune Stones to Radio Waves. Anna Ma Media.

Bloomberg. (2014). Retrieved from http://www.bloomberg.com/bw/articles/2014-08-07

Business Software Alliance. (2011). IT industry competitiveness index. Retrieved from

http://globalindex11.bsa.org/

OECD. (2002). Measuring the Information Economy.

Statistics Finland. (2015). Retrieved from http://www.stat.fi/

Vigo. (2015). Press Release. Retrieved from http://www.vigo.fi/press-release/-/view/5425

이현우. (2014). 북유럽의 주요 ICT 혁신 클러스터 분석. 한국전자통신연구원

창의미래연구소.

1.2

5GTN. (2015). 5G Test Network. Retrieved from http://www.5gtn.fi/index.htm

Doppler, K., Rinne, M., Wijting, C., Ribeiro, C., & Hugl, K. (2009). Device-to-device

communication as an underlay to LTE-advanced networks. IEEE Communications

Magazine, 42-49.

Ericsson. (2015). Ericsson launches '5G for Sweden' with industry and academic partners.

Retrieved from http://www.ericsson.com/news/1898640

Kang, D. H., Sung, K., & Zander, J. (2013). High Capacity Indoor & Hotspot Wireless

System in Shared Spectrum - A Techno-Economic Analysis. IEEE Communications

Magazine, 102–109.

Lambert, S., Heddeghem, W. V., Vereecken, W., Lannoo, B., Colle, D., & Pickavet, M.

(2012). Worldwide electricity consumption of communication networks. Optics

Express.

Larsson, E. G., Tufvesson, F., Edfors, O., & Marzetta, T. L. (2014). Massive MIMO for

next generation wireless systems. IEEE Communications Magazine, 186–195.

Park, G. C., Xue, W., Taghizadeh, A., Semenova, E., Yvind, K., Mørk, J., & Chung, I.-S.

(2015). Hybrid vertical-cavity laser with lateral emission into a silicon waveguide.

Laser & Photonics Reviews. doi:10.1002/lpor.201400418

Pu, M., Hu, H., Ottaviano, L., Semenova, E., Vukovic, D., Oxenlowe, L. K., & Yvind, K.

(2015). AlGaAs-On-Insulator Nanowire with 750 nm FWM Bandwidth, -9 dB CW

Conversion Efficiency, and Ultrafast Operation Enabling Record Tbaud

Wavelength Conversion. Optical Fiber Communication Conference. Los Angeles.

METIS. (2013). METIS Deliverable D1.1 Scenarios, requirements and KPIs for 5G mobile

and wireless system. Retrieved from

https://www.metis2020.com/documents/deliverables/

METIS. (2015). METIS Deliverable D6.6 Final report on the METIS system concept and

technology roadmap. Retrieved from

https://www.metis2020.com/documents/deliverables/

Rappaport, T., Sun, S., R.Mayzus, Zhao, H., Azar, Y., Wang, K., . . . Gutierrez, F.

(2013). MillimeterWave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work! IEEE

Access, 335–349.

Yunas, S., Valkama, M., & Niemela, J. (2015). Spectral and energy efficiency of ultra-

dense networks under different deployment strategies. IEEE Communications

Magazine, 90–100.

2 장. 나노테크놀러지 (Nanotechnology)

2.1 개 요

1947 년 반도체 기반 트랜지스터 (Transistor)1가 처음 선 보인 이후 더 정교하고 미세하게

가공하는 기술은 눈부신 발전을 이루어 왔다. 작은 칩에 단 몇 개의 트랜지스터의 집적

하는 것으로 시작된 반도체 기술은 1980 년대를 지나 105개 이상의 트랜지스터 집적이

가능해 지면서, 개인이 휴대할 수 있는 컴퓨터 (Personal computer)의 등장은 물론

전자기기의 디지털 화를 촉진 시키는 계기가 되어 마이크로테크놀러지

(Microtechnology)의 새 패러다임을 낳았다. 그러나, 전자기기의 발달과 나날이 넘쳐나는

디지털 정보의 양은 더 빠르고 보다 많은 양의 정보를 가공하고 저장할 수 있는 기기를

요구하게 됐고, 이러한 요구는 한 단계 더 진보한 가공기술과 설계 기술의 진화를

가져오게 됐다. 집적 기술의 진보는 2000 년대 중반 100 나노미터 (나노미터= 10-9

미터)의 벽을 넘어 서면서 본격적인 나노테크놀러지 (Nanotechnology) 시대의 진입을

알렸다. 이러한 반도체 기술의 변화는 무어의 법칙 (Moors' low) 2 에 따라 그 추이가

변화하여 왔고, 현재는 집적된 트랜지스터가 109개를 넘어, 흔희 말하는 20 나노 기술에

도달해 있다. 반도체 기술로 견인된 나노기술은 최근 단순한 스케일에 초첨이

맞추어졌던 기존의 가공기술의 적용을 뛰어 넘어 새로운 소재의 개발과 다양한

물리현상의 발견으로 그 응용의 범위가 기하급수적으로 늘어나고 있다. 이에 따라,

나노기술은 전자, 통신, 광학, 기계, 화학, 생명공학, 재료분야에 이르기까지 적용 가능한

모든 응용기술을 통칭하기에 이르렀다. 그러므로 나노기술은 곧 미래 첨단기술의

트랜드로서 그 적용의 범위도 확대 되어 시장의 규모가 매년 반도체 시장을 포함

수조달러에 이를 것으로 추산하고 있다. 2000 년대부터 세계의 많은 국가들은 이러한

첨단기술 선점을 위해 나노기술관련 연구개발을 앞다투어 진행하여 왔고, 오랜시간

기술대국으로 군림해 오던 북유럽의 국가들도 원천기술 확보를 위해 다양한 노력을

1 게르마늄 (Germanium) 트랜지스터, J. Bardeen, W. Schockley, W. Barattain 3 명

공동개발, 미국 벨 연구소

2 집적되는 트랜지스터의 숫자가 매 18 개월 마다 2 배로 증가한다는 법칙 (1960, Gordon

E Moore)

기울여 오고 있다. 지난 수년간, 북유럽국가 (스웨덴, 덴마크, 핀란드, 노르웨이)의

연구개발 투자규모는 년간 약 3-5 억불 규모로, 주요 기술선도국가들 (미국, 영국, 일본

등)과 신흥 아시아 국가들 (중국, 한국, 싱가포르 등)의 뒤를 이었다 (Nanotechnolog Now,

n.d). 2006-2011 년 동안 등재된 관련 학술논문 수는 약 3,000 여건으로 (스웨덴, 덴마크,

핀란드, 노르웨이 순) 국가별로는 20-30 위에 랭크 되었다(Angela, H. 2006). 이러한

연구개발의 노력과 투자의 결과로 북유럽은 현재 나노테크놀러지 전체 시장의 약 10%

내외를 점유하고 있으며, 2014 년 기준 나노기술관련 기업은 북유럽 전체 약 200 여개

(스웨덴 100, 덴마크 60, 핀란드 40) 수준으로 전 세계적으로 10 권 내에 랭크되어

(Nanothink, n/a), 그 동안의 수준 높은 연구결과를 바탕으로 기술의 상용화를 점차

앞당겨 가고 있는 것으로 평가 받고 있다.

북유럽 상용화 나노기술은 신소재, 전자소자, 포토닉스, 바이오 등에서 강점을 나타내고

있으며, 연구부분에서는 소재 및 응용기술 (전자소자 및 포토닉스) 에서 그 기술력을

선도 하고 있다. 이에 따라, 본 보고서에서는 북유럽 국가간의 나노기술에 대한

연구개발현황, 선도기술 그리고 산업동향에 대해 차례로 조사하여 다루었다. 2-

2 절에서는 신소재, 전자소자, 포토닉스, 그리고 에너지 (또는 환경) 분야의 기술동향 및

선도기술 현황을 다루었고, 제 2-3 절에서는 국가별 나노기술개요 및 주요연구/교육기관

현항 그리고 최근 산업동향을 분석하여 정리 하였다. 끝으로, 마지막 2-4 절에서는

나노기술 분야별 그리고 북유럽 국가별 향후 전망을 간단히 살펴 보았다.

2.2 북유럽 나노기술현황

2.2.1 나노소재 (Nanomaterials)

2.2.1.1 그래핀 (Graphene)

(1) 화학기상증착 그래핀: 챠머스 공과대학, DTU (덴마크 공과대학)에서는

화학기상증착법을 이용하여 scalable 하며 다른 여러 기판 위에서 합성이 가능한

그래핀을 합성하는 연구를 하고 있다 (Chalmers, n.d, DTU Nanotech, 2013). 기존의

스카치 테이프 방법으로 얻은 그래핀과 비슷한 정도의 양질의 그래핀을 합성하는

것을 목표로 하고 있으며 Metrology 응용이 가능한 수준의 양자 Hall 저항을 나타내는

수준의 그래핀을 합성하고 있다.

(2) 그래핀을 열 전달 물질로 활용하는 연구: 챠머스 공과대학에서는 CNRS, and Thales

Research, France, ICN, Spain, HKUST, Shanghai University and SHT Smart High Tech

AB 와 함께 열점의 크기, 절연막의 두께, 그래핀의 층 수 등에 따른 그래핀의 열

전달을 연구하고 있다 (Chalmers, n.d).

(3) 그래핀 스핀트로닉스: 챠머스 공과대학에서는 그래핀에 스핀 편극된 전류를 강자성

전극으로부터 주입하고 긴 거리를 수송시며 스핀을 제어하는 기초 연구를 수행하였다

(Chalmers, 2013-a).

그림 2.1 그래핀 스핀트로닉스 모식도

(4) 그래핀 기반 고주파수 FET: 린코핑 (Linköping) 대학은 챠머스 공과대학과 함께

그래핀의 빠른 전기 전도를 이용하여 그래핀 기반 FET 를 개발하는 연구를 하고 있다.

특히 그래핀은 이론적으로 THz 에서 구동이 가능한 것으로 알려져 있어 100 GHz

이상에서 구동하는 FET 개발을 목표로 하고 있다 (Chalmers, 2013-b).

(5) 웨이퍼 스케일의 Epitaxial 그래핀: Linköping 대학(SweCRIS, 2013-a)은 실리콘

카바이드 위 성장된 그래핀에 대해 기초 연구에서 응용 연구로 전환하기 위해 서로

다른 조건에서 성장된 그래핀의 특성을 분석하고 그래핀을 기능화시키는 연구를 하고

있다. 또한 챠머스 공과대학(Chalmers, 2013-c)은 실리콘 카바이드 위에 웨이퍼

단위의 Epitaxial 그래핀을 개발하고 소자 제작 및 웨이퍼 크기의 Epitaxial 그래핀의

특성을 연구하는 프로젝트를 수행하고 있다.

(6) 그래핀의 투과전자현미경 연구: 웁살라 대학교 (Uppsala University)에서는 그래핀의

구조와 전기적 성질의 관련성을 투과전자현미경을 이용해 연구하고 있다 (SweCRIS,

2013-b).

(7) 알토(Aalto) 대학교에서는 그래핀 연구 로드맵에 따라 센서, Photonics, 광전자학

연구에 초점을 두고 그래핀 연구를 하고 있다(Ferrari, A. C., et al., 2014).

(8) 그래핀관련 게제논문 통계 지표 (최근 5 년): 2011 년부터 2015 년까지 Web of Science

기준 북유럽 4 국 (스웨덴, 덴마크, 핀란드, 노르웨이) 에서 그래핀 키워드로 검색된

총 논문 수는 1118 편이며 논문당 평균 인용수는 9.91 회, h-index 는 42 이다.

그림 2.2 최근 5 년간 그래핀 키워드로 검색된 북유럽 4국의 총 논문 수(좌) 및 총

인용횟수(우)

그림 2.3 그래핀 관련 논문의 지리적 분포 (좌), 그래핀 특허의 세계 분포 (한국, 일본,

중국, 유럽특허청(EPO, European Patent Offices), 세계지적재산권협회(WIPO, World

Intellectual Property Organization), 미국 특허무역소(US PTO, Unites States Patent and

Trademark Office)) (우) (Ferrari, A. C., et al., 2014).

2.2.1.2 탄소나노튜브

챠머스 공과대학에서는 탄소나노튜브를 집적회로 패키징의 Flip chip 공정에서 bump 로

사용하는 연구를 하였다. Flip chip 공정에 수직으로 배향된 탄소나노튜브를 사용하면

보다 집적도를 높일 수 있고 전기적 특성도 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다 Chalmers.

(2012-a).

(1) 챠머스 공과대학에서는 탄소나노튜브/탄소나노섬유/폴리머의 복합체를 이용하여

수퍼캐패시터의 전극으로 활용할 연구를 하였다. 탄소나노튜브/탄소나노섬유/폴리머를

복합하면 각각의 성질이 잘 융합되어 고유한 경직도, 강도, 내구성을 가질 수 있을

것이라는 것이 기본 아이디어이며 특히 폴리머를 이용하였을 때의 내구성 문제를

탄소나노튜브/탄소나노섬유를 이용하여 극복한다는 계획이다(Chalmers, 2013-d).

(2) 룬드 (Lund) 대학교에서는 Spectroscopic Photo Emission and Low Energy Electron

Microscope (SPELEEM) 장비를 이용하여 탄소나노튜브 등 나노 소재에 대해 나노

이미징을 하고 있다. 최근 수차 보정을 통해 SPELEEM 의 해상도를 10 배 높혔으며

현재 2~3 nm 수준의 해상도로 이미징을 하고 있다 (SweCRIS, 2014).

(3) 탄소나노튜브관련 게제논문 통계지표 (최근 5년)

2011 년부터 2015 년까지 Web of Science 기준 북유럽 4 국 (스웨덴, 덴마크, 핀란드,

노르웨이) 에서 탄소나노튜브 키워드로 검색된 총 논문 수는 1074 편이며 논문당 평균

인용수는 9.69 회, h-index 는 42 이다.

그림 2.4 최근 5 년간 그래핀 키워드로 검색된 북유럽 4국의 총 논문 인용수(좌) 및 총

논문 인용수 (우)

2.2.1.3 반도체 (GaN, GaAs) 및 나노와이어

(1) 챠머스 공과대학에서는 기존의 GaN 마이크로레이져보다 최소 10 배 정도 에너지 효율,

수명을 향상시키는 연구를 하고 있다. 이 연구는 성공하면 생의학 분야에서 바이오

입자를 검출하는 데에 사용될 수 있을 것으로 예상된다 Chalmers, 2013-e).

(2) 챠머스 공과대학, Ericsson, Ruag Space 는 2015 년 1 월 1 일 ~ 2016 년 12 월 31 일

계획으로 GaN 기반 고전자이동도 트렌지스터(High Electron Mobility Transistor

(HEMT))로 전압 조정 오실레이터를 만드는 연구를 하고 있다. 고순도 신호 생성기술은

무선 통신 및 레이더 산업에 매우 중요하다. 현재 상업적으로 사용되는 InGaP HBT 는

낮은 위상에서의 잡음문제와 breakdown 전압을 높이는 데에 한계에 이르고 있지만 GaN

HEMT 는 이런 한계를 극복해 줄 수 있을 것으로 기대된다Chalmers, 2015).

(3) 챠머스 공과대학에서는 GaN 와 같은 III-Nitride 반도체를 기반으로 100 GHz 이상의

주파수를 발생시키는 신소재를 개발하고 있다. 120 GHz 주파수와 500 mW 대 파워

급 III-Nitride 반도체 HEMT 를 개발하는 것을 목표로 하고 있다 Chalmers, 2013-f).

(4) 린코핑 (Linköping) 대학은 챠머스 공과대학와 함께 InGaN 를 이용하여 100 ~ 1000

GHz 대역폭을 활용하는 기술을 개발하고 있다. 통신 데이터의 전송량이 급격히

늘어남에 따라 대역폭을 기존 GHz 영역에서 THz 영역까지 넓히는 연구가 필요한

실정이다. 하지만 현재는 주파수가 높아질수록 적절한 파워를 생산하지 못하는

어려움을 가지고 있다 (Chalmers, 2014-a).

(5) GaN/탄소나노튜브/그래핀

웁살라 대학교는 챠머스 공과대학과 함께 GaN 기판 위에 탄소나노튜브와 그래핀을

이용한 3차원 구조를 만들어 집적회로의 집적도를 높이는 연구를 하고 있다 (Chalmers,

2014-b).

그림 2.5 GaN 기반 3 차원 구조 집적회로 모식도

(6) DTU 에서는 GaAs , 초전도체-반도체 Heterostructure 등에서 Majonara 페르미온

연구를 하고 있다 (Center for Quantum Devices, n.d).

(7) 노르웨이 공과대학 (NTNU)에서는 GaAs 나노와이어를 그래핀 위에 에피텍시

성장시키는 연구를 하였다 (Munshi, AM., et al,. 2012).

그림 2.6 그래핀 위 GaAs 나노와이어를 성장시키는 연구

(8) 룬드 (Lund) 대학교에서는 반도체 나노와이어의 성장 메커니즘 연구를 하고 있다.

주로 III-V 반도체 나노와이어를 금 나노입자를 촉매로 하여 성장시키는 연구를 하고

있다 (Nanometer Structure Consortium, n.d).

(9) GaN 관련 게제논문 통계 (최근 5 년)

2011 년부터 2015 년까지 Web of Science 기준 북유럽 4 국 (스웨덴, 덴마크, 핀란드,

노르웨이) 에서 GaN 키워드로 검색된 총 논문 수는 322 편이며 논문당 평균 인용수는

4.16 회, h-index 는 16 이다.

그림 2.7 최근 5 년간 GaN 키워드로 검색된 북유럽 4 국의 총 논문 수(좌)와 총 인용수(우)

2.2.1.4 고온초전도체

(1) 챠머스 공과대학에서는 Bi2Sr2CaCu2O8 (Bi2212) 와 같은 고온초전도체를 이용하여

조셉슨 접합을 구현하는 연구를 하고 있다. 이를 통해 궁극적으로는 테라헤르츠

이미징, 비파괴검사, 암 조직 검사, 통신 주파수 확대 등을 위한 테라헤르츠 소스를

개발하는 것을 목표로 하고 있다(Chalmers, 2013-g)

(2) 웁살라 대학교에서는 그래핀 및 고온초전도체에 대해 전자-전자 상호작용을 고려한

이론 계산 연구를 하고 있다 (SweCRIS, n.d).

2.2.1.5 기타

(1) 솔더링 패이스트 연구: 챠머스 대학에서는 납의 독성 때문에 납을 제거한 솔더링

재료 개발을 하고 있다. 일반적으로 Sn-Pb 솔더링이 사용되어왔으나 Sn-Au-Cu 합금

솔더링으로 이를 대체하는 연구가 이루어지고 있는데 이 합금은 Sn-Pb 에 비해

녹는점이 높은 약점이 있어 합금의 입자 크기를 나노 사이즈로 줄여서 녹는점을

낮추는 연구를 진행하고 있다(Chalmers, 2012-b).

(2) 그래핀 이외의 2 차원 물질들: 챠머스 공과대학 (Chalmers, 2013-h)과 DTU (DTU

Nanoteck, n.d)에서는 그래핀 이외에 Boron Nitride, MoS2, 그리고 Bi2Se3 와 같은

위상절연체 등 2 차원 나노 물질을 이용하여 Heterostructure 를 만드는 연구를

연구하고 있다.

(3) 노르웨이 공과대학에서는 금나노입자가 기능화된 mesoporous 실리카를 합성하는

합성법을 개발하였다 (Gawel, B., et al., 2012).

2.2.2 나노전자소자 (Nanoelectronics)

나노테크놀러지 (Nanotechnology)의 발전은 나노전자소자 (Nanoelectronic device)의

현실화를 이끌어 냈다. 반도체 제조기술은 눈부신 발전을 거듭하여 20 nm 이하의

스케일이 가능하게 되었으나 이는 쇼트채널효과 (Short channel effect)나 터너링

(Tunneling)등 물리적 한계에 따른 새로운 문제점을 야기하게 되어 이를 극복하기 위한

새로운 개념을 적용한 소자의 필요성이 제기되 왔다. 전통적인 scale-down 방식의

나노소자의 개념에서 벗어나 도입된 새로운 형태로는, 2 차원 물질을 도입한 그래핀 기반

소자 (Graphene-based devices), 단전자 트랜지스터 (Single-electron transistor: SET),

그리고 스핀트로닉스 (Spintronics)를 대표적으로 손꼽을 수 있다. (앞장에서 언급된)

혁신적인 나노물질의 등장과 새로운 양자적 물리현상의 발견으로 이러한 새로운 개념의

소자는 그동안 축척된 나노공정 기술을 이용하여 최근 보다 많은 가능성을 제시 할 수

있게 되었다. 아직은, 극복해야 하는 물리적인 현상들이 존재하고 있지만, 지금의

기술진보의 추세를 감안할 때 10-20 년 내에 이러한 새로운 기술을 접목한 기술적

상용화가 현실화 할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 이러한 새로운 기술은 실리콘에

기반한 지금의 반도체 시장 (연간 약 3360 억달러 규모)의 변화를 주도 할 수 있을

것으로 기대 하면서, 북유럽국가에서도 나노소자기술을 미래의 전략산업의 한 축으로

간주하고, 2000 년 이후 원천기술 확보에 많은 노력을 기울여 오고 있다. 각각의 분야에

대한 북유럽의 연구개발 및 선도기술 현황을 살펴 보면 다음과 같다.

2.2.2.1 그래핀 및 2 차원 물질 기반 전자소자 (Graphene-2D material based

electronics)

지난 몇 년간 2 차원 (2-dimensional: 2D) 물질을 이용한 연구는 나노소자분야에서는 가장

뜨거운 이슈중에 하나 였다. 그동안 이론으로만 존재해 있던 2 차원 물질을 그라파이트

(graphite) 에서 온전히 분리해 내는데 성공하면서, 3 차원 물질에서는 전혀 보이지 않던

(2D 물질에서 갖고 있는) 아주 특이한 현상들이 발견 됬기 때문이다. 그 대표적인 것이

그래핀 (Graphene) 이다. 6 각 벤젠고리 격자구조를 가지고 있는 2 차원 물질로, 상온의

아주 높은 캐리어 밀도 (carrier deinsity) 속에서도 캐리어 이동도 (carrier mobility) 가

높은 것이 특징이다. 그래핀을 이동하는 전자는 원자들의 상호작용으로 인해 마치

질량을 가지고 있지 않는 페르미온 파티클 (Fermion particle)들과 같은 특성을 갖는데,

이 질량이 없는 파티클 (Massless particle)은 페르미 속도로 (Fermi velocity, ~106

m/s)이동을 할 뿐만 아니라 2D 표면으로 전자가 이동함으로 인해 산란 (Scattering)이

현저하게 줄어, 전자의 자유이동거리 (mean free path)가 급격히 늘어나는 특성을 가지고

있다. 이는 흔히 ‘발리스틱 현상 (ballistic transport bebavior)’이 라고 불리기도 한다.

일반적으로 발리스틱 현상은 저온에서 가능 하였으나, 그래핀에서는 일정부분

상온에서도 가능해 지기 때문에, 초고속 전자소재의 응용에 매력적인 후보로 급부상

하고 있기도 하다. 지난 2013 년 EU 는 이러한 그래핀의 기술적 상용화를 위해 그래핀

플래그쉽 (Graphene-Flagship) 프로젝트를 출범을 시겼고, 이는 10 년간 10 억유로 규모의

연구비를 지원하는 프로그램으로 단일 연구프로젝트로는 EU 출범이후 그 규모가 가장

크다. 유럽내 600 여개의 연구기관이 참여하며, 2022 년까지 단계적으로 그래핀을 이용한

기술을 상용화 (디스플레이용 투명전극, 초고주파 소자 및 센서 등)가 가능한 수준까지

끌어 올려 놓는다는 계획이다. 이 플래그쉽 프로젝트의 본부는 스웨덴 챠머스 공과대학

(Charmers University of Technolog, 총괄담당: Jari Kinaret 교수)에 있다.

스웨덴에서는 챠머스 공과대학, 카롤린스카 대학 (Karolinska Institutet), 린코핑 대학

(Linköping University), ABB, 에릭슨 (Ericsson)등 총 7 개의 대학과 기업이 참여를 하고 있다.

스웨덴 연구기관들은 챠머스 공대 MC2 를 중심으로 트랜지스터를 기반한 응용소자 분야

연구가 강하다. 특히, 챠머스 공대 Jan Stake 교수팀은 30 GHz 주파수 믹서 (Frequency

Mixer) 제작과 시연에 성공하여, 향후 그래핀을 이용한 고주파수 (High Frequency) 소자

상용화에 한발 다가가게 되었다 (Habibpour, Vukusic, & Stake, 2013). 이와 더불어 현재는

테라헤르즈 (THz) 영역의 그래핀 소자 개발을 위해 연구의 역략을 집중하고 있으며 향후

고주파 소자기술 확보로 아날로그영역 집적소자를 현실화 하는 것이 이들의 목표이다.

그림 2.8 (a) 30 GHz 그래핀 기반 주파수 믹서 [1] (챠머스공대). (b) 그래핀 레조네이터

(Resonator) (Song et al., 2012) (알토대학). (c) 그래핀 정류소자 (Rectiying device) (Kim,

Pasanen, RIikonen, & Lipsanen, 2012) (알토공대).

핀란드는 알토대학 (Aalto University)을 중심으로 핀란드국가기술연구소 (VTT Technical

Research Center of Finland)와 노키아 (Nokia) 등 총 5 개 기관이 참여를 하고 있다.

핀란드는 알토대학을 중심으로 지난 2008 년 이후 그래핀에 대한 연구를 꾸준히

진행하여 왔는데 특히 그래핀의 물성과 전기적 전도 현상을 규명하는 연구에서 많은

성과를 나타냈다. 핀란드 알토대학 페르티 하코넨 (Pertti Hakonen) 교수팀은 최초로

서스팬디드 그래핀 (suspended graphene)을 이용해 라디오 주파수 특성을 읽어 낼 수

있는 그래핀 레조네이터 (Resonator)를 실험제작 하였으며 (Song et al., 2012), 최근에는

전자-포논 커플링 (electron-phonon coupling)에 의한 슈퍼콜리즈 산란 (Supercollision

scattering)의 증거를 입증 하기도 하였다 (Laitinen et al., 2014). 크레셰닌니코프 (A. K.

Krasheninnikov) 교수팀은 금속촉매 위에 케미컬 기상증착(chemical vapor deposition:

CVD)을 이용한 그래핀 성장시, 성장이 진행이 되어가는 과정과 원리 그리고 성장시

발생하는 결정의 결점에대한 고찰과 증명에서 앞선 연구결과가 있었다 (Banhart,

Kotakoski, & Krasheninnikov, 2011). 립사넨 (Lipsanne, H.) 교수팀이 이끄는 연구진은

photo-thermal CVD 를 이용한 고품질 그래핀 성장을 최초로 성공하였으며 (Riikonen et

al., 2013; W Kim et al., 2012), 이를 이용한 2 차원 비선형 소자 (2-DEG nonlinear

device)를 실험적으로 증명하므로서, 그래핀이 정류소자 (rectifying device) 로서 응용이

가능함을 증명 하였다 (Kim, Pasanen, Riikonen, & Lipsanen, 2012). 그래핀이 비선형

소자로서의 가능성을 제기 함으로서 미래에 초고속소자 (High speed electronic devices)에

효과적인 응용이 이루어질 것으로 전망되고 있다.

덴마크에서는 덴마크 공과대학 (Dennish Technological University: DTU) 나노텍

(Nanotech)을 중심으로 활발히 연구가 진행되고 있다. 피터 보길 (Peter Bøggild) 교수

연구팀은 CVD 성장 그래핀의 성장과 트랜스퍼 (transfer) (Pizzocchero et al., 2015) 및

나노패터닝 (nano-pattering) 기술분야에서 앞선 연구결과를 보이고 있다. 최근,

페로클로라이드 (FeCl3)를 이용한 다층 그래핀 분리에 성공함으로서 (Wehenkel et al.,

2015) 주위 환경에 쉽게 도핑이 되는 기존 그래핀의 약점에 보완기능을 해 줄것으로

기대를 모으고 있다.

하지만, 그래핀은 에너지 밴드갭 (Energy bandap)이 없는 치명적인 약점을 가지고 있다.

최근, 2D, 물질 중 에너지 밴드갭이 존재하는 TMDC (Transition metal dichacogenides)

물질이 그래핀의 이런 약점을 보완해 줄 것으로 기대를 하고 있다. 북유럽 국가들에서는

그래핀 연구와 병행하여 최근 TMDC 물질에 대한 연구가 시작이 되었으나 아직은

기초단계에 머물러 있으며 현재는 구조와 형성원리등 물리적 특성을 밝혀내는

기초단계의 연구가 진행 중에 있다 (Andersen & Thygesen, 2013; Lin et al., 2015).

2.2.2.2 단전자 소자 (Single electronics)

단전자 트랜지스터의 경우 아주 낮은 터널 베리어 (Tunnel barrier) 사이에서 게이트

전압을 통한 각각의 전자를 컨트롤하는 개념으로 기존의 전하 (charge)량 컨트롤을 통해

온/오프를 하던 방식을 벗어나 각각의 양자화된 전자를 컨트롤 하게 되므로, 미래의

양자컴퓨터를 실현할 수 있는 기술로 각광을 받고 있다. 다만, 양자점 크기의 스케일이과

저온에서 작동하는 것이 단점이기는 하지만, 관련기술의 개발로 향후 20 년내에 성숙된

기술로 거듭날 것으로 예상을 하고 있다. 북유럽 국가의 단전자 소자 연구는 핀란드

알토대학에서 그 기술을 선도하고 있다. 모토넨 (Möttönen, M) 교수 및 페콜라(Pekola, J)

교수가 이끄는 연구팀은 최근 얇은 알루미늄 (수 나노미터 수준)막을 이용한 단전자 펌브

및 박스를 성공리에 시현 하였다. 상기 연구에서는 실리콘 양자점을 이용하여 아주

소량의 게이트 전압으로 보다 높은 양자전자의 증폭기능을 하는 단전자 펌프를 실험을

통해 증명하였다 (Rossi et al., 2014). 나아가, 두개의 양자점을 이용하여 보다 더 정교한

양자전자를 컨트롤 할 수 있는 단전자 박스를 실험을 통해 최근 증명하기도 하였다

(Koski et al., 2013). 이에 관련된 내용은 관련분야 권위 할술지인 나노 레터스 (Nano

letters) 와 네이쳐 피직스 (Nature Physics)에 각각 보고가 되었다. 이보다 앞서, 스웨덴

챠머스 공과대학과 덴마크 코펜하겐대학 (University of Copenhagen) 연구팀이 공동으로

지난 2003 년 싱글유기분자 (single organic molecule) 트렌지스터를 최초로 실험에

성공하는등 유기물을 이용한 단전자 분야에서는 기술력이 앞서 있는 것으로 평가 받고

있다. 본 결과는 학술지 네이쳐 (Nature)에 게제가 되기도 하였다 (Kubatkin et al., 2003).

2.2.2.3 스핀트로릭스 (Spintronics)

미래의 양자 컴퓨터 응용의 가능성으로 스핀트로닉스 (Spintronics)는 지난 10 여년 동안

나노전자소자 분야에 많은 관심과 기대를 받아 왔다. 각 하나의 전자는 양자적으로 ½ 의

스핀모멘텀을 갖고 있는데, 평형상태에서는 각각의 양자스핀이 균형을 이루고 있으나,

자류 (Magnetic field)를 가하게 되면 이 전자들이 갖고 있는 스핀의 양이 자류에 따라

변하게 되는데, 자류의 제어를 통해 채널에 흐르는 소자의 전류를 제어 함으로서 기존의

트랜지스터 보다 열(heat)적 손실없이 탁월하게 우수한 소자의 응용이 가능해 진다. 이는

또한 비휘발성메모리 (non-volatile memory) 능력도 가지고 있으므로 미래의

메모리소자로서의 기대를 모으고 있다. 이러한 우수성한 특성 때문에 산업계에서도

기술개발에 많은 관심을 기울여 왔으나, 강자성물체를 재료서 사용해야 하고, 스핀제어

기능이 아직까지는 저온에서만 작동이 가능한 한계가 있어, 컴퓨팅 기능이 가능한

논리회로로 사용을 위해서는 향후 더 많은 연구가 필요할 것으로 전망되고 있다.

북유럽에서는 스웨덴 왕립공과대학 (KTH)를 중심으로 스핀트로닉스의 연구가 활발히

진행되고 있다. 왕립공과대학 샤르마 (P. Sharma) 및 라오 (K. V. Rao) 교수의 연구팀은

일본의 도후쿠 대학 (Tohoku University)과 공동으로 망간이 도핑된 아연산화 (Mn-doped

ZnO)막을 이용하여 상온에서도 나타나는 페로마크네티즘 (Ferromanetism)을 확인하는데

성공하였다 (Sharma et al., 2003). 이는 향후 상온에서 가능한 스핀트로닉스 소자에

적용이 이루어 질 수 있다는 점에서 학계에서 지대한 관심을 받았고 이에 대한

연구결과는 네이져 메터리얼스 (Nature materials) 학술지에 게제가 되었다. 본 연구팀은

여기에 그치지 않고 보다 넓은 규모의 적용이 가능한 기술을 개발하여 미래의 집적이

가능한 센서로 응용이 가능하게 하는 길을 열기도 하였다. 그 밖에도 핀란드 알토대학

디유켄 (S. V. Dijken) 교수팀에서는 마그네티즘 (Magnetism)을 이용한 전자스핀의 영향을

꾸준히 연구해 오고 있으며 주요연구성과로는 코발트-금속산화물 2 층박막을 이용하여

산화물계면 준위의 전기스위칭 특성이 전압제어를 이용한 마그네틱 특성에 변화가

있음을 최초로 고찰 하기도 하였다. 이는 기존의 마크네트-전기적 커플링 원리에서는

발견되지 않던 특이 현상으로 (Bauer et al., 2015), 마그네틱을 이용하여 전자의 특성을

제어하는데 향후 중요하게 작용 할 것으로 예상하고 있다.

이 밖에도 양자점 (Quantuam dot), 나노와이어 (Nanowires), 화합물 반도체등, 새로운

나노물질을 이용한 연구가 스웨덴의 왕립공과대학, 덴마크 DTU, 핀란드 알토대학,

노르웨이의 공과대학 (Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet: NTNU)등을 중심으로

많은 연구와 기술개발이 진행되고 있다. 양자점은 단전자소자의 소재로도 사용이 되며,

나노와이어는 특히 휘어짐이 있는 전극소재로서 응용도 가능하다. 특히, 코펜하덴 대학

나노사이언스 센터 (Nano-Science Center of Niels Bohr Institute) 에서는 갈륨-비소 및

인듑-비소 화합물 반도체 물질 이용하여 각각의 독립된 나노와이어를 동일 영역에

합성하는데 성공 하였는데, 이는 합성방법에서 획기적인 진보를 이룬 성과로, 이를

솔라셀에 응용할 경우, 각각의 다른 스펙트럼의 태양광 파장대역을 흡수 할수 있으므로,

기존의 솔라셀에 비해 효율을 극대적으로 높일 수 있을 길을 열었다.

북유럽 국가들의 나노전자소자 기술에 관한 내용을 간략히 정리 분류해 보면 다음과

같다 (표 2.1).

표 2.1 북유럽 나노전자소자 연구 및 기술개발 현황

분야 관련기술 선도국가 주요 관련기관

그래핀/2D CVD 합성, Resonator, 30-GHz

RF mixer 덴마크, 핀란드, 스웨덴

DTU, 코펜하겐 대학,

알토대학, 챠머스 공대

SET 전자펌프, 유기 SET, 핀란드, 스웨덴, 덴마크 알토대학, MIKES, KTH,

코펜하겐 대학, DTU

Spintronics Mn-doped ZnO 소자 덴마크, 핀란드 KTH, 알토대학

Nanowires III-V semiconductor 및 금속

촉매 Nanowires, Nanowires on

graphene

덴마크, 핀란드,

노르웨이

코펜하겐 대학, 알토대학,

NTNU

공정기술 Nanolithography (~ nm) &

patterning, Nanoribbons, SET

덴마크

핀란드 DTU, VTT

이론 이론해석, 시뮬레시션,

Theoretical Nanoelectronics 덴마크, 핀란드, 스웨덴

DTU, 알토대학, 룬드대학

(Lund Univ.)

2.2.3 나노포토닉스 (Nanophotonics)

나노 포토닉스 기술 (nanophotonics technology)은 수십에서 수백 나노미터 크기의 물질

내에서 양자 단위의 광자를 동력화하는 기술이다. 이 기술은 나노 구조물의 배열을 통해

구조물과 광자 간의 강한 상호 작용을 유도하고 이로 인한 광학적 특성을 이용하여

새로운 광소자 및 광소재 개발이 가능하다는 이점이 있다. 이러한 전망을 바탕으로 전

세계적으로 원자, 전자, 이온, 분자 및 반도체 양자점 (quantum dot)과 반도체 불순물

(NV defect center) 등에서 단일 광자를 생성하는 포토닉 소자 연구가 최근 10 년간 매우

활발히 진행되고 있다. 이러한 단일 광원 소자 기술 개발은 과학의 기본적인 현상에

대한 이해도를 높임과 동시에 완전히 새로운 방식의 전자 정보 처리 체계를 구축할 수

있게 한다. 포토닉 소자는 기존의 서킷 플랫폼 형태를 나노 단위의 상호 보완적 형태로

제 구축함으로서 단일 전자 및 광자를 제어하여 에너지 소모를 획기적으로 줄일 수

있으며 기존의 광이론으로는 실현이 불가능한 양자 정보 처리 및 전송이 가능하게 하여

과학, 산업계 전반에 혁신적인 변화를 가져올 수 있다. 그림 2.9 에서 예시하 듯, 현재

미국 내 R&D 관련 연구는 전체 자금의 90%를 에너지 경쟁력을 높이는데 투자하고

있으며 이러한 경향성은 전 세계적으로 저에너지 소모 및 고효율 광원의 나노 포토닉스

소자 개발에 주목하게 하고 있다. 이러한 나노 포토닉 소자의 개발은 화학과 생물

분야의 분석 방법에도 획기적인 전기를 마련할 것으로 기대하고 있으며, 욕토(yocto)

그램 단위의 고정밀 센서 및 인공 신경망 (artificial neural network) 생성 분야에서 이

포토닉스 기술 개발 및 접목에 주목하고 있다.

현재 북유럽 4 개국에서는 이러한 차세대 신개념 광소자 및 광시스템 구현을 목표로

포토닉 소자를 소자 분야의 핵심 산업으로 분류, IT, 약학 및 생명 공학 기술 분야에서

집중적인 투자가 이루어지고 있다. 스웨덴의 경우, KTH, Lund, Chalmers 대학이

주도하여 나노 포토닉 소자의 연구를 진행하고 있다.

그림 2.9 2014 년 11 월 기준 R&D 에너지 소모 기술 확보를 위한 연구 자금 조달 분포도

[1].

90%에 해당하는 방대한 자금이 R&D 산업내 경제적으로 경쟁력있는 에너지 소모 기술을

양산하는데 쓰이고 있으며, 10%에 해당하는 에너지 경쟁력과 무관한 프로젝트에

투자되고 있다.

KTH 의 집중 연구 분야는 반도체 기반 단일 광원 연구 및 양자 정보 처리 소자

모델링이며, 최근 3 년간 양자 정보 처리를 위한 포토닉스 소자 구조의 최적화 조건을

제시한 결과가 물리학회의 주목을 받고 있다 [2]-[4]. 특히 그림 2.10 (1) 에 예시한 바와

같이 40 키로미터에 달하는 광학 섬유내에서 양자 정보 전달 방법등과 같은 실제

상용화와 연계된 다양한 기술들이 연구 되고 있다. Lund 대학의 경우 기존의 나노 결정

구조와 달리 도핑 레벨이 높거나, 결정 구조가 비틀어진 형태로 나노 와이어를 성장하는

연구가 이루어지고 있다 [5].

그림 2.10 (1) KTH 의 장거리 양자 정보 통신 기술 개발. (2) Lund 대학에서 생성한 InP

나노 와이어의 전자 주사 현미경 사진과 예로 제시된 나노 와이어 기반 광전자 소자

모식도 [5]. (3) Chalmers 대학에서 개발된 나노 플라즈모닉스 기술을 이용한 고성능

고감도 바이오 센서 [6].

그림 2.10 (2)의 모식도에 제시한 바와 같이 여러 가지 특이성을 갖도록 제작된 나노

와이어는 광자 디덱터나 LED 개발로 응용 가능하다는 장점이 있으며 산업적 응용성에

주목한 연구가 활발히 진행 중이다. Chalmers 대학의 경우 표면 플라즈마 센서 기술

개발에 집중하고 있는데 특히 나노 기술이 약학계에 미치는 영향에 주목하고 있다. 금속

박막을 기반으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 연구는 1980 년대부터 이어져 왔다. 특히

약학계에서 분자의 특성을 파악하고 분석을 가능하게 하는 획기적인 기술로서 주목하고

있으며 이 기술을 상용화 시키는데 많은 노력을 기울이고 있다. 그림 2.10 (3)은 Chalmers

대학에서 개발한 플라즈모닉스를 이용한 단일 분자 감식 방법으로 아래 금속 바이오

마크들을 중심으로 형성된 나노 플라즈모닉스와 병균의 상호 작용을 통해 분자를

감식하는 방식을 나타내고 있다 [6]. 이러한 나노 플라즈모닉스 광학 센서는 분자

스케일의 고정밀, 고감도 감식을 통해 각종 질병원의 위치를 파악하고 그 위치를 제어

및 파괴하는 방식에 새로운 혁명을 가져다 줄 것으로 예상한다.

그림 2.11 (1) Niels Bohr 연구소에서 개발 중인 GaAs 반도체 광결정 내에 주기적인 홈을

패턴하여 도파로로 전달되는 빛의 분포를 조절하는 2 차원 포토닉 멤브레인 모식도 [7].

(2) Niels Bohr QUANTOP 에서 제작된 하이브리드 SiN 포토닉 광결정 소자의 전자 주사

현미경 사진과 작동 원리를 나타낸 모식도 [8]

덴마크의 경우 나노 소자의 세계적인 선두 주자로서 양자점을 활용한 1 차원 광학 소자

기술 개발에 탁월한 성과를 내고 있다. 1990 년대 초반 SK 자발 형성 방법을 이용하여

형성된 수십 나노 미터 크기의 반도체 양자점을 이용하여 광자의 특성을 제어하는

기술을 개발하였고, 이후 양질의 양자점을 바탕으로 단일 광원 소자를 개발하려는

시도가 주를 이루었다. 덴마크 국립 공과 대학 DTU 를 중심으로 나노 리쏘그라피 공정이

가능한 각종 기반 시설이 세워짐에 따라 이론적으로 연구되어 왔던 양질의 양자점을

이용한 양자 소자의 실험적 연구에 더욱 박차를 가하게 되었다. 2000 년대 초반부터는

코펜하겐 대학을 중심으로 양자 소자 연구가 활발히 이루어졌다. 특히 양자점이 가지는

고유한 양자 구속 효과와 광결정 내에서 단일 광원으로서의 활용 가능성에 대한 연구가

주를 이루었는데 고효율의 광자 산출이 가능한 단일 양자점 기술을 처음으로 학회에

보고 하였다 [7].

그림 2.11 (1)에서와 예시되어 있듯이 이 기술은 주기적으로 홈을 배열함으로써 98%의

효율로 양자점에서 방출된 단일 광자가 1 차원 광결정 도파로를 통과하게 하는 신 단일

광자 소자 기술이다. 이는 단일 광원 생성기의 핵심이 되는 에너지 손실 문제를

해결하는 획기적인 결과로서 현재 전세계적으로 이 기술을 확보한 연구 기관은 유럽의

프랑스와 덴마크 두 나라 뿐이다. 이러한 신개념 양자 소자에 대한 연구는 단일 광자

방출 및 터널링을 이용한 양자 소자 및 큐빗 생성기로 응용되기 시작했다. 최근에는

위치 선택적 단일 양자점 제작 기술의 발달로 양자점의 상용화에 핵심이 되는 비례적

축소 가능성에 새로운 장이 열리게 되면서 단일 광자를 기반으로하는 양자 소자 연구가

더욱 활기를 띄고 있다. 그림 2.11 (2)는 2014 년 네이쳐지에 발표된 기존의 서킷

플랫폼과 상호 보완 가능한 형식의 포토닉 소자의 전자 주사 현미경 사진이다 [8]. 이

하이브리드 기술은 덴마크 닐스 보어 연구소에서 2014 년 개발된 기술로서 네개의

전극을 이용하여 포토닉 멤브레인의 위치를 정적으로 제어함으로서 추후 전극을 이용한

광자 소자로서의 활용 가능성에 대한 기대감을 높였다. 이러한 하이브리드 포토닉

플랫폼은 광자뿐 아니라 전자, 스핀 및 포논과의 상호 작용을 통해 저 에너지 소모 양자

정보 처리 및 제어 기술과 고 감도 생물 센서 기술에 혁신을 가져올 것으로 전망되고

있다.

노르웨이와 핀란드는 북유럽 4 개국 중에서 포토닉 기술 연구 및 개발에 비교적 늦게

편승한 편이다. 노르웨이의 경우 NTNU 의 리쏘그라피, 나노 임프린트, 집속 이온빔등이

갖추어진 나노 공정 시설을 기반으로 3 개의 대학교와 연구소가 주도적으로 연구에

참여하고 있다. 주요 분야로는 나노 와이어 생성 및 특성 연구가 주를 이루고 있으며,

2006 년 이래로 MBE (Molecular beam epitaxy)를 이용하여 3-5 족 나노와이어를

생성하는데 초점을 맞추고 있다. 다양한 구조를 시뮬레이션하여 전자와 광자간 양자

상호 작용을 예측하고 직접 나노 와이어 소자를 제작하는 체제로 운영되고 있다.

양산되는 나오 와이어 소자는 추후 태양전지, 센서로 상용화하는데 일차적인 목적을

두고 있으며 차세대 단일 광원 소자 제작을 장기적인 목표로 두고 있다.

핀란드에서는 알토 대학이 나노 과학 기술 연구의 중심이 되고 있으며, 나노 포토닉스

기술과 관련하여 나노 메타 물질 (nano metamaterial)의 성분 및 구조를 이론적으로

예측하고 분석하는데 초점을 맞추고 있다. 연구 분야는 전자적 특성 분석이 주를 이루고

있으며 계면 및 표면에서의 양자적 특성 효과를 시뮬레이션하고 미시계에서 거시계로

구조의 단위가 변화할 때 일어나는 현상를 연구하고 있다. 핀란드는 대략 2008 년부터

대학의 나노 기반 시설을 갖추기 시작하였으며 2012 년 다수의 고급 인력들을

고용하면서 나노 분야 개발에 박차를 가하고 있다.

이러한 북유럽 4 개국의 나노 포토닉스 과학 연구는 각종 나노 공정 시설을 기반으로

점점 더 가속화될 전망이다. 현재 개발 및 보유 중인 핵심 기술을 기반으로 각종 산업

및 과학 분야에 지속적인 발달을 도모하고, 급증하고 있는 정보 처리 속도를 혁신적으로

향상 시키면서 에너지 소모를 줄이는데 크게 기여할 것으로 사료된다. 특히 덴마크의

경우 포토닉스 분야의 선두 주자로서 두각을 드러내며 기술 축적을 가속화하고 있다.

또한 북유럽 4 개국의 상호 협력을 통해 포토닉 소자의 산업화와 상용화를 목표로 기반

시설 확충과 기술 개발 및 교류에 힘쓰고 있다.

2.2.4 바이오 및 헬스케어

나노바이오기술 (Nanobiotechnology)은 생명 과학 연구에 나노 기술을 접목한 새로운

분야이다. 기존에 있었던 분자 생물학 (molecular biology)도 지난 몇 십년간 나노 단위의

분자들을 연구해왔지만 최근에 들어서야 그 동안 축적된 나노 기술 지식을 이용하여

다양한 바이오 관련 연구가 진행되고 있다.

나노 의학 (Nanomedicine)이 헬스케어 분야에서 하나의 혁명이 될 것 으로 예상되며

북유럽 4 개국 (노르웨이, 덴마크, 스웨덴, 핀란드)에서는교육기관, 정부기관과 산업체가

한대 모여 전략적으로 집중 투자를 하고있다. 스웨덴의 경우 바이오 관련 우수한

연구기관 및 노하우를 가지고 있으며 카롤린스카 연구소 (Karolinska Institutet), 스웨덴

정부기관인 VINNOVA, 산업체인 Carl Bennet AB 가 공동으로 2009 년 연구기관인 스웨덴

메디컬 나노과학 센터 (The Swedish Medical Nanoscience Center at Karolinska

Institutet)를 출범하였다. 이 곳에서는 나노 기술을 접목한 신약 개발, Drug delivery, 조기

진단, 바이오 센서 등등을 연구하고 있다.

최근 6 년간 (2010-2015) 북유럽 4 국 에서 Nanomedicine 키워드로 검색된 총 논문

수는 112 편이다. (출처. Web of Science)

2.2.4.1 나노 입자 (nanoparticles)

암 (Cancer)은 우리 사회에서 가장 흔히 발병하는 질환 중에 하나이며 점점 더 나이

들어가는 인구로 인해 암의 발병률 또 한 계속 증가할 것으로 추정된다. 기존의 암

치료법은 화학 요법에 기반하고있다. 그러나 화학 요법의 경우 약물 추적

(biodistribution)과 약물 동력학(pharmacokinetics, 약물의 채내에서의 흡수,분포,대사,배설

등의 동태적 연구) 이 성공적인 암 치료를 방해하는 요소이다. 이러한 요소들의 이해가

부족하여 화학 요법의 경우 정상 조직과 악성조직 두가지 모두 공격해서 원치 않는

부작용을 초래했다. 이데 대하여, 스웨덴의 경우 The Swedish Medical Nanoscience

Center 와 The Royal Institute of Technology (KTH) 에서는 폴리머 나노입자 (polymer

nanoparticle)을 이용하여 진단 (diagnostic imaging) 과 질병 치료 (treatment of disease)를

동시에 수행하는 ‘theranostics’ (therapy + diagnosis) 를 기반으로하는 새로운 디바이스를

연구하고 있다. 이 팀에서 개발하는 기술의 핵심은 디바이스에 사용하는 폴리머

나노입자 (Shell Crosslinked Knedel-like (SCK) polymeric nanoparticles)에 방사성 동위

원소를 (radioactive isotope) 화학적으로 결합시키는 것이다. 이 원소들은 양전자

(positron)를 방사하는데, 원자핵에서 떨어져나온 양전자들은 주위의 전자와 결합하여

소멸하면서 반대방향으로 가는 2 개의 감마선을 방출한다. 이러한 현상을 측정하여

진단하는 것을 양전자 방출 단층 촬영 (Positron Emission Tomography, PET)이라고

부른다 (그림 2.12).

Theranostics 의 주된 이점은 약물의 전달과 실시간 진단 정보의 제공이다. Theranostic

디바이스는 나노의학 (nanomedicine)분야 가장 최근의 개발이며 미래에 개인맞춤형 약물

(personalized medicine)에 있어서 가장 중요한 도구가 될 가능성이 있다. The Swedish

Medical Nanoscience Center 와 KTH 에서 진행하고 있는 이 연구는 전에 조사된 적 없는

폴리머 시스템의 특성을 이용하여 어떻게 진단과 약물전달을 결합 하느냐에 초점이

맞춰져 있다. 현재 이 디바이스를 이용한 유방암 치료법을 연구중에 있다 (Nystrom, A.

M., & Wooley, K. L., 2011).

그림 2.12 SCK nanoparticles 를 positron emission tomography (PET) 이미징에 사용하는

모습.

2.2.4.2 약물 전달 (Drug delivery)

노르웨이 과기대 (NTNU)와 스칸디나비아 최대 연구기관인 SINTEF (The Foundation for

Scientific and Industrial Research)가 공동으로 최근 약물을 체내에서 목표부위까지 손상

없이 옮기는 기술개발에 성공하였다. 약물이 들어있는 나노캡슐을 가스버블 (gas

bubble)에 넣어서 혈관을 따라 이동하는 방법으로, 이는 알츠하이머나 파킨슨과 같은 뇌

질환을 다루는 새로운 치료법의 가능성을 열었다는 점에서 주목을 받았다. 버블이

혈관을 따라서 이동하다가 목표에 다다르면 혈관을 빠져나와 직접적으로 목표물을

타격하는 원리이며, 이 방법을 사용하여 부작용을 확실하게 줄임과 동시에 약물의

효과도 비약적으로 상승 시킬 것으로 기대하고 있다. SINTEF 는 2006 년부터 자체적인

프로젝트 Medical ACTION 을 시작하였고 나노-메디컬 분야에 활발한 연구와 투자를 하고

있다 (GEMINI, 2014).

2.2.4.3 나노 섬유(Nanocellulose)

오늘날 전세계의 지속적으로 증가하는 에너지 수요를 맞추기 위해서 다방면의 연구가

진행 중에 있다. 노르웨이 종이-섬유질 연구소 (Paper and Fibre Research Institute:

PFI)와 NTNU 는 노르웨이 연구협의회에서 4 년간 약 천 2 백만 크론 (12.3 million NOK,

Norwegian Krone = 한화 약 17 억원)의 예산을 받아 나노섬유 (nanocellulose) (그림 2.13)

연구를 시작하였다. 이 연구는 현재 평균 약 46%의 석유채취량을 늘리기 위함이다. 이

프로젝트 “Green high performance systems for Enhanced Oil Recovery (GreenEOR)”

성공시 예상되는 경제효과는 약 2 조 7 천억 NOK (한화 약 37.4 조 원)에 이를 것으로

전망하고 있다 (Teknisk Ukeblad, 2015).

그림 2.13 나노섬유의 확대된 모습. 섬유질의 지름은 약 15 나노미터 (좌). Nanocellulose

를 이용하여 석유 매립지에 남아있는 석유를 채취가능하다 (우).

이 밖에도 나노섬유를 이용한 여러 연구들이 활발하게 진행중에 있으며 바이오메디컬과

신약개발에 응용하기 위한 목적으로, 연구 프로젝트 NORCEL (The Norwegian

Nanocellulose Technology Platform)가 2013 년에 출범하였다. 이 프로젝트는 PFI (Paper

and Fibre Research Institute), NTNU, 베르겐 대학 (Universitetet i Bergen), 스타방에르

대학 (Universitet i Stavanger)등의 대학연구기관과 여러 산업체가 공동으로 참여하여

5 년간 진행한다.

북유럽 4 국 에서 나노섬유 관련 게제된 총 논문 수는 207 편 (그림 2.14) 이며, 이는 같은

시기 (2010-2015) 게재된 총 논문 수 (총 658 편) 대비 31.5% 비율을 차지한다 (출처. Web

of Science).

그림 2.14 최근 6년간 북유럽 4개국의 총 논문 수

2.3 국가별 나노기술 트랜드

2.3.1 스웨덴 (Sweden)

스웨덴은 대학을 중심으로 나노기술연구가 진행되어 왔다. 스웨덴의 연구개발 총 투자는

2012 년 GDP 대비 3.41%로 세계 2 위이며 (세계은행 통계) 2014 년 나노관련 논문의 h-

index 는 (출처. Web of Science) 12 로 세계 18 위, 2013 년 인구 100 만명당 나노관련

논문수는 143.97 편으로 세계 4 위이다 (출처. Web of Science). 나노기술의

연구개발지원은 주로 스웨덴 연구위원회 (VR), 스웨덴 전략연구재단 (SSF)을 통해 이루어

지고 있다. 스웨덴은 지난 2001 년 정부 연구개발체계를 대대적으로 쇄신하여, 기존의

연구기구를 대폭 축소하고 3 개의 연구협의회와 정부지원부처를 신설하였다. 또한 EU 는

2013 년 1 월, 그래핀 과제에 향후 10 년간 EU 사상 최대의 10 억 유로 (약 1 조

4,000 억원)를 투입한다고 발표하였는데 스웨덴의 챠머스 공대가 과제를 총괄하고 있다.

스웨덴의 나노 분야 연구 유관 기관으로는 스웨덴 연구위원회 (VR, Swedish Research

Counsil)와 같은 연구위원회와 스웨덴 혁신시스템청 (Swedish Agency for Innovation

Systems, VINNOVA)과 같은 정부지원기구, 그 외 스웨덴전략연구재단 (Swedish

Foundation for Strategic Research, SSF), 너트·앨리스 월렌버그재단이 있다(KIST

나노정보분석팀. 2007).

스웨덴 연구위원회 (VR, Swedish Research Counsil)는 정부기관으로 스웨덴

기초연구부문의 연구개발을 총괄하고 있다. 주요기능은 스웨덴 대학을 대상으로

기초연구부문의 연구개발을 총괄하여 자금 지원, 국제 공동 연구, 연구 결과 평가 등이며

한 해 예산은 64 억 SEK (약 6 억 8 천 유로)정도이다. 스웨덴 혁신시스템청(VINNOVA)은

국립 또는 민간 혁신체계강화를 목표로 하고 있고 연간 예산은 27 억 SEK (약 2 억 9 천

유로)이다. 2012 년도 나노부문예산은 750 만 유로 (ObservatoryNANO, 2011)로 추정된다.

스웨덴전략연구재단 (Foundation for Strategic Research, SSF)은 1994 년 설립되었고

스웨덴의 미래 경쟁력확보를 위하여 세계수준의 연구개발환경 조성을 구축하는 역할을

수행하고 있으며, 또한 나노기술연구개발에서도 중추적인 기능을 담당하고 있다. 현재

한해 예산은 60 억 SEK (약 6 억 4 천 유로) 정도이다. 2012 년 나노부문예산은 1800 만

유로로 추정된다 (ObservatoryNANO, 2011).

스웨덴의 연구개발체제는 대학을 중심으로 이루어지고 있는데, 대표적인 대학으로는

왕립공과대학(Royal Institute of Technology, KTH), 웁살라 대학(Uppsala University),

챠머스 공과대학 (Chalmers Institute of Technology), 룬드 대학(Lund University), 린쇼핑

대학 (Linköping University), 우메오 대학(Umeå University), 룰레오 대학(Luleå University)

등이 있다. 룬드 대학은 1988 년 나노구조콘소시움을 설립하고 나노연구를 지원하였다.

재료과학, 기초 물리, 나노 구조 등의 연구를 통해 전자학적, 생명공학적 응용을 하고

있으며 현재 반도체 나노와이어에 초점을 두고 연구를 하고 있다. 특히 2007 년부터 룬드

나노랩 (Lund Nano Lab) 을 운영하면서 나노 구조 제작 및 특성 분석을 할 수 있는

인프라를 구축하였고 외부 기업체, 연구기관과 시설을 공유하고 있다. 또한 2009 년부터

룬드 나노 분석 랩 (Lund Nano Characterization Lab) 을 운영하여 단일 원자 이미징을

비롯한 세계적 수준의 나노 분석 연구를 수행하고 있다 (Nanometer Structure Consortium,

n.d). 찰머스 공대는 2013 년부터 시작된 10 억 유로 규모의 Graphene Flagship

프로젝트를 총괄진행하고 있다 (Graphene Flagship, n.d). 나노 연구를 하는 Department

of Microtechnology and Nanoscience (MC2)를 2000 년에 설립하였는데, MC2 는 220 여명의

연구인력을 보유하고 있으며 7 개의 연구소로 나누어져 있다. 6 개는 연구개발을 하고

1 개는 클린룸의 유지, 관리만 전담하고 있어 연구자들이 연구에만 전념할 수 있게 하고

있다. 2012 년 기준 2 억 1200 만 SEK(약 2300 만 유로)의 예산을 집행하였고 나노, 양자

전자학, 포토닉스, 바이오 나노 시스템을 주로 연구하고 있다 (Chalmers, n.d).

스웨덴의 나노기술 관련 기업체는 생명과학, 재료 및 표면공학, 기기 및 장비, 전자

분야에 걸쳐 있다. 생명과학 분야 기업체로는 생의학 연구 물품을 공급하고 있는 Cline

Scientific, 바이오센서를 개발하는 Attana, 의학이미징에 필요한 나노입자를

공급하는 Genovis, Nanoscale drug delivery system 을 개발하는 Camurus,

제약회사인 Oasmia, 의료자기공명 장치 개발을 하는 Spago imaging 가 있다. 재료 및

표면공학 관련 업체로는 콜로이드 실리카를 나노 크기로 공급하는 Eca Chemicals, 실리콘

카바이드 위의 그래핀을 생산하는 Graphensic, 나노 단위에서 표면 분석 장비를

생산하는 Bilolin Scientific, 나노 다공 물질 (Nano porous materials)을 생산하는 Nanologica,

나노와이어와 같은 나노반도체를 개발하는 QuNano, 합금 및 세라믹을 개발하는 Scandvik

Materials Technology 등이 있다. 기기 및 장비 분야에는 나노임프린트 리소그래피와

같은 나노 공정 장비를 생산하는 Acreo, 포토마스크 생산을 위한 레이져를 공급하는

Micronic Laser Systems, 쿼츠 크리스탈 마이크로 저울을 생산하는 Q-sense, 나노 공정

마스크 (mask)를 제작하는 Micronic Mydata 등이 있다. 그리고 전자 분야에는 나노와이어

기반 태양전지를 개발하는 Sol Voltaics 등이 있다 (Nanowerk, n.d).

2.3.2 덴마크 (Denmark)

최근 우리 사회는 급증하는 정보의 양과 함께 비례적으로 차세대 정보 처리 기술 및

고효율 저전력 시스템 구축에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 요구는 최근 10 년

사이에 과학 및 산업계의 화두로 떠올랐으며 이러한 미래 신 동력 기술의 요구에 따라

2000 년대 초반부터 전 세계적으로 단일 광자를 기반으로 하는 나노 단위의 플랫폼 구축

및 신 양자 정보 처리 기술 개발 연구를 지원· 육성하는데 심혈을 기울이고 있다. 현재

덴마크에서는 지난 8 년 동안 코펜하겐 대학교, DTU 및 국가 기관 Danchip 의 협력을

중심으로 관련 나노 포토닉스 분야의 주요 원천 기술을 개발하고 전자, 광학 및 역학

기술 융합을 위한 하이브리드 플랫폼 개발에 박차를 가하고 있다. 현재 닐스 보어

연구소를 중심으로 고 성능 반도체 포토닉 칩을 개발하는 연구가 활발히 진행 중이며 전

세계를 통틀어 양자점(quantum dot)을 고효율 단일 광원으로 제어할 수 있는 최고의

기술을 가지고 있다 (Lund-Hansen et al., 2008). 그림 2.15 에 제시된 닐스 보어

연구소에서 제작된 포토닉 소자는 주기적으로 홈을 패턴한 1 차원 광 도파관(waveguide)

을 통하여 양자점 (노란 삼각)으로부터 방사되는 광자를 전달하는 방식으로 그 방사

효율이 98%에 달한다. 이러한 고효율의 빛 구속 방식 및 전달 기술은 광결정과 나노

와이어 샘플을 기반으로 하여 유럽 각 국에서 개발이 이루어지고 있으며 현존하는 단일

광원 소자로서는 덴마크의 양자점을 기반으로 하는 1 차원 도파관 광결정이 최고의

효율을 보이고 있다. 또한 나노 와이어를 1 차원 도파관으로 사용하는 포토닉 소자와

달리 덴마크에서 개발한 2 차원 포토닉 멤브레인은 기존의 MEMS 플랫폼과 상호 보완성이

높은 장점이 있다. 덴마크에서는 다음 단계로 단일 광자 소자를 현존하는 MEMS 와 상호

보완적 플랫폼의 형태로 개발하는 기술에 주목하고 있으며, 2014 년에는 네개의 전극을

이용하여 포토닉 칩의 역학적 성질을 제어하는 기술 개발에 성공하여 세계적인 주목을

받고 있다 (Bagci et al., 2014). 위의 하이브리드 기술은 포토닉 소자를 역학, 전자, 스핀

등과 상호 보완적인 형태로 제작이 가능하며 나노 컴퓨터 및, 고 정밀 화학 및 생물

센서로의 활용 가능성에 새로운 장을 열었다는 평가를 받고 있다.

덴마크 나노 관련 기술 개발은 코펜하겐 대학교, 덴마크 기술 공과 대학교 (DTU) 및

국가 산하 기업 기관 Danchip 의 견고한 상호 협력적 관계 아래 이론 연구, 가공, 특성

분석 세 분과를 나누어서 연구를 진행하고 있다. 코펜하겐 대학교 산하 닐스 보어

연구소의 QUANTOP 과 각종 나노 공정 장비 및 관련 기반 시설 및 기술이 집적된 DTU

의 MIC, COM 및 Danchip 의 상호 협력을 바탕으로 하이브리드 양자 시스템 소자를

가공하고 그 특성을 파악하며 각종 시뮬레이션을 통한 시스템 구축에 심혈을 기울이고

있다. 가공 단계에서 주목할 부분은 한국 과학 기술 연구소(KIST)와의 긴밀한 상호 협력

관계이다. 덴마크 닐스 보어 연구소에서는, 한국 KIST 에서 제공한 양질의 양자점 샘플을

이용하여 자체 개발된 나노 공정 과정을 거쳐 그림 2.15 와 같은 소자를 완성하고 있다.

이러한 나노 원천 기술 개발을 통해 화학 및 생물 분야의 기술 혁신을 이룰 수 있도록

DNA 나노 기술 센터와 상의 연구 기관 간의 밀접한 교류가 이루어 지고 있다. 현재

덴마크의 포토닉스 기술 연구는 대략 10 년 정도의 짧은 역사를 가지고 있다. 1990 초반

까지만 해도 소규모의 Danfoss 기업이 전부 였으나 현 분야의 연구가 기업 성장에 가져올

시너지 효과에 힘입어 1990 년대부터 급속도로 연구 및 기술 개발에 투자가 이루어졌다.

그림 2.15 포토닉 소자. a. Copenhagen 대학교와 Danchip 의 공동 연구로 제작된 단일

광원 제어 포토닉 소자의 SEM 사진.

*양자 정보 처리 기술로 응용 가능한 1 차원 도파관내 위치한 단일 양자점(노란 삼각) 의

비선형 방사 특성이 묘사 되었다. b. 포토닉-전자-역학 에너지 변환기의 도식. 멤브레인

자체가 LC 서킷으로 작용하며, 멤브레인의 공명 진동 위치를 레이저 빛의 위상 변화로

관측하였다.

1990 년대 DTU 에 덴마크 국립 나노 과학 기술 연구소 MIC 가 설립되었으며 이후

COM 이 설립되면서 DTU 에서는 1000 제곱 미터에 해당하는 클린룸 가공 시설을 갖추게

되었다. 이러한 기반 시설을 바탕으로 이 두 기관이 덴마크의 MEMS 및 차세대 포토닉스

기반 산업 연구의 중점 역할을 해왔다. 특히 정부 차원의 R&D lab 지원과 MIC, Danfoss,

DELTA 에서의 연구 활동을 바탕으로 Grundfos, Danfoss 및 Sonion 기업들을 중심으로

실리콘 기반 시스템 및 센서의 상용화가 이루어졌다. 2000 년대 초반에 들어서는 덴마크

내의 나노 시스템 기술 연구 경쟁력 향상을 목표로 코펜하겐 대학교, 닐스 보어

연구소에 차세대 MEMS 기반 포토닉스 연구 기관인 QUANTOP 이 설립되었다. 현재

대표적인 덴마크 나노 소자 생산 기업으로 Danish Micro Engineering 사와 Danfoss 사가

있으며 마이크로 스케일의 분석 및 측정 장비 개발에는 Capres 사, 나노 소자의 분자적

특성 모델링 및 소프트웨어 개발에는 Image Metrology 와 QuantumWise 사가 있다.

2.3.3 핀란드 (Finland)

한해 핀란드의 교역내용를 보면, 전기전자, 광학, 기계, 화확, 제지펄프등이 주요

수출품으로 꼽힌다. 2014 년 마이크로소프트와 합병으로 사라진 노키아 외에 주목할 만한

대표 브렌드가 없었음에도 전자 및 광학 기기등 첨단기기들이 산업의 주도적인 역할을

하고 있는 점은 IT 기술이면에 나노관련 기술을 바탕으로 한 산업들이 그 한축을 차지

하고 있기 때문이 기도 하다. 핀란드 나노기술의 역사는 1970 년대 얇은막 증착 기술의

개발에서 시작한다. 투오모 순톨라 (Tuomo Suntola) 박사 연구팀에 의해 1974 년 원자층

박막 증착 (Atomic Layer Deposition: ALD) 기술을 최초로 상용화 하였다. 당시에는

산업에 크게 주목을 받지는 못하였지만 지금의 반도체 산업에 사용되는 중요한 기술중의

하나로 손꼽히고 있다. ALD 기술은 원자층 스케일까지 정교한 제어가 가능하므로,

반도체 산업외에도 광학이나 에너지 분야등 그 응용의 범위가 상당히 넓다. 이 기술을

바탕으로, 1970 년대, 기상 및 대기측정 장치를 제조하던 기업 바이살라 (Vaisala)는

핀란드기술연구소 (VTT Technical research center of Finland)와 공동으로 휴대가 가능한

습도센서를 최초로 개발 하였다. 당시 투오모 순톨라 박사가 연구개발 책임자로

프로젝트를 진행하였는데 휴대가 가능한 작은 습도측정센서를 만드는데 성공하게 되어

(기존의 큰 규모의 실험실에서나 가능했던) 가정이나 병원등 일상생활에서도 쉽게 사용

가능하도록 만들게 된 계기가 되었다고 평가를 받고 있다. ALD 기술을 이용하여 얇은

박막 제조 기술이 있었기 때문에 가능했다. 작은 습도센서의 개발은 핀란드 나노기술

상용화의 성공의 대표적인 첫 사례로 손꼽히고 있기도 하다. 이러한 혁신을 거듭하고

센서분야 나노관련기술을 꾸준히 개발해온 바이살라는 기상 및 대기측정에 있어서

지금까지도 전세계 라디오존데의 80% 이상을 차지 하고 있다.

이런 경험을 바탕으로 핀란드 정부와 기업등에서도 관련 연구개발 및 기술확보를 위한

투자도 활발하게 이루어져 왔다. 특히, IT 붐이 한창이던 2000 년대 중반 핀란드 정부는

나노기술을 미래 국가전략기술로 채택하고 국가가 주도적으로 본격적인 지원에 나섰다.

핀란드기술개발혁신청 (TEKES) 주로도 2005 년 부터 5 년간 진행되 온 FinNano

프로그램을 운영하여 기초분야연구에서 부터 상용화 기술개발 까지 핀란드내 대학,

연구기관등 총 100 여개 기업이 함께 참여 하여 기술개발을 진행해 왔다. 이 기간동안 총

1 억 2 천만 유로 (이중 기업이 7 천만 유로 출자)의 기금이 사용 되었고 이 프로그램을

통해 핵심 3 개 분야 - 전자산업 (electronics), 산림 (forest), 바이오기술 (biotechnology)-

의 기술로드맵을 수립했다. 이러한 개술개발의 결과로 2010 년 이후 나노관련

산업클러스터의 틀이 전자-IT, 산림, 화학 , 그리고 건강-웰빙등 크게 4 가지로 형성

되면서 핀란드 미래 핵심 주도산업을 제지, 기계, 철강등 전통산업에서 첨단산업구조로

재편 하는데 성공하였다.

나노기술은 미세한 공정 (0.1 마이크로 미터 이하)과 얇은필름 (0.01 마이크로미터 이하)

제어 기술 그리고 특성을 분석해 낼 수 있는 측정 기술이 그 근간을 이루는데, 이러한

핀란드의 나노관련 원천기술은 VTT 와 알토대학을 중심으로 개발 되고 있다.

오타니에미 (Otaniemi) 사이언스파크-클러스터에 함께 자리잡은 두 기관은 북유럽에서는

규모 (약 2700 m2)가 가장 큰 연구용 클린룸 (cleanroo)을 보유한 마이크로노바

(Micronova: Center of micro and nanotechnology)를 공동으로 운영하고 있다. 2010 년

이후 마이크로노바는 국가주요기간시설물 (National Infrastructure)로 지정이 되어

국가적인 체계적인 지원도 함께 받고 있다. 약 300 여명의 연구인력이 있는 이곳은

핀란드 나노기술 연구개발의 핵심으로, 2002 년 Micronova 개원이후 다양한 산학연

연구개발 프로젝트를 진행하여 원천기술을 확보하고 상용화 기술을 개발하여 관련기술을

기업에 이전하고 있다. 대표적으로, 필름 라미네이션 (lamination), 바이오센서, 피에죠센서

(Piezoelectric sensor), 화합물 반도체, LED, 프린팅 기술등이 있다. 나노임프린트

리소그라피 (nano-imprint lithography) 및 플렉서블 응용 (flexible application)에 대한

연구는 상당히 앞서 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 극저온 세계기록을 보유하고 있는

알토대학의 Low Temperature Laboratory 도 이곳 마이크로노바에서 단전자 펌프 (Single

electron pump) 구현등 세계기술을 선도하는 연구활동을 하고 있다. 최근 물리학분야에

많은 관심을 받았던 그래핀관련 제조와 전자소자 응용에 대한 연구도 2008 년 이후

활발하게 진행하고 있다. Potothermal CVD 를 이용한 그래핀 성장, 그래핀 라미네이션,

2 차원 비선형 소자 구현등이 성공 연구사례로 손 꼽히고 있다.

나노관련 인재양성도 빼놓을 수 없는 핀란드나노 기술정착 성공의 한 요인이다.

알토대학은 북유럽에서는 처음으로, 나노기술전문 학위 프로그램인 Master’s Program in

Nanotechnology 를 2002 년에 도입하여, 전기전자, 광학 및 소재분야의 초급 과학자를

꾸준히 양성해 왔다. 2006 년 부터는 국가가 주도하는 NGS-nano (National Graduate

School on Nanotechnology) 프로그램을 시행하여 전국적으로 매년 100 여명에 가까운

박사급 인력을 국가가 집중적으로 양성해 왔다. 이들 양성된 인력을 기반으로,

관련산업도 차츰 증가하고 있으면, 핀란드 기업에서도 나노관련 미래기술개발을

서두르고 있다. 핀란드내 나노관련교육은 알토대학, 헬싱키 대학, 탐베레 공과대학,

라뻰란타 공과대학, 그리고 투르크 대학을 거점으로 진행되고 있다.

대학과 연구기관에서의 기초연구 성과물을 바탕으로 지난 몇년간 핀란드내

나노관련산업은 가파르게 성장하고 있다. NRC Nokia Research Center (Resonator 및

센서), Vaisala (기상관측장비제조), Murada (전자센서제조), Picosun (ALD 장비제조)등

과거 노하우를 바탕으로 고기능성 전자소자를 점목시켜 지속적인 성장을 이루고 있으며,

신소재나 혁신적인 기능을 가미한 미래 지향형 벤처기업의 탄생도 러시를 이루고 있다.

특히, 나노스케일 소자나 장치를 이용한 바이오-메디컬 기술 및 이를 뒷받침한 장비의

제조 기업의 탄생이 대표적이다. DelSiTech (drug delivery), BioSafe (안정성 검사),

BioNavis (측정장비제조) 등이 눈에 띄는 기술주도형 신생기업이라 할 수 있다. 엑스레이

디텍터 (X-ray detector)를 제조하는 Ajat 은 짧은 설립의 역사 속에서도 정교한

박막제조기술을 바탕으로 최근 꾸준한 성장을 이어 오고 있다. Canatu–NanoBu 는

카본나노튜브 (carbon nanotubes)를 균일하게 분산코팅시키는 기술을 확보하고, 이를

이용한 필름개발을 통해 차세대 디스플레이나 터치스크린과 같은 전자산업에 대한

혁신을 꽤하고 있다. 최근, 미국에 본사를 둔 구글(Google)은 나노 관련 인력을 대폭

확충하고 IT 를 기반한 웨어러블 (Wearable) 디바이스 기술개발을 핀란드에서 진행하고

있으며, 특수목적용 시계를 생산하고 있는 순토 (Suunto) 역시 나노기술을 접목하여

손목착용 가능한 컴퓨터 개발을 서두르고 있다. 그 외에도 광학 (Optical fiber, Emitter

등)이나 디자인 분야에서도 나노기술 적용한 제품을 고안하는등 다양한 분야에서 많은

시도가 활발히 이루어 지고 있다.

2.3.4 노르웨이 (Norway)

노르웨이는 스웨덴, 덴마크와 비교해 상대적으로 늦은 출발을 하였다. 2007 년도에

노르웨이연구협의회 (The Research Council of Norway)가 노르웨이 내의 인프라와

연구의 활성화를 위하여 NANOMAT 프로젝트를 출범시켰다. NANOMAT 프로젝트는

2011 년 현재의 NANO2021 이라는 10 년 중장기 프로그램 (2012-2021)으로 대체되었다.

노르웨이에서 나노테크놀로지 R&D 투자액은 해마다 늘고 있으며 2011 년 한 해 예산은

5 억 NOK (한화 약 692 억원) 이었다. 이중 고등교육부문이 약 50%, 그리고 연구부문과

산업체부문이 각각 25% 가량을 차지 하였다 (그림 2.16).

그림 2.16 2011 년 노르웨이의 주요산업 R&D지출 그래프 (Research Council of Norway,

2013).

노르웨이에서 나노관련 학위 프로그램은 총 4 개의 대학-오슬로 대학교 (Universitetet i

Oslo, UiO), NTNU, 베르겐 대학교 (Universitetet i Bergen, UiB), 베스트폴 대학교

(Høyskolen i Vestfold, HiVe)-에서 운영하고 있다. 오슬로 대학교는 노르웨이 최대 연구

대학으로 나노 기술을 이용한 고효율 solar panel, 배터리, fuel cell, 촉매제, 신 반도체

등등 폭 넓은 연구를 여러 산업체와 함께 진행하고 있다.

SINTEF (The Foundation for Scientific and Industrial Research)는 1950 년 노르웨이

트론하임에서 설립된 스칸디나비아에서 가장 큰 연구기관이며 재생에너지/기후/환경기술,

오일/가스, 헬스케어등 최첨단산업 및 연구분야에서 세계적으로 경쟁력을 갖추고 있다.

오슬로 대학교, NTNU 를 포함한 노르웨이의 선도 연구기관/단체들과 파트너쉽을 맺어

효율적인 산학연 연구 시스템도 보유하고 있다. 현재 진행하고 있는 나노기술관련 3 개의

프로젝트중 2 개가 촉매와 연관되어 있다. 하나는 석유화학과 직접적인 관련이 있고 다른

하나는 에너지 관련사업으로 태양광을 이용해 H2O, CO2 와 N2 를 활용 가능한 다른

chemical 로 바꾸는 연구가 진행중이다. SNTEF 는 매년 약 3,000 여 외부기관으로부터

평균 9,000 여개의 연구 프로젝트를 수탁 진행한다. 2013 년 총매출 (연구비) 규모는

3 억 7 천만 유로 (한화 약 4390 억)였고 총매출액의 90% 이상을 공개경쟁에서 배당받은

사업금액이다. PFI (Paper and Fibre Research Institute) 는 2004 년에 설립된 소규모

연구기관이지만 노르웨이연구협의회, 산업체의 지원을 받아 나노섬유 (nanocellulose)를

연구하는 선구자 역할을 하고있다. PFI 연구자들은 나노섬유를 사용하여 기존의 종이보다

강도가 월등히 향상된 종이를 만들거나, 기존의 석유로 만든 플라스틱을 대체 가능한

나노페이퍼 (nanopaper)나 석유채취량을 증가시키기 위한 응용을 위해 여러 새로운

연구를 활발히 하고있다(Nanowerk, 2013). IFE (Institute for Energy Technology)에서는

나노기술을 이용하여 새로운 물질을 만들고 있다. Solid state method 를 이용해 fluorine

doped TiO2-carbon nanocones and disc composites 합성에 성공하여 태양광만 있으면

강력한 향균작용을 하는 물질을 만드는데 성공했다 (Sangari, Umadevi, Mayandi, Anitha,

& Pinheiro, 2015). IFE 는 북유럽에 단 하나뿐인 나노기술 재료연구를 위한 연구용

리엑터 (research reactor) JEEP II 를 가지고 있다. JEEP II 안에 6 개의 beam channel 은

7 개의 diffractometers/spectrometers 에 중성자를 제공하도록 되어 있다. 이러한 특성을

이용해 새롭게 고안된 물리질의 구조적 자성적 특성에 대한 기초 연구가 활발히

이루어지고 있다 (IFE, n.d). NTNU NanoLab 은 나노입자와필름 제조, 박막성장, 고밀도

리소그래피 및 바이오기술을 이용한 소프트 리소그래피 공정이 가능한 최첨단 클린룸을

보유하고 있다. 이러한 연구시설을 이용 최초로 III-V 반도체 나노와이어를 그래핀 표면에

성장 시키는 것을 성공하였고 이와 관련된 제조기술은 특허를 획득 하기도 하였다(NTNU,

n.d).

노르웨이 정부는 천연자원 의존 경제에서 첨단산업으로의 변화를 위해 산업체와 여러

관련 공기업의 기술개발 참여를 더욱 독려하고, 뿐만 아니라 연구기관에서 개발되는

나노기술을 상용화 시키는 것에 상당한 노력을 기울이고있다.

산업체 동향으로는, 특히 에너지와 환경관련 나노기술개발 활동이 활발하다. 헬스케어

부분에서는 의료장비, 바이오센서, 진단(diagonosis)시트템 기술이, 그리고 큰 비중을

차지하고 있는 ICT 분야에서는 기존의 microtechnology 기술을를 사용하던 부품소재,

센서, 프로세서등이 nanotechnology 기술을 접목하여 한단계 도약을 하고 있다. Nordic

Semiconductor 는 Ultra low power wireless solutions, Highly integrated RF ICs, protocol

stacks, development tools 등을 다룬다. Norspace 는 commercial telecommunications

satellites 에 쓰이는 on-board electronic equipment 와 components 를 제공하는 세계

선두의 공급업체다. SensoNor 는 MEMS 산업에서 오랜시간 경험과 노하우를 지니고 있다.

MEMS based 고정밀 gyro 센서 및 pressure 센서를 생산한다. 전통적으로 선박기술의

강자였던 노르웨이는 나노기술을 이용한 새로운 선박페인트를 개발하여 상용화 했다.

Advanced Marine Coatings (AMC) 나노기술을 접목한 선박, offshore 등에 쓰이는 코팅

시스템을 개발하였다. 강철전용 anti-corrosion primer 인 Green Ocean Coating (GOC)

steel primer 등 많은 고급 코팅기술 개발/상용화 하는데 성공하였다. Jotun Marine

Coatings 는 세계를 선도하는 선박 페인트 서플라이어 로서, 페인트 표면의 nano-

spring 을 이용 나노 크기의 glue 를 밀어내는 기능 (repellent properties)을 함으로서

fouling 을 사전에 방지하는 코팅 기술을 보유 하고 있다.

노르웨이는 다른 북유럽 국가와 비교해 아직까지는 나노기술을 이용한 가치창출의

효과가 뚜렷하지 않았으나, 노르웨이연구협의회와 노르웨이 정부는 기존부터 존재하는

재료산업과 ICT/microtechnology 가 점차 나노기술과 융합하여 나노산업의 가장 큰

그룹이 될 것으로 보고 투자를 확대해갈 예정이다. 2011 년에 종료된 NANOMAT 프로젝트

보고서에 따르면 노르웨이 기업들의 상대적으로 적은 나노기술 R&D 투자는 건강과

환경에 부정적인 영향을 미칠 수도있다는 소극적인 행동으로 풀이된다. 정부는

나노과학기술에 더욱더 적극적인 투자와 교육을 하여 기업들의 적극적인 투자를 이끌어

낼 계획이다.

2.4 결론 및 향후전망

현재 우리는 마이크로 시스템을 기반으로 하는 전자 기기 사용에 익숙해졌으며 관련

기반 산업이 각종 공정 및 서비스 산업에 큰 영향을 미치고 있다. 이에 따라 기존에

보급된 전자 산업 기기들이 가지는 에너지 소모 및 정보 처리 속도의 문제점이

지속적으로 제기되고 있으며 이 문제들을 해결할 대체 시스템에 대한 연구가 활발히

진행되고 있는 실정이다. 이러한 관점에서 차세대 나노 시스템은, 신소재 출현, 물리학의

진보, 그리고 마이크로 공정 기술의 발전을 기반으로 미래 기술의 새로운 패러다임을

이끌어 낼것으로 확신하고 있다. 기존의 전기적 제어를 기반으로 한 시스템의 개념을

뛰어넘어 2 차원 물질 기반 소자, 단전자/ 스핀트로닉스 기술 등이 차세대 전자소자

분야의 나노기술을 주도할 것으로 예상된다. 다만, 현재 몇가지 물리적 한계를 극복해야

하는 숙제를 앉고 있어, 소재/소자 분야가 상용화되기 까지는 향후 보다 심도깊은 연구가

진행 되야 할것으로 보인다. 포토닉스 분야의 경우 21 세기에 들어서 본격적으로

연구되기 시작하였으며 전자 소자와의 복합적인 플랫폼을 통해 단일 광원을 이용한 정보

처리를 가능하게 함으로서 기기의 에너지 효율성을 획기적으로 높일 수 있는 장점이

있다. 뿐만 아니라 차세대 양자 정보 컴퓨터의 유력한 후보로 대두되고 있다. 따라서

저전력 고효율 나노 소자를 기존의 MEMS 와 상호 보완적 형태로 개발하려는 시도가

매우 활발히 진행 중이다. 이 MEMS 기반의 차세대 하이브리드 소자가 전자 산업에

가져올 파급 효과는 매우 클 것으로 예상하고 있으며 다수의 관련 산업 발달을

가속화시킬 것으로 사료된다. 최근 10 년간 전 세계적으로 하이브리드 나노 칩 분야의

기술 개발에 집중적인 투자가 이루어지고 있으며, 최근 3 년간 덴마크를 포함한 유럽

국가에서는 핵심적인 소자 기술을 확보하고 있는 중이다. 이러한 하이브리드 시스템은

물리학 뿐만 아니라 생물, 전자, 화학 등 다양한 과학, 기술 분야에 마찬가지로 획기적인

전기를 마련할 것으로 예상되고 있으며, 특히 각종 고정밀 센서 기술 및 인공 뉴런

연구를 가능하게 하는 새로운 장을 열 것으로 기대하고 있다.

그러나 이러한 희망적인 전망 이면에, 한편으로, 지금의 나노물질에 기반한 나노기술이

기존 기술의 한계를 극복 해야 하는 몇 가지 큰 숙제를 안고 있어 상용화로

이어지기에는 연구개발의 위험부담이 많은 기술인 만큼, 연구개발투자에 대비해 어느

정도의 산업적 파급이 있을 것인지는 예측하기가 어려운 측면이 있는 것으로 판단된다.

2.4.1 북유럽 국가 나노기술 전망

현재 북유럽 내 각종 마이크로 시스템 분야에서 창출하는 가치는 1 억 유로를 넘고

있으며, 최근 5 년간 반도체 산업 분야의 경쟁력을 세계를 선도하는 수준으로 끌어올리기

위하여 MEMS 기반 반도체 산업 연구소에 집중적인 투자가 이루어 지고 있다. 이에 따라

전세계 시장에서 적어도 10 개의 MEMS 기반 북유럽국 회사들이 세계적인 경쟁력을

가지게 되었다. 특히 북유럽 4 개국은 협력적 파트너쉽을 바탕으로한 MEMS 기반

하이브리드 플랫폼 개발에 박차를 가하고 있다. 비록 연구 및 산업 기관의 구조가 각

나라마다 매우 다르고 그 연구 주제 및 활용 가능성이 매우 광범위하지만 북유럽

내 10 개 정도의 대학 및 산하 연구소에서 나노소자, 나노 포토닉 멤브레인, 나노 와이어,

나노 플라스모닉스등 다양한 플랫폼의 차세대 소자로서의 응용 가능성을 상호

협력적으로 연구하고 있다. 반도체 관련 기업들은 관련 기자재들을 현재 개발중인

기술과 접목하여 실제 생산 과정에 적용 가능한지의 여부를 검토 하고 있다. 이를 위해

스웨덴은 2000 년 이후 꾸준히 나노 관련 국가 연구개발 투자를 늘려왔으며, 우수한 나노

기술 연구 인프라를 구축하였다. 특히 10 년 계획으로 진행되는 Graphene Flagship

프로젝트의 경우 10 년 뒤인 2023 년에는 그래핀이 상업적으로 응용될 수 있도록 하는

것을 목표로 하고 있으며 이 경우 프로젝트를 주도하고 있는 스웨덴의 국제적 나노

강국으로서의 위상이 높아질 것으로 예상된다. 스웨덴은 기술 개발 뿐 아니라

나노연구를 통한 기초과학연구에서도 성과를 내고 있다. 나노 분야 중 나노 소재 개발

및 전자 소자 개발이 활발하고 국제공동연구, 대학과 기업체 간 교류도 활발하다. 따라서

대학을 중심으로 이루어지고 있는 기술 개발이 산업 전반으로 확산될 것으로 전망된다.

핀란드의 경우, 우수한 교육환경과 인재들을 바탕으로 나노기술과 같은 첨단기술집약

기술개발과 산업활성화를 위해 국가적 역량을 지속적으로 쏟을 것으로 예상된다. 국내

총생산 대비 국민 1 인당 기술개발 투자가 세계 1 위를 자랑하고 있지만, 효과적인

기술개발 성과를 위해 관련산업규모가 상대적으로 큰 국가들과의 양적인 경쟁을 피해

고부가가치의 틈새기술 선점하고 상용화 하는 정책을 펼치고 있는 것으로 파악된다.

엑스레이 디텍터 (X-ray detecto)나 바이오센서, 그리고 웨어러블 소자등 혁신적인

기술을 기반한 제품이 향후 상대적으로 우위를 점할 것으로 기대 하고 있다. 노르웨이는

석유와 천연가스가 전체 수출의 약 60% 가량을 차지하는 천연자원 의존형 경제를

유지해 오고 있기는 하지만 정부차원에서 현재의 경제체질을 개선시키기 위하여 첨단

기술 3 가지 (ICT, NT, BT) 를 선정하여 투자를 하고 있으며 궁극적으로는 나노기술을

선도하여 장기적으로는 post-oil 시대를 대비 차츰 기술 경쟁력을 높일 것으로 예상된다.

이러한 북유럽 내의 집약적인 나노 과학 기술의 연구를 통한 북유럽 기술 경쟁력의

향상은 차세대 정보 처리 소자 및 센서 개발을 비롯 하이브리드 제생 시스템 분야 등 각

국가의 산업계 전반의 활동력을 높일뿐 만 아니라 현재 인류가 직면한 에너지 소비 및

정보 처리와 같은 당면 과제들에 해결책을 제시할 것으로 사료된다.

참고문헌 (Bibliography)

2.1

Angela, Hullmann. (2006). Who is winning the global nanorace? from

http://www.nature.com/nnano/journal/v1/n2/full/nnano.2006.110.html

Nanotechnolog Now (n.d).

Nanothink (n.d). from Nanothink.com

2.2

2.2.1

Center for Quantum Devices. (n.d). Topological Quantum Systems. from

http://qdev.nbi.ku.dk/research/topological_quantum_systems/

Chalmers. (n.d-a). CVD graphene. from http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/CVD-

graphene.aspx

Chalmers. (n.d-b). Graphene as heat dissipation material. from

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/Graphene-as-heat-dissipation-material.aspx

Chalmers. (2012-a). Development and Characterizations of Carbon Nanotube-based

Bumps for Ultra Fine Pitch Flip Chip Interconnection. From

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/Development-and-Characterizations-of-

Carbon-Nanotube-based-Bumps-for-Ultra-Fine-Pitch-Flip-Chip-Interconnection.aspx

Chalmers. (2012-b). Nano Solder past development. from

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/Nano-Solder-past-development.aspx

Chalmers. (2013-a). Graphene Spintronics

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/Graphene-Spintronics.aspx

Chalmers. (2013-b). Graphene-Based High-Frequency Electronics. from

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/Graphene-based-high-frequency-

electronics.aspx

Chalmers. (2013-c). New Electronics Concept: Wafer-Scale Epitaxial Graphene. from

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/New-Electronics-Concept-Wafer-Scale-

Epitaxial-Graphene.aspx

Chalmers. (2013-d). CarPolCap. from

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/CarPolCap.aspx

Chalmers. (2013-e). Blue microcavity lasers based on gallium nitride. from

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/Blue-microcavity-lasers-based-on-gallium-

nitride.aspx

Chalmers. (2013-f). GaN-based electronics. from

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/GaN-based-electronics.aspx

Chalmers. (2013-g). Intrinsic Josephson effect and continuous wave THz radiation. from

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/Intrinsic.aspx.

Chalmers. (2013-h). Nanoelectronics and Spintronics with 2D materials - beyond

Graphene. from http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/Nanoelectrics-and-

Spintronics-with-2D-Materials-beyond-Graphene.aspx.

Chalmers. (2014-a). Bridging the THz-gap. from

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/Bridging-the-THz-gap.aspx

Chalmers. (2014-b). Carbon Based High Speed 3D GaN Electronics System. from

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/Carbon-Based-High-Speed-3D-GaN-

Electronics-System.aspx

Chalmers. (2015). Gallium Nitride Oscillators+. from

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/Gallium-Nitride-Oscillators.aspx

DTU Nanotech. (n.d). Nanocarbon. from http://www.nanotech.dtu.dk/Research-

mega/Forskningsgrupper/Nanocarbon.

DTU Nanotech. (2013). from http://www.nanotech.dtu.dk/Research-

mega/Forskningsgrupper/Nanocarbon/Research

Ferrari, A. C., Bonaccorso, F., Falko, V., Novoselov, K. S., Roche, S., Bøggild, P., . . .

Pugno, N. (2014). Science and technology roadmap for graphene, related two-

dimensional crystals, and hybrid systems. Nanoscale.

Gaweł, B., Lambrechts, K., Gaweł, K., & Øye, G. (2012). One-pot synthesis of gold

nanoparticle functionalised mesoporous silica – The double role of a tri-block

copolymer and chitosan. Microporous and Mesoporous Materials, 164(0), 32-37. doi:

http://dx.doi.org/10.1016/j.micromeso.2012.07.023

Munshi, A. Mazid., Dheeraj, Dasa L., Fauske, Vidar T., Kim, Dong-Chul., van Helvoort,

Antonius T. J., Fimland, Bjørn-Ove., Weman, Helge. (2012). Vertically Aligned GaAs

Nanowires on Graphite and Few-Layer Graphene: Generic Model and Epitaxial

Growth, Nano Letters, vol. 12, issue 9, pp. 4570-4576.

Nanometer Structure Consortium (n.d). Understanding nanowire growth. from

http://www.nano.lu.se/research/materials-science-1/controlled-fabrication-of-

advanced-nanostructures/understanding-nanowire-growth.

SweCRIS. (n.d). Magnetism och supraledning i två unika material: grafen och hög-Tc

supraledare. from

http://swecris.se/converis/publicweb/Project/29921?share=false&cntpers=false&reqstfull

txt=false&reports=false&lang=2.

SweCRIS (2013-a) Characterization of graphene grown on SiC. from

http://swecris.se/converis/publicweb/Project/46671?share=false&cntpers=false&reqstfull

txt=false&reports=false&lang=2

SweCRIS (2013-b). Electronic structure engineering resolved with atomic resolution and

down to single atom level by transmission electron microscopy. from

http://swecris.se/converis/publicweb/Project/45067?share=false&cntpers=false&reqstfull

txt=false&reports=false&lang=2

SweCRIS (2014) Aberration Corrected Spectroscopic Photoemission and Low Energy

Electron Microscope: structural, chemical, and magnetic surface imaging with

spatial resolution of a few nanometers. from

http://swecris.se/converis/publicweb/Project/45254?share=false&cntpers=false&reqstfull

txt=false&reports=false&lang=2

2.2.2

Andersen, K., & Thygesen, K. S. (2013). Plasmons in metallic monolayer and bilayer

transition metal dichalcogenides. Physical Review B, 88(15), 155128.

Banhart, F., Kotakoski, J., & Krasheninnikov, A. V. (2011). Structural defects in

graphene. ACS nano, 5(1), 26-41.

Bauer, U., Yao, L., Tan, A. J., Agrawal, P., Emori, S., Tuller, H. L., . . . Beach, G. S.

(2015). Magneto-ionic control of interfacial magnetism. Nature materials.

Habibpour, O., Vukusic, J., & Stake, J. (2013). A 30-GHz integrated subharmonic mixer

based on a multichannel graphene FET. IEEE Transactions on Microwave Theory

and Techniques, 61(2), 841-847.

Kim, W., Pasanen, P., Riikonen, J., & Lipsanen, H. (2012). Nonlinear behavior of three-

terminal graphene junctions at room temperature. Nanotechnology, 23(11), 115201.

Kim, W., Riikonen, J., Arpiainen, S., Svensk, O., Li, C., & Lipsanen, H. (2012). Growth

of CVD graphene on copper by rapid thermal processing. Paper presented at the

MRS Proceedings.

Koski, J., Sagawa, T., Saira, O., Yoon, Y., Kutvonen, A., Solinas, P., . . . Pekola, J.

(2013). Distribution of entropy production in a single-electron box. Nature Physics,

9(10), 644-648.

Kubatkin, S., Danilov, A., Hjort, M., Cornil, J., Brédas, J.-L., Stuhr-Hansen, N., . . .

Bjørnholm, T. (2003). Single-electron transistor of a single organic molecule with

access to several redox states. Nature, 425(6959), 698-701.

Laitinen, A., Oksanen, M., Fay, A., Cox, D., Tomi, M., Virtanen, P., & Hakonen, P. J.

(2014). Electron–Phonon Coupling in Suspended Graphene: Supercollisions by

Ripples. Nano letters, 14(6), 3009-3013.

Lin, Y.-C., Björkman, T., Komsa, H.-P., Teng, P.-Y., Yeh, C.-H., Huang, F.-S., . . . Chiu,

P.-W. (2015). Three-fold rotational defects in two-dimensional transition metal

dichalcogenides. Nature communications, 6.

Pizzocchero, F., Jessen, B. S., Whelan, P. R., Kostesha, N., Lee, S., Buron, J. D., . . .

Cha, W. J. (2015). Non-destructive electrochemical graphene transfer from

reusable thin-film catalysts. Carbon, 85, 397-405.

Riikonen, J., Kim, W., Li, C., Svensk, O., Arpiainen, S., Kainlauri, M., & Lipsanen, H.

(2013). Photo-thermal chemical vapor deposition of graphene on copper. Carbon,

62, 43-50.

Rossi, A., Tanttu, T., Tan, K. Y., Iisakka, I., Zhao, R., Chan, K. W., . . . Mottonen, M.

(2014). An accurate single-electron pump based on a highly tunable silicon

quantum dot. Nano letters, 14(6), 3405-3411.

Sharma, P., Gupta, A., Rao, K., Owens, F. J., Sharma, R., Ahuja, R., . . . Gehring, G.

(2003). Ferromagnetism above room temperature in bulk and transparent thin films

of Mn-doped ZnO. Nature materials, 2(10), 673-677.

Song, X., Oksanen, M., Sillanpaa, M. A., Craighead, H., Parpia, J., & Hakonen, P. J.

(2012). Stamp transferred suspended graphene mechanical resonators for radio

frequency electrical readout. Nano letters, 12(1), 198-202.

Wehenkel, D. J., Bointon, T. H., Booth, T., Bøggild, P., Craciun, M. F., & Russo, S.

(2015). Unforeseen high temperature and humidity stability of FeCl3 intercalated

few layer graphene. Scientific reports, 5.

2.2.3

Koningstein, R., Fork, D. (2014) What It Would Really Take to Reverse Climate Change.

from http://spectrum.ieee.org/energy/renewables/what-it-would-really-take-to-

reverse-climate-change

Klimov, A. B., Björk, G., & Sánchez-Soto, L. L. (2013). Optimal quantum tomography of

permutationally invariant qubits. Physical Review A, 87(1), 012109.

De La Hoz, P., Klimov, A. B., Björk, G., Kim, Y. H., Müller, C., Marquardt, C., ... &

Sánchez-Soto, L. L. (2013). Multipolar hierarchy of efficient quantum polarization

measures. Physical Review A, 88(6), 063803.

Björk, G., De Guise, H., Klimov, A. B., De La Hoz, P., & Sánchez-Soto, L. L. (2014).

Classical distinguishability as an operational measure of polarization. Physical

Review A, 90(1), 013830.

Pettersson, H., Zubritskaya, I., Nghia, N. T., Wallentin, J., Borgström, M. T., Storm, K.,

Samuelson, L. (2012). Electrical and optical properties of InP nanowire ensemble

p+–i–n+ photodetectors. Nanotechnology, 23(13), 135201.

S. Chen, M. Svedendahl, R. P. V. Duyne, and M. Käll, Nano Lett., 11, 1826 (2011)

T. Lund-Hansen, S. Stobbe, B. Julsgaard, H. Thyrrestrup, T. Sünner, M. Kamp, A.

Forchel, and P. Lodahl, Phys. Rev. Lett. 101, 113903 (2008).

T. Bagci, A. Simonsen, S. Schmid, L. G. Villanueva, E. Zeuthen, J. Appel, J. M. Taylor,

A. Sørensen, K. Usami, A. Schliesser and E. S. Polzik, Nature 507,81

2.2.4

Nystrom, A. M., & Wooley, K. L. (2011). The importance of chemistry in creating well-

defined nanoscopic embedded therapeutics: devices capable of the dual functions

of imaging and therapy. Accounts of chemical research, 44(10), 969-978.

GEMINI, “Stealth dedicne,” Published 18. September, 2014, Last modified 14. October,

2014, http://gemini.no/en/2014/09/killing-cancer-cells-with-super-glue/

Teknisk Ukeblad, “NANOCELLULOSE Norske forskere skal finne ut om trefibre kan

presse ut mer olje av reservoarene,» Published 21. February, 2015, last visited 24.

April, 2015, http://www.tu.no/petroleum/2015/02/21/norske-forskere-skal-finne-ut-

om-trefibre-kan-presse-ut-mer-olje-av-reservoarene

2.3

2.3.1

한국과학기술연구원(KIST) 나노정보분석팀. (2007). Nano Weekly 223 호

ObservatoryNANO. (2011). European nanotechnology landscape report.

Nanometer Structure Consortium, (n.d). from http://www.nano.lu.se/home

Graphene Flagship. (n.d). from www.graphene-flagship.eu/

Chalmers. (n.d). http://www.chalmers.se/en/departments/mc2/Pages/default.aspx

Nanowerk (n.d). from

http://www.nanowerk.com/nanotechnology/Nanotechnology_Companies_in_Sweden.php

2.3.2

Lund-Hansen, T., Stobbe, S., Julsgaard, B., Thyrrestrup, H., Sünner, T., Kamp, M., ... &

Lodahl, P. (2008). Experimental realization of highly efficient broadband coupling of

single quantum dots to a photonic crystal waveguide.Physical review

letters, 101(11), 113903. Bagci, T., Simonsen, A., Schmid, S., Villanueva, L. G., Zeuthen, E., Appel, J., ... &

Polzik, E. S. (2014). Optical detection of radio waves through a nanomechanical

transducer. Nature, 507(7490), 81-85.

2.3.4

Research Council of Norway. (2013). Report on Science & Technology Indicators for

Norway. page. 36. from

http://www.forskningsradet.no/servlet/Satellite?blobcol=urldata&blobheader=application

%2Fpdf&blobheadername1=Content-

Disposition%3A&blobheadervalue1=+attachment%3B+filename%3D%22Reportbook2013c

ompleteeng.pdf%22&blobkey=id&blobtable=MungoBlobs&blobwhere=1274503589281&ss

binary=true

Nanowerk. (2013). Nanotechnology in the pulp and paper industry. from

http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=29627.php

Sangari, M., Umadevi, M., Mayandi, J., Anitha, K., & Pinheiro, J. P. (2015). Photocatalytic

and antimicrobial activities of fluorine doped TiO 2-carbon nano cones and disc

composites. Materials Science in Semiconductor Processing, 31, 543-550.

IFE, The Neutron Laboratory. (n.d). Neutron scattering instrumentation: Six beam

channels provide neutrons for seven diffractometers/spectrometers inside the

reactor hall. These intruments are used for basic studies of structural and

magnetical properties of advanced materials. from

http://www.ife.no/en/ife/departments/physics/sections/neutronlab

NTNU. (n.d) NTNU-forskere lager halvledere på grafén . from

http://www.ntnu.no/aktuelt/pressemeldinger/12/ntnu-forskere-lager-halvledere-paa-

grafen

3 장. BT (Bio Technology) 기술분야

3.1 북유럽 생명공학 연구동향

BT (Bio Technology) 기술분야는 Norwegian University of Life Sciences 의 이연경

교수팀에 의하여 조사 분석되었으며, 크게 북유럽의 의학, 식물, 방사능효과, 바이오

마커의 개발 및 양식어류백신 생산과 관련한 연구 동향들을 다루었다. 주요내용은

다음과 같다.

의학연구에서 다룰 것은 뇌과학과 세포밖 소포체에 대한 것으로 인간의 뇌연구에 있어서

인지행위와 관련하여 Fast-spiking Parvalbumin (FS-PV) Interneurons 이 어떻게

역할하는지에 대해 알아보았다. 이와 함께 최근 의학연구에서 새로운 트렌드로 떠오르는

것으로 암, 아스마 등 인간의 병발생에 있어서 중요한 역할을 담당하는 세포밖 소포체의

분비와 기작에 대하여 알아보았다. 북유럽의 식물연구는 현재 가장 뜨거운 이슈가 되고

있는 유전자 조작 식물 (GMO)과 그 이용현황에 대해 밝혔다. GMO 의 사용과 분배가

엄격하게 통제되고 있는 유럽의 상황에서 고품질 작물의 대량생산을 위한 일차적인

GMO 의 개발을 위한 북유럽내의 노력을 살펴보고 2 차 대사물 혹은 유용물질의 안정적인

공급을 위하여 어떻게 유전공학 기술이 사용되는지를 다루었다. 그리고 오늘날 세계가

민감하게 다루고 있는 기후문제와 관련한 식물의 생장을 살펴보았다. 특히 여름과

겨울의 온도와 일조량등의 기후 차이가 매우 심한 북유럽의 자연환경에서 자라는 식물의

생장을 후성유전한적인 측면에서 알아봄으로써 이들 기후조건이 식물의 생육에 미치는

영향을 통해 환경과 식물간의 상호작용을 알아보고 특수한 기후에 적응하여 자라는

식물의 생산성 증진에 대한 고찰을 하였다. Center of Environmental Radioactivity

(CERAD)는 노르웨이 생명과학대학에 기반을 두고 있는 거대 연구 프로젝트로서

노르웨이뿐만 아니라 미국, 캐나다, 유크라이나, 벨기에 프랑스, 스웨덴,

오스트레일리아등의 국제파트너와 함께 진행하고 있으며 방사선 노출이 생명체와 환경에

어떤 영향을 미치는지에 대한 연구를 다양한 생물을 이용해 수행하고 있는데 이에 대한

소개를 하고자 한다. 다음으로는 차세대 marker 로 불릴 수 있는 앱타머와 miRNA 의

biogenesis 와 관련된 연구에 대해서 알아보았다. 차세대 인식물질로서 단일가닥 RNA/

DNA 분자로 이루어진 엡타머는 항체를 만들 수 없는 독성 물질이나 중금속을 포함한

거의 모든 단백질 및 저분자 물질에 대하여 높은 결합력과 특이성을 보이므로 이러한

76

앱타머를 선별하여 바이오센서를 이용한 진단에 어떻게 사용하는지에 대해 알아보았다.

또한 은(Silver) Nano-cluster 를 사용한 나노센서에 대한 연구에서는 현재 다양한 질병의

바이오마커로 연구되는 miRNA 를 형광특이성을 이용해 검출하는 방법으로서 식물과

동물 및 의학연구에 응용가능하며 이의 이용과 상품화에 대해 소개하였다. 마지막으로

세계의 선두를 달리는 노르웨이 연어양식 산업에서 가장 문제가 되고 있는 연어질병의

병발생 기작을 알아보고 건강하고 질좋은 연어생산을 위해 노르웨이에서 하는 대표적인

노력의 하나인 연어백신의 개발과 사용에 대해 알아보았다.

3.2 뇌의 인지행위와 관련한 Fast-spiking Parvalbumin (FS-PV)

Interneurons 의 역할연구

3.2.1 연구기관 소개

카롤린스카 연구소(Karolinska Institutet, 이하 KI)는 스웨덴에서 유일하게 의생명과학

연구에 중점을 둔 연구기관으로 현재 스웨덴 의학연구의 40% 이상이 이루어지고 있는

곳이다. 또한 매년 노벨 생리의학상을 선정 및 수여하는 곳으로 의생명과학 분야에서

세계의 유수한 연구 기관들과의 폭넓은 네트워크를 자랑한다. 미국을 제외한 국가들

중에서 의과대학으로는 유일하게 세계 10 위 안에 랭크되어 있는 우수한 연구기관으로,

지난 5 년간 Nature 나 Science 와 같은 권위 있는 학술지에 80 편 이상의 연구 업적을

발표하였고, 그 중 25%가 신경과학과 직접적으로 관련이 있는 연구였다. 이와 더불어

Neuron, Nature Neuroscience 등과 같은 상위 학술지에 50 편이 넘는 연구 결과를 게재한

것은 KI 가 신경과학 분야에서 보유하고 있는 전문성과 탁월함을 전적으로 보여주는

사례이다. KI 에 있는 22 개의 학과들 중, 특히 신경과학과(Neurovetenskap)는 전기생리학,

신경줄기세포(neural stem cell), 그리고 척수(spinal cord) 연구 등에서 명성이 있는

유럽에서 가장 큰 신경과학과 중 하나 이다. 최근에 KI 의 신경과학과는

광유전학(optogenetics)을 이용한 다양한 연구의 확립을 위하여 최신기반시설에 대한

막대한 투자(€1.8 million), 그리고 광유전학의 개발과 응용에 많은 기여를 하고 있는 Karl

Deisseroth 박사를 학과 내의 교수로 초빙하는 등 지속적이고 적극적인 노력을 하고 있다.

불과 약 10 년 전까지만 해도 뇌의 특정 신경세포들만을 선택적으로 흥분 또는 억제하여

그에 따른 동물의 행동과 감정, 그리고 인지기능의 변화를 연구하는 것은 용이하지

않았다. 그러나 다양한 연구 목적에 부합하는 형질전환(transgenic) 동물의 개발과, 미국

Stanford 대학의 Karl Deisseroth 그룹에서 개발한 특정 신경세포의 활성을 빛을 이용하여

77

정교하게 스위치처럼 끄고 켤 수 있게 하는 광유전학 그림 3.1 은 이를 가능하게 하고

있다1. 현재 미국, 독일, 프랑스 등지에서는 이와 같은 실험기법을 이용한 뇌인지 기능

관련 연구들이 활발히 진행되고 있다. 국내에서는 KIST, KAIST 에서 이 분야의 연구들을

시작하고 있으나, 현실적으로 형질전환 실험동물의 개발을 위한 막대한 시간과 비용의

투자가 요구되는 어려움과 광유전학 기법의 도입을 위해 필요한 다양한 학제적 접근의

토대 마련에 따른 어려움으로 인해 앞서 열거한 국가들에 비해 상대적으로 뒤처져 있는

것이 사실이다. KI 는 광유전학을 이용한 연구에 필요한 전문적 기술, 경험, 그리고 최신

연구기반시설 등을 충분히 갖춘 세계에서 몇 안 되는 연구기관으로 유럽은 물론 미국,

일본 등 과학 선진국들과 폭넓은 연구교류 협력을 활발히 진행하고 있다. 따라서 국내

뇌과학 연구를 촉진하기 위해 스웨덴과의 긴밀한 상호 협력관계를 맺고 국제공동연구와

학술교류등이 반드시 필요하다고 생각한다.

3.2.2 연구배경과 목적

세계보건기구(WHO)의 발표에 따르면, 현재 전 세계적으로 약 4 억 5 천만 명이 다양한

정신질환을 앓고 있으며 이는 평균 네 명 중 한 명이 정신질환에 노출되어 있음을

의미한다. 심각한 수준의 정신질환은 환자 개인뿐만 아니라 가정, 직장 등 주변까지

부정적인 영향을 미칠 수 있는 커다란 사회적 문제들을 야기한다. 또한, 정신질환으로

인해 소요되는 사회, 경제적인 비용은 어떤 질병보다도 크다. 정신분열증(schizophrenia)은

세계 인구의 약 1%가 앓고 있는 가장 심각한 정신질환의 하나로, 대부분의 정신분열증

환자들은 기억력 장애, 주의력 결핍 등 인지기능 장애를 가진다. 이와 같은 인지기능의

저하는 정신분열증의 핵심 증상이나 환각(hallucination) 및 망상(delusion)과 같은 증상을

완화시키는 기존의 향정신병 약물로는 치료가 용이하지 않다. 따라서 인지기능을

향상시키는 효과적인 치료법과 더불어 조기에 병을 발견하여 치료할 수 있는 이차

예방법의 개발을 위해 정신분열증의 병태생리(pathophysiology)에 대한 폭넓은 지식이

요구되고 있다. 주의집중은 모든 인지행동에서 요구되는 능력으로 자신에게 필요한

자극을 선택하여 적절한 반응을 가능하게 하며, 자신의 행동을 감찰(monitoring)하는

기능을 한다. 대뇌에서 전전두피질(prefrontal cortex)은 고차적 인지기능을 담당하는

부위로 이곳에 손상이 있을 경우 주의력 결핍 및 실행기능(executive function)의 이상을

야기한다. 정신분열증 환자는 전전두피질의 이러한 기능이 정상인 보다 떨어지며 이러한

기능 손상은 정신분열증의 중요한 원인으로 알려져 있다. 2009 년 Pittsburgh 대학의 Bita

Mogahddam 그룹의 연구 결과는 주의집중 과제를 수행하는 동물에게서 측정된

78

전전두피질의 신경활성도가 사전 주의집중(preparatory attention)의 정도와

행동반응(correct or error response)과 관련이 있음을 보여주었다. 이 연구 결과에서는

흥미롭게도 사전 주의집중 기간 동안 상당한 전전두피질의 신경세포들에서 활성억제가

나타났고, 신경활성 억제의 감소는 동물의 부적절한 반응을 유도하였다2. 대뇌피질 회로

내의 25%를 차지하는 GABA(gamma-aminobutyric acid)성 중간세포들(interneurons)은

일반적으로 추체세포들(pyramidal neurons)의 흥분성을 조절한다 [그림 3.2]3.

정신분열증에서는 GABA 성 신경세포의 소실, 또는 NMDA(N-methyl-D-sapartate)

수용체의 조절 장애로 인해 GABA 성 억제기능이 침해당하는 것으로 이해된다. GABA 성

신경세포들은 형태학적, 생리학적, 화학적, 그리고 시냅스 특성에 따라 다양한

하위유형(subtype)으로 구분된다4. 이 중에서 PV(parvalbumin)를 발현하는 FS(fast-

spiking)중간세포들의 기능장애가 정신분열증의 원인이라는 근거들이 계속해서 제시되고

있다5. 정리하면, 전전두피질의 신경활성 억제가 적절한 주의집중과 반응행동을 위해

중요하다는 것을 보여주고 있다. 하지만 주의집중과 같은 인지 과정에서 FS-PV

중간세포들의 기능적 역할은 아직 규명되어 있지 않은 상태이다. 따라서 본 연구의

목적은 전전두피질의 억제성 FS-PV 중간세포들에 초점을 맞추어 주의집중에 대한

생리학적, 세포학적 근거를 확립하는 데에 있다. 또한, 주의집중 과정에서 이들의 세포적,

생리적 변화들이 어떻게 인지기능 장애를 유도하고, 정신질환에서 보이는 행동 변화와

어떤 연관이 있는 지를 이해하며, 장기적으로 인지기능 결손을 동반하는 정신질환의

병태생리에 대한 새로운 이해와 지식을 제시함으로써 이를 완화시키는 적절한 치료법의

개발을 촉진시키고자 한다. 따라서 본 연구는 정신분열증뿐만 아니라 다양한

정신질환들을 치료하는 약물의 발견과 개발을 위해 중요한 토대가 될 것으로 확신한다.

3.2.3 내용, 방법, 범위

기존의 주의집중 과제를 수행하고 있는 쥐들의 전전두피질에서 전기생리학적으로 측정된

연구 결과는 전전두피질의 신경활성이 사전 주의집중의 정도와 연관성이 있다는 것을

보여주었고, 이는 전전두피질이 주의집중에 직접적인 역할을 한다는 것을 지지한다2.

주목할 점은 사전 주의집중 기간 동안 상당한 신경세포의 활성 억제가 나타났으며,

이것은 국소의 억제성 중간세포들 그리고/또는 구심성 신경세포들이 사전 주의집중과

목표 지향적 행동 과정에 관여했다는 것을 의미한다. 하지만, 주의집중과 목표 지향적

행동 과정에서 신경활성 억제의 기능적인 역할이 정확히 알려지지 않았으며, 이것의

근원이 무엇인지 구체적으로 밝혀지지 않았다. 따라서 연구자는 주의집중을 하는 동안

79

전전두피질에서의 관찰되는 두드러진 신경활성 억제에 대한 FS-PV 중간세포들의 기능적

역할을 규명하기 위해 행동학적, 광유전학적, 그리고 전기생리학적 실험기법과 더불어

다양한 분석방법들을 사용한다. 인지행동 과제로써 설치류에서 주의집중과 실행기능을

평가하기 위해 널리 사용되고 있는 3-CSRTT(3-choice serial reaction time task)를

이용된다[그림 3.3]. 이 행동과제에서 동물은 보상(15% sucrose)을 얻기 위해,

조작상자(operant chamber) 안의 3 개의 구멍들 중 하나에서 무작위(pseudorandom)로

제시되는 1 초의 짧은 신호자극을 감지하고, 이에 대해 5 초의 제한된 시간 동안 정확한

반응(nose poking)을 해야 한다. 신호자극이 제시되기 전 3-5 초 사이의 주의집중 기간이

주어지는데, 이 기간 동안 억제적 행동 제어가 실패할 경우 충동반응(premature)으로

이어진다. 또한, 이와 같은 주의집중의 실패는 제시된 신호자극을 놓치는 결과를

초래한다(omission). 주의집중의 정도는 신호자극에 대한 반응의 정확성(the ratio of

correct responses to the total number of responses(correct and incorrect))으로 정의된다.

본 연구에서는 FS-PV 중간세포들의 활성/억제가 어떻게 동물의 주의집중과 행동에

영향을 미치는지 알아보기 위하여, 전체 3-CSRTT 시행횟수 중 무작위 50%에서 신호자극

제시 전 주의집중 기간동안 광유전학적 자극이 주어진다. 선택적으로 전전두피질의 FS-

PV 중간세포들의 제어와 조절을 위해 PV-Cre Knock-in 생쥐와 광유전학기법이 이용된다.

전통적인 전기생리학 연구들은 형질전환이 결여된 일반 동물들에서 수행되었기 때문에

특정한 신경세포 집단과 신경회로를 표적하고 활성을 조절하는데 어려움이 있어 왔다.

여러 신경정신질환들은 특정한 신경세포들에서 발생하는 장애와 관련이 있기 때문에

이와 같은 정신질환들에 대한 깊은 이해를 위해 특정세포들에 대한 분자적/유전적

표적화(targeting)와 조절이 필수적이다. 형질전환 동물의 등장은 신경과학 분야를

변화시키고 있으며, 특히 시스템 신경과학(systems neuroscience)의 분자적, 유전적

측면들을 강화시키고 있다. 또한 일찍이 접근이 어려웠던 인지기능과 행동의 세포적,

그리고 생리학적 근원에 대한 의문점들을 밝힐 수 있게 한다. 놀랍게도, Cre/loxP 재조합

시스템의 등장은 특정한 세포, 또는 조직의 선택적 표적화를 가능하게 했다 [그림 3.4]6.

PV 중간세포들에서만 특이적으로 발현되는 Cre 재조합효소(recombinase)를 보유하고

있는 형질전환 생쥐(PV-Cre mice)의 뇌에 Cre 에 의존적으로 발현되는 감광성 단백질인

옵신(opsin) 유전자가 삽입된 바이러스(adeno-associated virus, AAV)를 주입함으로써,

선택적으로 PV 중간세포들을 특정한 빛의 파장과 주파수에 따라 정교하게 조절할 수

있게 되었다. 본 연구방법에서 특별히 중요한 측면은 다양한 광유전학적

도구들(optogenetic tools)을 이용하여 선택적으로 PV 중간세포들의 활성을 자유롭게

80

조절(흥분 또는 억제)할 수 있다는 점이다. 억제성 FS-PV 중간세포들의 주의집중에서

기능적 역할을 조사하기 위해, 연구자는 이 중간세포들을 SwiChR(Step-Waveform

Inhibitory ChannelRhodopsin)을 이용해 비활성을 유도한다 [그림 3.5]7. 2014 년 Science 를

통해 소개된 새로운 억제성 channel opsin 인 SwiChR 은 성능 면에서 기존의 억제성

chloride pumps(eNpHR, Halo57)보다 월등히 뛰어나다. 최근의 이론들을 바탕으로, 위의

실험방법은 흥분성 신경세포들의 억제의 감소를 야기하여 결국 동물의 주의집중과

행동을 방해하는 결과를 가져올 것으로 연구자는 예상한다. 또한 흥미로운 실험전략은

ChR2(Channelrhodopsin2)를 이용해 FS-PV 중간세포들을 활성화시키는 것이다. Barrel

cortex 에서 수행된 이와 같은 접근방법은 감각자극으로부터 유발된 흥분성 세포들의

반응의 진폭, 타이밍, 그리고 정확성에 심각한 영향을 미치는 것을 입증했다8. 이와 같은

실험방법들은 주의집중과 목표 지향적 행동에서 FS-PV 중간세포들의 기능적 역할을

직접적으로 밝힐 수 있을 것이다. 영장류에서 수행된 주의집중과 관련된 연구들은 FS-PV

중간세포들의 활성화로 인한 감마리듬의 세기가 동물의 빨라진 반응시간과 상관관계가

있음을 보여 주었다9. 따라서 FS-PV 중간세포들의 활성화가 주의집중과 같은 인지과정에

어떤 영향을 미치는 지 살펴보고 정말로 인지기능이 향상될 수 있는 지에 대한 의문을

밝히는 데 큰 도움이 될 것이다(인지기능 향상을 위한 약물 개발은 제약회사들의 최대의

관심사이기도 하다.). 행동과제를 수행하고 있는 동물의 뇌에서 전기생리학적 신경활성

측정(multiple single-unit recording)과 표적 세포의 활성 조절에 필요한 빛 자극(475 nm,

632 nm)을 전달하기 위해, 미국 MIT 의 Mattew Wilson 그룹에서 개발한 flexDrive 를

이용한다 [그림 3.6]10. 이것은 기존의 tetrode 를 탑재할 수 있는 신경활성 측정

장치(microdrive array)에, 뇌의 깊숙한 곳까지 빛을 전달하기 위한 광섬유(fiber optic)를

추가하도록 개선되었다. 또한 전체 2 그램이 안 되는 가벼운 무게는 생쥐와 같은 작은

체구의 동물에게 사용하기에 아주 적합하다. 동물이 3-CSRTT 를 수행하는 동안

전전두피질에서 측정된 수많은 단일 신경세포의 활성(spiking) 데이터를 다음과 같은

분석으로 진행된다. 우선적으로, FS-PV 중간세포들을 다른 신경세포들(pyramidal cell or

other interneurons)과 구분하기 위해 SALT(stimulus-associated spike latency test)와 같은

optical tagging 방법을 이용한다11. 이는 광유전학적 활성화가 자극이 제시된 후, 개개의

신경세포의 발화시점(spike timing)에 현저한 변화를 일으켰는지를 판단하는 통계검사

방법이다. 동물이 주의집중을 하는 동안 전전두피질의 흥분성 추체세포들의 활성 억제의

원인은 국소의 억제성 중간세포들의 활성에 기인할 것이다. 이것은 국소의 중간세포들은

추체세포들의 발화를 조정하며, 이들의 신경활성 패턴에 매우 중요한 역할을 한다는

81

것을 의미한다. 따라서 교차상관(cross-correlation) 분석방법을 통하여 주의집중 과정

동안 억제성 FS-PV 중간세포들이 어떻게 추체세포와 상호작용을 하는 지를 확인하고,

행동과제의 여러 단계(attention, cue, response, and reward)에서 각 신경세포집단의

신경활성 변화(temporal dynamics) 또한 자세히 살펴본다. 끝으로, 광유전학적 조작이

어떻게 동물의 행동에 영향을 미치는 지 알아보기 위하여 행동결과(correct, incorrect,

and omission)와, 빛 자극이 주어진 시행 또는 주어지지 않은 시행과 각각 비교를 하고,

신호자극에 대한 동물의 반응시간(reaction time)을 측정하여 광유전학적 조작으로 유발된

FS-PV 중간세포들의 활성으로부터 동물의 주의집중력 향상과 적절한 행동을 일으키는데

영향을 미칠 수 있는 지를 살펴본다.

3.2.4 관련 연구동향

정신분열증에 대한 100 년이 넘는 연구에도 불구하고, 아직까지 이와 같은 정신질환의

정확한 원인은 아직 알려지지 않은 상태이다. 비록 임상적으로 정신병 증상(환각, 망상)이

정신분열증에서 나타나는 가장 심각한 측면이긴 하지만 이것만으로 이 정신질환을

진단하는 데는 무리가 있다. 따라서 최근에는 주의, 학습, 그리고 기억과 같은

인지기능의 장애가 정신분열증의 핵심 증상으로 인식되고 있다. 적절한 주의집중이

인지기능의 기저에 있음은 잘 알려진 사실이다. 현재까지 인간과 영장류에서 수행된

주의집중 관련 연구에서는 뇌 인지기능과 관련된 충분한 지식들이 얻어진 반면,

설치류에서의 이와 같은 연구는 상당히 새로운 분야이다. 그것은 설치류에 적합한

주의집중 과제 개발의 어려움(30 년 넘게 multi-choice serial reaction time task 가 이용이

되고 있다.)과 복잡한 인지기능 과제를 수행하는 동물의 뇌에서 신경활성을

전기생리학적으로 측정하는 것이 결코 쉬운 일이 아니기 때문이다. 실제로 주의집중

과제를 수행하고 있는 설치류에서 시행된 전기생리학적 측정 연구는 현재까지 학계에 단

한 편이 보고된 상태이다2. 위의 연구는 전전두피질의 신경활성 억제가 동물의 주의집중

정도와 관련이 있음을 보여주는 것으로 그 의미를 갖지만, 대뇌피질의 세포들 중 단지

흥분성 신경세포만을 고려한 한계를 갖고 있다. 기존의 연구들에서는 흥분성 신경세포와

억제성 신경세포들을 분류하기 위해 각 세포의 고유한 전기생리학적 특징들을

이용하였지만 이와 같은 단서들로 뇌에 분포하고 있는 수많은 신경세포집단을 명확히

구분하기에는 어려움이 있었다. 왜냐하면 FS-PV 중간세포들과 같이 신경활성에서 높은

발화율을 가지는 신경세포들(NOS/NPY+ interneurons)이 함께 존재하기 때문이다12. 본

연구방법에서 언급한 것처럼, 광유전학과 병행된 Cre/loxP 시스템 전략은 특정한

82

신경세포집단의 활성을 빛으로 제어함으로써 억제성 FS-PV 중간세포들과 그 외의

신경세포들을 정확하게 구분할 수 있게 해준다. 또한 FS-PV 중간세포들의 발화패턴과

흥분성 신경세포들의 활성/억제와의 상관관계를 밝히는 데 도움을 준다. 따라서 본

연구는 기존의 연구들이 가지고 있던 위와 같은 실험적 한계와 문제점들을 해결할 수

있는 가능성을 갖고 있으며, 아울러 연구자가 제시하는 의문점들을 충분히 규명할 수

있을 것으로 기대한다.

3.2.5 기대효과 및 활용방안

본 연구는 정신분열증과 같은 정신질환의 병태생리를 이해하는 것을 목적으로 한다.

다양한 최신기술들과 학문적 접근 방법들을 통해 기본적으로 주의집중과 같은 뇌인지

기능이 어떻게 생성되고, 뇌 기능의 변화가 정신분열증에서 나타나는 증상들을 어떻게

일으키는 지를 밝힐 수 있을 것이다. 연구 결과로 얻어진 새로운 지식들은 다음과 같은

여러 가지 의미 있는 결과들을 기대할 수 있다.

1) 뇌 인지기능과 행동에 대한 세포적, 생리학적 근거를 밝히기 위한 시기적절한

돌파구를 제시한다.

2) 뇌 인지기능을 규명하기 위한 새롭고 혁신적인 기술들과 도구의 개발에 공헌한다.

3) 뇌 인지기능에 대한 통찰력과 신경성/정신성 장애의 진단, 감시, 치료에 대한

포괄적인 근거를 제시한다.

4) 정신분열증과 같은 심각한 정신질환들의 치료와 완화는 물론 예방을 위한 새롭고

향상된 약물 치료제의 발견과 개발을 고취시킨다.

5) 다양한 종(species)에서 연구 목적에 부합하는 유전자조작 동물모델의 개발 선도와

이를 통해 새로운 약물 치료제의 실험과 검사를 위한 토대를 제공한다.

83

그림 3.1 Light mediated control of neural activity

그림 3.2 Inhibitory control of cortical pyramidal neurons by GABAergic interneurons.

84

그림 3.3 -choice serial reaction time task (3-CSRTT) for assessing attention.

그림 3.4 The Cre/loxP recombination system (GS Pr, gene-specific promoter; UB Pr,

ubiquitous promoter).

그림 3.5 Action potential inhibition with chloride-conducting channelrhodopins.

85

그림 3.6 The flexDrive for electrophysiological recordings and optogenetic manipulation.

86

3.3 세포밖 소포체의 분비와 기작 연구

3.3.1 세포밖 소포체 연구 동향

3.3.1.1 세포밖 소포체의 정의 및 일반 연구 동향

다세포 생물에 있어서 세포간 정보교환은 생물의 항상성 유지 및 생존에 매우 중요하며,

세포간 정보교환의 조절 실패는 많은 질병의 원인이 되고 있다. 분자 생물학의 눈부신

발전을 바탕으로, soluble 한 세포간 정보교환 물질 (growth factor, cytokine, exotoxin

등)이 세포간 정보교환에 있어서 중요한 매개체로 연구되어 왔다. 하지만, 최근 들어서

박테리아와 인간 세포 등 모든 세포들이 분비하는 세포밖 소포체 (extracellular

vesicles)가 세포간 정보교환 매개체로 주목 받고 있다 (Théry Clotilde, 2002). 세포밖

소포체는 세포에서 분비되는 지질 이중막으로 이루어진 소포체로, 수십 nm 에서 수백 nm

크기를 가진다. 세포밖 소포체는 생물학적 활성을 가진 물질 (단백질, 지질 및

mRNA/miRNA 등)들을 포함하고 있어 다양한 생리적/병리적 기능 (면역 반응 조절, 암의

성장 조절, 혈관 신생 조절, 암 전이 조절 등)을 조절하고 있다. 세포밖 소포체는 생성

기작에 따라 크게 엑소좀 (exosomes), 과 엑토좀 (ectosomes)로 구분된다 (그림 3.7).

엑소좀은 세포 내부에서의 processing 과정을 통해 형성되며 30-100 nm 정도의 비교적

작고 균일한 분포를 보이며, 엑토좀은 세포막의 blebbing 에 의해 생성되며, 엑소좀보다

더 큰 크기를 (0.1 ~ 1 μm)를 가진다.

그림 3.7 세포밖 소포체의 종류

세포밖 소포체는 1967 년 암 환자 혈액에서 처음 발견된 후, 상피, 내피, 면역, 및 암

세포 등 다양한 세포에서 분비됨이 밝혀졌다. 하지만, 오랜 기간 동안 cellular debris 로

87

인식되어 많은 연구가 진행 되지 않았다. 2000 년대 들어서, 관련 연구가 증가하지

시작하였으며, 2007 년 Jan Lotvall 그룹에서 발표한 논문 (Hadi Valadi, 2007)을 기점으로

연구가 폭발적으로 증가하였다 (그림 3.8).

그림 3.8 세포밖 소포체 연구 동향

(3.7.2) 북유럽 4개국 세포밖 소포체의 연구 동향

북유럽 4 개국 (스웨덴, 노르웨이, 덴마크, 핀란드)에서 세포밖 소포체 연구는 2001 년

처음 시작되어, 꾸준히 연구가 증가하여 왔다 (그림 3.9). 스웨덴에서 가장 많은 연구가

수행되고 있으며, 그 뒤를 따라, 덴마크, 노르웨이, 핀란드 순으로 수행되고 있다.

스웨덴은 2001 년 부터 연구가 진행되었으며, 다른 국가는 2010 년이 되어서야

본격적으로 연구가 시작되었다.

그림 3.9 북유럽 4 개국 세포밖 소포체 연구 동향

북유럽 4 개국에서 세포밖 소포체를 전문적으로 연구하는 대학/연구소는 총 12 개 이며,

스웨덴에서 5 개, 노르웨이에서 2 개, 덴마크에서 3 개, 핀란드에서 2 개의 대학/연구소가

88

세포밖 소포체를 연구하고 있다. 이 중에서 스웨덴의 University of Gothenburg 와

Karolinska Institutet 이 연구를 주도하고 있다 (그림 3.9).

그림 3.10 북유럽 4 개국 세포밖 소포체 연구 대학/연구소 및 논문 발표 수 (괄호안)

3.3.2 북유럽 4개국 세포밖 소포체 최신 연구 동향

3.3.2.1 FBS 유래 세포밖 소포체의 제거 방법 연구 (Ganesh Shelke, 2014)

연구기관: University of Gothenburg, Jan Lotvall 그룹

Jan Lotvall 그룹은 세포밖 소포체 연구 분야에서 pioneer 적인 연구를 수행한 그룹으로,

2007 년 발표한 논문은 현재까지 약 2400 회 이상의 인용 횟수를 가지고 있다. 본 논문을

시작으로 하여, 세포밖 소포체 연구가 폭발적으로 증가하였다. 최근에 Jan Lotvall

그룹에서 발표한 논문은 FBS (Fetal bovine serum)에 존재하는 세포밖 소포체의 기능을

연구하였으며, 어떻게 효율적으로 제거할 수 있는지 관한 것이다.

FBS 는 세포를 배양함에 있어 세포의 성장을 돕는 영양분으로, FBS 에는 다량의 세포밖

소포체가 있음이 알려져 있었다. 본 연구에서 FBS 에서 세포밖 소포체를 제거할 경우,

세포의 이동 (migration)에 감소함을 확인히였으며, 분리된 세포밖 소포체를 처리할 경우

세포의 이동이 증가함을 보였다. 이를 통해, FBS 에 존재하는 세포밖 소포체가 세포에

영향을 미칠 수 있음을 보였다.

세포 유래 세포밖 소포체를 연구하기 위해서는 FBS 에 존재하는 세포밖 소포체를

89

제거하는 것이 필수적이다. FBS 에 존재하는 RNA 는 대부분 세포밖 소포체에 존재하며,

RNA 분석을 통해 세포밖 소포체 제거 여부를 확인할 수 있다. 본 논문에서는 FBS 에서

세포밖 소포체를 제거하기 위해, 서로 다른 시간의 초원심분리 (ultracentrifugation)을

수행하여, 세포밖 소포체의 제거 여부를 확인하였다. 그 결과, 18 시간의 초원심분리

시간이 FBS 에서 세포밖 소포체를 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하였다.

본 연구는 세포밖 소포체 연구를 함에 있어, 기본적인 정보를 제공하고 있으며, 향후

연구의 standard 를 제공하는 주요한 논문으로 평가받고 있다.

3.3.2.2 세포밖 소포체를 통한 박테리아 독소 (toxin) 전달 연구 (Anne-lie

Stahl, 2015)

연구기관: Lund University, Diana Karpman 그룹

대장균 (E. coli)은 용혈성 요독성 증후군 (hemolytic uremic syndrome)을 일으킬 수

있으며, 본 질병의 발병에 shiga toxin 이 주요한 역할을 수행한다. 종종 박테리아가

발견되지 않더라도, 질병의 발병이 나타나게 되는데, 이는 박테리아 유래 독소가 어떠한

메커니즘을 통해 혈관을 통해 전신으로 돌아다니고, 특정 세포 (예를 들어, 신장 세포

(renal cell))에 전달되어 질병을 일으키게 된다. Shiga toxin 은 주요한 독소 중 하나로,

혈액 세포에 붙어서 전신으로 돌아다는데, 어떻게 혈액 세포에서 신장 세포로

전달되는지는 알려져 있지 않았다. 본 연구에서는 혈액 세포에서 유래한 세포밖

소포체가 shiga toxin 을 포함하고 있으며, 신장 세포로 전달할 수 있음을 보였다.

용혈성 요독성 증후군 환자의 신장 세포를 분석할 결과, shiga toxin 이 혈액 세포 유래

세포밖 소포체와 같은 장소에 존재함을 확인하였다. 또한, 마우스 shiga toxin 을 보유한

대장균을 투여할 경우, 혈액 세포에서 다량의 shiga toxin 이 발견되었으며, 이는 신장

세포에서도 관찰되었다. 이를 통해 shiga toxin 이 세포밖 소포체를 통해 신장 세포로

전달될 수 있음을 보였다.

세포밖 소포체는 여러 물질을 전달할 수 있음이 알려져 있었다. 본 연구에서는 박테라아

독소가 혈액 세포의 세포밖 소포체를 통해 전달될 수 있음을 보인 논문으로, 향후

pathogen 이 어떻게 우리 몸에서 질병을 일으킬 수 있는지 확인하는 연구에 큰 도움이

될 것으로 기대된다.

90

3.3.2.3 세포밖 소포체를 이용한 폐암 진단 연구 (Kristine R. Jakobsen, 2015)

연구기관: Aarhus University, Malene M. Jørgensen 그룹

세포밖 소포체는 다수의 암 세포 유래 항원 및 마커 유전자들을 포함하고 있어, 최근

들어 세포밖 소포체를 이용한 질병 진단 연구가 활발히 진행 중이다. Exosome

Diagnostics 를 포함한 몇몇 회사들은 세포밖 소포체에 있는 질환 특이 단백질, mRNA

또는 miRNA를 이용해 암 등 다양한 질병의 진단 및 치료 방법 개발을 시도하고 있다.

폐암은 진단이 아주 어려워, 암으로 인한 사망율이 높은 질병이다. 폐암으로 진단받은

경우, 이미 암이 상당히 진행된 경우가 대부분이어서, 초기 진단이 필수적이다. 본

연구에서는 폐암 환자를 대상으로 다양한 마커를 이용해 폐암 진단 가능성을 확인하였다.

200 여명의 환자에서 얻은 혈청 (plasma)를 이용하였으며, Extracellular Vesicles Arrary

방법을 사용해, 총 37 개의 마커에 대해 분석을 수행하였다. Extracellular Vesicles

Array 는 sandwich ELISA 를 기반으로 한 기술로, 세포밖 소포체 특이적 항체를 이용해

세포밖 소포체를 capture 한 후, 질병 특이적 항체를 이용해 확인하는 방법이다. 혈청은

약 10 uL 를 사용하였으며, 0.75 의 sensitivity, 0.76 의 specificity 를 보였으며, 정확도는

75.3%였다.

본 연구는 폐암 진단에 있어서 Extracellular Vesicles Arrary 방법이 효율적임을

보여주었으며, 추후 다른 질병의 진단 방법에 영향을 끼칠 것으로 예상된다.

3.3.3 활용 방안

북유럽 4 개국은 최근 들어 세포밖 소포체 연구의 중요성을 인식하고 시작하는 추세이다.

스웨덴의 경우, 다수의 연구 그룹에서 연구를 수행하고 있으며, 이미 세계적인 수준에

도달해 있다고 판단된다. 특히, University of Gothenburg 의 Jan Lotvall 그룹은 세포밖

소포체 분야에서 pioneer 적인 역할을 수행하고 있으며, 차기 노벨상 후보로도 거론되고

있다. 아직까지 한국에서는 세포밖 소포체 연구가 활발히 진행되고 있지는 않으나,

미국을 포함한 다수의 국가에서 세포밖 소포체 연구에 투자를 시작하였다. 머지않아

한국에서도 세포밖 소포체 연구가 주요한 연구 테마가 될 것으로 기대되며, 북유럽의

여러 연구 그룹과의 활발한 공동 연구를 수행함으로써 세계적인 연구 국가로 발돋움할

수 있을 것으로 기대된다.

91

3.4 GMO를 통한 유용물질 생산

3.4.1 개요

3.4.1.1 배경과 목적

최근까지도 GMO(genetically modified organism) 관련 연구와 이들의 생산은

주로 농산물에 국한 되어있었다. 그래서 GMO 생산이 창출해 낼 수 있는 경제적,

환경적인 장점들에도 불구하고 인체 안전성이나 생태계 교란 등의 이유로

현재까지도 찬반 논란이 끊이지 않고 있다. 하지만 최근 대사공학과 합성생물학

등의 발전과 더불어 기존의 GMO 연구 범위가 기존 농산물들의 질적 향상에 그치는

것이 아니라, 의약품 및 다양한 공산품의 원료로 사용 가능한 유용 화합물들이나

생물 연료 생산 등의 연구로 확장에 이르고 있다. 이러한 새로운 방향으로의 GMO

연구는 인류의 삶의 질 향상과 고부가가치 산업의 발전을 가져올 수 있을 뿐 아니라,

GMO 에 관한 기존의 부정적인 시각을 좀 더 긍정적인 시각으로 변화시킬 수 있는

계기가 될 것이다.

3.4.1.2 범위

• 유전자의 간단한 조작 혹은 유용 물질을 생산 할 수 있는 생합성 대사경로를

대상 생물체 내로 도입하여 다양한 화합물을 생산한다.

• 대상 생물체에서 유용한 물질을 안정적이고 효율적인 방법으로 대량 생산에

이르기 위하여 다양한 바이오 부품과 최적의 생장 환경을 개발한다.

3.4.1.3 활용 및 기대 효과

• GMO 를 이용하여 생산 하게 되는 유용물질들은 의약품, 공업 제품의 원료 생산,

그리고 화석 원료를 대체할 수 있는 자원으로 활용이 가능하다. 이러한 연구를

통하여 기존의 고가의 의약품이나 공산품들의 가격을 낮출 수 있고, 친환경적인

방법으로 인류의 삶의 질 향상에 긍정적인 영향과 많은 혜택을 가져올 것으로

기대된다.

3.4.2 식물에서의 유용 물질 생산

식물에서 생산 되는 이차 대사 산물들은 다양한 생리 활성을 가지고 있어 의약품이나

화장품등과 같이 고부가가치 산업에 활용 가치가 상당히 높다. 특히, 터펜은 식물에서

생합성 되는 구조가 밝혀 진 것만 1 만종이 넘어, 자연계에서 가장 많은 수를 보유하고

있는 화합물이다. 이 뿐만 아니라 터펜은 의약품으로 사용 가능한 화합물의 비율도

상당히 높아 다른 어떠한 천연물보다도 산업적으로도 연구 가치가 높다. (표 1.1) 하지만

92

대부분의 활용 가치가 높은 터펜들은 특정 식물에서 소량만 생산이 되기 때문에 고가의

의약품으로 사용되는 화합물인 경우에는 비싼 치료비 때문에 적절한 치료를 받지 못하는

환자들이 많이 발생하기도 한다. 예를 들어, 아프리카 등지에서 주로 발생하는

말라리아의 치료제인 아르테미시닌(Artemisinin)은 개똥쑥(Artemisia annua)이라고 불리는

식물의 이차대사 산물 중 하나로 대량 생산이 불가능 하여 공급가가 높은 화합물이다.

이러한 이유로, 2012 년에만 아프리카에서 발생한 말라리아 환자의 60 만명 정도가

적절한 시기에 치료를 받지 못하고 사망하였다. 최근 이러한 문제를 해결하고자,

아르테미시닌의 전구체 화합물들을 형질전환 시스템이 확립된 식물들을 통해 생산하려는

연구가 많이 진행되고 있다. (Farhi, et al., 2011) 또한, 아르테미시닌 뿐만 아니라

인류에게 이용 가치가 높은 다양한 터펜 화합물들을 이러한 식물들을 이용해 생산 하는

연구가 많은 연구자들에 의해 진행되고 있다. (Cankar, et al., 2015) (Wu, et al., 2012)

(Hendrawati, Woerdenbag, Hille, & Kayser, 2012) 스웨덴의 Peter Brodelius 그룹은

(Linnaeus University) 아르테미시닌과 같은 세스퀴터펜 (탄소 수 15 개로 구성된 터펜

화합물들)과 관련한 많은 연구 지식과 기술을 보유하고 있다. 이 연구 그룹은, 터펜

생합성 효소들의 기능 연구뿐만 아니라, 다양한 생물체에서 이들의 유전자들이 터펜

생산에 활용 가능하도록 각각의 생물 맞춤형 유전자 발현 시스템을 구축하는 연구도

함께 진행하고 있다. 또한 덴마크 Björn Hamberger 그룹(University of Copenhagen)은

항암제로 많이 알려진 탁솔과 같은 다이터펜류 (탄소 수 20 개로 구성된 터펜

화합물들)와 관련된 많은 연구들을 진행하고 있다. 특히, 이 그룹은 핵심적인

다이터펜들을 생합성 하는데 중요한 역할을 하는 시토그롬 P450(cytochrome P450)를

다양한 식물로부터 발굴하고 이 효소들이 최적의 발현 시스템에서 활용 가능하도록

시스템 생물학이나 대사공학 등의 최신 연구 분야들을 기반으로 하여 다양한 연구

결과들을 보고 하고 있다. 이러한 노력들은 식물을 통해서 물질을 생산하는 연구에만

그치는 것이 아니라, 식물의 유전자나 발현 시스템들이 하나의 바이오 부품으로서

개발되어 좀 더 상업적인 접근을 가능하게 하고, 이들 분야가 경제성 있는 산업으로

발전할 수 있도록 이끌 것으로 기대가 된다.

93

표 3.1 현재까지 천연물 사전(*DNP)에 등재 된 터펜의 종류와 수

(Pateraki, Heskes, & Hamberger, 2015)

Type of terpene a Compounds (DNP 23.1) Classified as drug

모노터펜 (C10) 4,129 28

세스퀴터펜 (C15) 13,981 97

다이터펜 (C20) 12,505 52

트라이터펜 (C30) 23,051 155

테트라터펜 (C40) 827 5

총합 54,493 337

*DNP: dictionary of natural products

a Including terpene-derived products within each class, such as apo- and nor-terpens

3.4.3 미생물을 이용한 유용 물질 생산

식물을 통해서 생합성 되는 유용 화합물들은 산업의 많은 분야에 활용이 가능하다. 하지만,

대부분의 유용 화합물들은 특정 식물을 통해서만 생합성 되며, 이러한 식물들의 생장

환경이나 경제성의 제약들로 인하여 화합물의 공급 수요를 충족시키는 것이 어려워진다.

그래서 최근에는 미생물을 이용하여 이러한 유용 화합물들을 생산하려는 연구들이 활발히

진행되고 있다. 특히, 대사공학이나 합성생물학 분야의 발전은 이러한 연구 분야의 발전

속도를 높이는데 큰 기여를 하고 있다. 이러한 연구에는 GRAS (generally recognized as

safe) 미생물들이 많이 활용되며, 대표적인 예로 효모 (Saccharomyces cerevisiae)를 들

수 있다. 효모는 술을 발효하거나 빵의 반죽을 만들 때 많이 이용되는 미생물로서,

산업적으로도 이미 많이 활용 되고 있다. 또한, 효모는 많은 연구 결과물들의 축적으로

다양한 지식과 연구 기술들이 이용 가능하고, 식물에 비해서 빠른 생장 속도와 연구 환경의

제약이 적기 때문에 연구 재료로서 훌륭한 장점을 보유하고 있다. 특히 스웨덴의 Jens

Nielsen 그룹은(Chalmers University of Technology) 효모를 하나의 세포 공장으로

이용하여 의약품이나 바이오 연료의 원료로서 활용 가능한 다양한 화합물들을 생산하는

연구 분야에 탁월한 성과와 기술들을 보유하고 있다. (Borodina & Nielsen, 2014)

식물에서 유래한 터펜의 생합성 대사 경로나 관련 유전자들을 효모 생물체 내로 도입하여

식물에서만 생산 가능한 터펜 화합물들을 생산해내기도 하고, 이 화합물들의 물리화학적

성질들을 바탕으로 바이오 연료로 활용하는 연구도 진행하고 있다. (그림 3.10) (Tippmann,

94

Chen, Siewers, & Nielsen, 2013) 또한, 효모 내에 존재하는 지방산 생합성 경로를

재설계하여 탄화수소기반 바이오 연료 생산에도 많은 연구 결과를 만들어 내고 있다. (그림

3.11), (Zhou, Buijs, Siewers, & Nielsen, 2014) 이러한 방법으로 유용 물질들을 생산하게

되면 식물에서 특정 화합물들을 추출 후 분리하고 정제하는 기존의 방법에 비해 시간과

비용의 절감을 가지고 올 수 있으며 친환경적인 방법으로 유용 화합물들을 생산 할 수 있어

인류에게 많은 혜택을 가져올 것 을 기대해 볼 수 있다.

그림 3.11 효모를 이용한 터펜 생산

(Tippmann, Chen, Siewers, & Nielsen, 2013)

95

그림 3.12 지방산 유도체 바이오 연료와 화합물 합성 대사 경로

(Zhou, Buijs, Siewers, & Nielsen, 2014)

3.5 기후변화와 관련한 식물의 생장과 식물의 생산성 증진을 위한

노력

3.5.1 연구 배경과동향

지난 100 년간 (1912~2008) 우리나라의 평균기온은 1.7℃ 상승하여, 세계 평균 (0.74℃)

보다 크게 상회하였고 우리나라의 강수량은 19% 증가하였으며, 강우일수는 14% 감소한

반면, 강우강도는 18% 증가하였다. 기후변화로 인한 빈번한 이상기후 현상과 산림생태계

교란이 우리나라 산림에 심각한 위협요인으로 등장하고 있으며 특히 여름이 길어지고

겨울이 짧아지는 계절의 변화로 개화시기가 빨라 지고, 고산식물이 쇠퇴하는 등

산림생태계의 급격한 변화가 초래되고 있으며 이러한 기후변화는 그동안 산림이

경험하지 못한 빠른 속도로 진행되고 있다. 산림의 기후변화 적응속도 보다 기후대

이동속도가 더 빨라서 멸종 위기종이 증가하고, 산림생물 다양성이 크게 감소되는 것이

96

우려되며 고산지대 식생은 저지대 에서 올라온 수종과의 경쟁에서 밀려나 크게 감소하고

있다. 겨울과 봄철 고온이 수목의 가뭄 스트레스를 증폭시켜 삼림의 피해가 크고

개엽․개화시기가 앞당겨짐에 따라 먹이사슬이 깨져 산림생태계 전체의 안전성에 영향을

초래하고 있다. 따라서 기후변화에 따른 수종별 생육범위가 변화하여 조림지대가 바뀌고

임업생산성 변화가 예상되고 있다. 그러므로 기후변화에 따른 산림의 악영향을

최소화하기 위한 사전 예방적이고 선제적인 적응대책이 시급한 실정이다. 또한 이러한

기후변화에 대한 식물의 적응성이나 생장에 대한 연구는 기후변화에 적응하는 식물의

생태를 이해하는 한편 거기서 얻은 지식을 이용하여 식생을 관리하고 보호하는데 적절히

이용될 수 있으리라 여겨진다. 앞서 언급한 기후변화는 북유럽도 예외는 아니어서

기후변화로 인한 식생이 많이 변화하고 있는 상황이며 특히 북유럽은 상대적으로 긴

겨울과 겨울동안의 짧은 일조량 그와 반대로 짧은 여름과 오랜 일조량 등 한국과는

비교할 수 없는 특이한 자연환경을 가짐으로써 이 지역에서 재배되는 식물의 식생을

알아보고 환경의 변화에 적응하는 식물의 기작을 연구함으로써 환경에 적응하는 식물의

생리를 이해하고 이를 이용해 식물을 보호하고 보존하는 노력에 박차를 가할 수 있을

것이다. 따라서 본 장에서는 오늘날 세계가 가장 민감하게 다루고 있는 기후문제와

관련한 식물의 생장에 대한 최근 북유럽의 연구 동향에 대해 살펴보았다. 특히 여름과

겨울의 기온과 일조량등의 차이가 매우 심한 북유럽의 자연환경에서 자라는 식물의

생장을 후성유전한적인 측면에서 알아봄으로써 이들 기후조건이 식물의 생육에 미치는

영향을 통해 환경과 식물간의 상호작용을 알아보고 특수한 기후에 적응하여 자라는

식물의 생산성 증진에 대한 고찰을 하였다.

3.5.2 노르웨이에서 진행되는 기후변화에 대응하는 식물의 생장연구

예상가능한 기후는 식생의 지리적 분포를 변화시키고 있으며 (Davis and Shaw, 2001)

그들의 진화의 측면에서도 큰 영향을 미치고 있다. 다양한 침엽수종에서 sexual

maturity 가 늦어지며 세대간 간격이 벌어지는 현상은 이들 식물이 온도 변화에 빠르게

대응하는 것을 어렵게 만들고 있다. 노르웨이의 대표적인 수종인 독일가문비나무 (Picea

abies)의 경우에 온도 변화에 체계적으로 대응하는 기작이 밝혀져있다 (Kvaalen and

Johnsen, 2008). 다년생인 독일 가문비 나무는 온도변화로 인해 봄철에 이루어지는

휴면타파, 여름에 일어나는 생장정지, 가을에 나타나는 휴면아착상, 겨울에 대비한

휴면의 생성과 추위에 적응하는 기작들이 앞당겨지거나 늦춰질 수 있다는 보고가 이미

되어있다. (Johnsen et al., 1996;Webber et al., 2005). 노르웨이 생명과학대학 연구팀과

97

노르웨이 산림과학원은 공동연구를 통해서 평균기온이 떨어질 경우에 앞서 언급한

기작들이 더 빨리 진행되고 반대로 기온이 온화할 경우에 더디게 진행되는 것을

학인하였다 (Kvaalen and Johnsen, 2008). 또한 이러한 특성들이 수년에 걸쳐 대를 이어

표현되는 것을 확인하였고 독일가문비 나무의 유묘를 이용한 연구에서 이들 유묘들이

접합자 배발생 (zygotic embryogenesis) 단계와 종자성숙시의 온도나 일조량을 기억한다는

것을 밝혀내었다 (Johnsen et al., 2005a;Johnsen et al., 2005b). 최근의 연구에서는 기후에

반응하는 이러한 특성의 후성유전학적 기작을 밝힘으로써 독일 가문비나무의 환경에

대한 기억의 효과를 알아보고 이를 이용한 식물의 적응능력에 대해 알아보고자 한다.

3.5.3 연구방향

일찌기 노르웨이 생명과학대학의 연구팀은 기후에 적응하는 독일가문비나무의 능력에

대해 오랜 기간에 걸쳐 연구를 해오고 있었으며 그러던 중에 상대적으로 위도가 높아

평균기온이 낮고 일조량이 적은 노르웨이 북부 지역에서 자라는 독일 가문비 나무의

종자를 평균기온이 높고 위도가 낮은 지역에서 재배했을때 이들의 생장이 이전

북부지역에서 자랄때와는 다르게 오래전부터 남쪽에서 자란 나무의 생장을 보이는 것을

30 여년의 기간동안 관찰하였고 이러한 특성들이 대를 이어서 내려오는 것을 확인하였다

(그림 3.13).

그림 3.13 환경에 적응하는 식물의 생장.

즉 북부지역에서 자랄때 휴면의 발생과 타파가 이르게 시작되었던 것에 비해 따뜻한

남쪽 지방에서는 상대적으로 이 시기가 늦추어졌다. 이것은 독일가문비나무가 자신이

자라는 주변 환경에 대하여 적응을 하여 얻어진 획득형질을 후대에게 유전시키는

전형적인 후성유전학적인 특성을 나타내는 것을 의미하며 여기에 대한 연구가 진행되고

98

있다. 수명이 오래되는 식물, 특히 수목의 경우에 어떠한 현상을 단 하나의 요인으로

설명하는 것은 위험한 일이다. 하나의 눈에 보이는 표현형을 위해 일년초 식물에 비하여

훨씬 다양한 요인들이 관여를 할 수 있기 때문인데 이로인해 수목의 후성유전학 연구가

2000 년대 후반부터 시작되고 아직 연구가 활발하지 않은 것은 그러한 이유 때문이기도

하다 (Salminen and Kaarniranta, 2009;Santamaría et al., 2011;Bräutigam et al., 2013).

하지만 수목의 후성유전학 연구는 환경에 노출된 삼림의 미래를 긴 안목을 가지고

예측할 수 있으므로써 삼림의 보호와 효율적인 생산에 큰 도움이 될 수 있겠다. 하지만

앞서 언급한 바와 같이 수목은 있는 그대로 환경에 노출되므로 한가지 현상이 어떤

요인에 의해 일어나는지를 찾아내는 것은 쉽지 않다. 따라서 수목을 연구할 때 발생할

수 있는 단점을 보완하기 위해 체세포배발생 (somatic embryogenesis: SE) (그림 3.14)를

도입하여 필드에서 나타나는 후성유전학적인 특성을 in vitro 상에서 구현하였다.

그림 3.14 독일 가문비 나무의 Somatic embryogenesis

체세포 배발생은 수목의 육종에서 최근에 널리 이용되는 방법으로 양질의 유묘를 실험실

조건에서 배양하며 그들의 배양에 있어서 온도나 광조건을 쉽게 조절할 수 있는

편리함이 있다. 그러한 작업의 수월함에 더하여 후성유전학 연구에 체세포 배아를

사용하는 가장 큰 장점은 체세포 배발생으로부터 생산된 모든 유묘들이 동일한 유전적

배경을 가진다는 것이다. 이러한 체세포배아를 서로 다른 온도 조건에서 배양할 경우

이들이 보이는 표현형의 차이를 확인함으로써 이들 체세포배아가 후성유전학 연구에

적합한 재료임을 확인하였다. 특히 독일 가문비나무의 접합자 배발생과 종자의

성숙단계에서 온도의 영향을 받는 것으로 밝혀진 바 이 시기의 온도를 조절함으로써

후성유전학 연구를 진행할 수 있다 (Johnsen et al., 2005b).

99

3.5.4 연구성과

독일가문비나무의 후성유전학 연구를 위해 체세포배아로부터 발생한 유묘를 포장에서

키운 후 그들의 유전자 변화를 확인하였고 동시에 다른 온도 조건에서 키운 체세포

배아의 유전자 변화를 확인하므로써 이들 유묘의 생육과 체세포배아 발생이 온도에

영향을 많이 받는다는 것을 알 수 있었다. 이것은 기존의 체세포배아를 이용한 수목의

대량생산과는 전혀 다른 방향으로 체세포배아를 이용하는 것으로서 후성유전학 연구를

위한 매우 획기적인 연구접근 방법이라 할 수 있으며 포장에서 발견되는 후성유전학적인

특성을 실험실내 환경에서 재현함으로써 표현형의 발현에 영향을 주는 각종 요인들을

개별적, 혹은 그들의 상호관계에 따른 영향을 연구하는데 새로운 방향을 제시해 주고

있다. 현재까지 체세포배아를 이용한 독일가문비 나무의 후성유전학의 연구성과는

후성유전학적 특성을 조절하는데 중요한 역할을 한다고 알려진 몇몇의 miRNA 를 발견과

함께 transcriptomic 을 살펴봄으로써 이들 기작을 조절하는데 어떠한 유전자들이

관여하는지에 대한 청사진을 만들어두고 있다 (Yakovlev et al., 2014). 이들 유전자 중

다른 식물종에서 발현되는 공통적인 유전자도 있겠지만 수목이 가진 거대한 유전체를

생각했을때 Arabidopsis 와는 비교할 수 없을 정도의 많은 새로운 유전자들을 발견할

기회가 많으며 이를 토대로 후성유전학적 측면에서 이들 수목의 환경적응에 대한 연구를

지속해 나갈 수 있을 것이다. 2013 년에 스웨덴의 Umeå 대학 연구진이 독일가문비

나무의 전체 게놈을 밝혀냄으로써 이 수종의 유전정보에 대한 접근이 훨씬 용이해졌고

따라서 유전적 연구를 훨씬 구체적이고 정확하게 이루어낼 수 있는 결정적인 기회가

되었다 (Nystedt et al., 2013). 이러한 독일가문비나무의 환경적응성을 후성유전학적인

측면에서 살펴보는 것과 함께 이들이 환경에 적응하기 위해 발현하는 기작인 휴면이나

휴면타파를 좀 더 정확하게 이해하기 위한 작업들도 병행되고 있다. 휴면발생과

휴면타파는 온실조건에서 유묘를 이용하여 연구할 수 있는데 이때 광조건이나 온도를

달리함으로써 휴면발생과 휴면타파의 시기와 양상을 조절할 수 있우며 그렇게 함으로써

이들 수종이 외부 온도변화와 일조건의 변화시에 어떻게 반응하여 생장하는지를 미리

예측해 볼 수 있게 된다. 이러한 휴면을 이해하기 위한 방편으로 metabolimics 를

이용하여 휴면발생과 휴면타파시에 일어나는 대사물질의 변화를 살펴봄으로써적절한

환경으로부터 스트레스를 주는 환경으로 넘어갔을때 식물이 어떻게 대응하는지에 대한

폭넓은 지식을 획득할 수 있었다 (Lee et al., 2014). 또한 이들 휴면 기작을 연구하는데

있어서 휴면을 조절하는 물질을 찾아봄으로써 이들의 통제로 휴면발생이나 휴면타파의

인위적인 유도가 가능한지에 대한 기대감을 높일 수 있는데 현재 노르웨이

100

생명과학대학에서는 독성물질로 알려져 있는 활성화산소 (Reactive oxygen species:

ROS)가 휴면기작을 조절하는 중요한 물질로 작용하고 있는것에 대한 활발한 연구를

수행중에 있다. 또한 휴면발생시 휴면아에 생겨나는 독특한 구조를 세포생물학적인

관점에서 연구함으로써 추운 겨울에 생장점을 보호하며 식물이 살아남고 환경이 적절해

졌을때 그 생장점으로부터 새로운 생장을 시작하는 일련의 반응들을 더 자세히 알기

위한 연구들이 진행되고 있다. 실제로 이 연구팀은 세포벽을 오랜 시간 연구하였으며

(Lee et al., 2008) 휴면기작시에 세포벽의 변형이 일어남으로써 휴면을 일으키고

휴면타파시에는 다시 세포벽이 다른 형태로 변형되어 새로운 식물의 생장을 유도한다는

것을 밝히려는 노력을 기울이고 있다.

3.5.5 연구성과의 활용

가깝게는 포장에서 이른 봄에 서리가 내리거나 예상치 않은 갑작스런 온도의 하강으로

휴면타파를 시작한 새순이 얼거나 저온의 피해를 입어 결과적으로 삼림 전체의 피해를

가져올 수 있는 경우에 휴면발생과 휴면타파를 온전히 이해함으로서 수목의 피해를

최소화할 수 있을것이다. 또한 길게 보았을때 전지구적 기후변화에 대응하는식물의

적응력을 높여 생산성을 높일 수 있다는 데 연구의 의의를 둘 수 있다 하겠다.

3.6 Centre of Environmental Radioactivity (CERAD)

3.6.1 연구배경과 동향

기후변화에 따른 식생의 연구와 함께 최근에 부상하는것은 방사선에 노출된 생명체의

생장과 그에 적응하는 그들의 기작에 대한 연구이다. 1979 년 미국에서 발생한 3 마일

아이슬란드사건, 1986 년에 일어나 체르노빌 원전폭발사건과 2011 년 후쿠시마에서

발생한 원전 사고는 우리에게 방사능 유출의 위험성에 대한 경각심을 일깨워 주었다

(그림 3.15).

101

그림 3.15 심각한 방사능유출의 극단적인 예

이들은 자연재해에 의한 피치못할 사고가 아니었으며 인간의 부주의로 발생한 인재라는

것을 생각했을때 앞으로 또다른 방사능 유출 사고 발생 가능성을 무시할 수는 없다.

또한 세계의 평화를 교란시키려는 목적을 가진 극단주의자의 소행인 2001 년 미국

무역센터 테러를 보았을때 그보다 훨씬 심각한 문제를 일으킬 수 있는

방사능을테러분자들이 이용할 수도 있다는 전제에 부딪히면 실제 우리가 방사선 노출에

대해 아는 것이 별로 없으며 그것의 위험을 평가할 척도도 부실하고 그에대한 대응책은

거의 전무하다는 사실이 우리 인간들에게 크나큰 두려움으로 다가올 수 밖에 없다.

따라서 이러한 부분에 대한 명확한 답을 하기 위한 연구가 범 지구적인 차원에서

행해져야 한다고 여겨서 CERAD 프로젝트가 출발하게 되었다. Centre of Environmental

Radioactivity (CERAD)는 노르웨이 생명과학대학에 기반을 두고 있으며 방사선 노출이

생명체와 환경에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구를 다양한 생물을 이용해 진행하는

10 년차 거대 연구 프로젝트로서 미국, 캐나다, 유크라이나, 벨기에 프랑스, 스웨덴,

오스트레일리아등의 국제파트너와 함께 진행되고 있다. CERAD 의 핵심목표는

환경으로부터 획득되는 방사선의 위험과 함께 다른 스트레스 요인과의 상호관계가

생물체에 어떠한 영향을 미치고 어떠한 위험을 초래하게 하는지에 대한 과학적인 기초를

마련하기 위함이다. CERAD 는 2013 년에 발족되어 환경에 존재하는 방사능및 관련

스트레스 유발요인들과의 연관을 통해 방사능위험을 정확하게 평가하는 능력을 개발하기

위한 장기간의 기초연구 수행에 그 목표를 두고 있다. 규제협약 (Control Act) (Pollution

Control Act) 환경오염믈질을 정의하는데 있어서 중금속이나 유기물질 뿐만 아니라

방사성물질까지 다 포함시키고 있다.

3.6.2 연구방향

지난 수년간 몇몇의 국제 기구들 (EC, OECD, IUR)들은 늘어나는 핵위협에도 불구하고

유럽내에서 방사능연구와 교육이 감소하는 것을 인지하여 생태적인 방사능연구과

102

실험적 인프라구조를증진시키기 위하여 그리고 방사능물질의 인간과 환경에 대한 영향을

평가한는것과 관련한 과학적 교육적 지원을 하기 위하여 ALLIANCE

(www.er/allíance.org)를 설립하였다. 이를 통해 방사능에 대한 연구를 위해 개선된 방법과

도구를 수립하고 방사능 노출에 대하여 어떻게 복잡한 생태계가 기능을 하는지에 대한

연구가 이루어질 필요가 있다. 따라서 CERAD 에서는 크게 네가지 분야로 나누어 연구를

진행중에 있다. 첫째 미래에 방사성 유출 가능성이 있는 출처에 대한 연구, 둘째, 필요로

할때 이용할 수 있는 방사능연구에 대한 능력의 함양, 세째, 방사능의 영향과 위험을

평가하는 새로운 기초과학과 학문에 대한 정립, 마지막으로 방사능에 대한 대중의

불필요한 거부감을 줄이고 그에 대한 이해를 확실하게 하고 안정성에 대해 믿음을 갖게

할 수 있는 방사성 재난 방지 (management) 에 대한 확실한 과학적 기반의 확립이 이

CERAD프로그램을 만들게 된 동기이다.

불확실성에 기여하는 각종 요인들에 중점을 두어 CERAD 는 이러한 위험요인을 방제하는

기술과 방법을 간구하기 위한 기초 연구를 수행한다. 연구의 범위는 과거에 인간에

의해 혹은 자연발생적으로 발생한 방사선 뿐만 아니고 원자력 발전시에 발생가능한 현재

진행중인 방사선의 누출위험 및 만성적인 방사선의 노출에 대해 다룬다. 고려할 수 있는

모든 생태계를 동원하여 방사선 노출이 생태계에 어떤한 영향을 미치는지 알아본다.

연구를 위하여 첫째, 우선 방사선이 나오는 경로와 분포를 평가하는 연구가 필드에서

행해지고 있는데 우선적으로 방사선이 나오는 출처를 알아보고 이들의 방출경로를

알아보려는 노력들이 진행중에 있다. 둘째, 이러한 방사선이 하나의 생태계 내에서

어떻게 다른 환경으로 전이되는지에 대한 연구를 진행중에 있으며 토양에 고정되어

살고 있는 식물의 경우 방사선에 노출되었을때 결과되어지는 방사선의 효과와

수생생태계에서의 방사선 노출과 그 축적에 대한 영향에 대해 알아본다. 이들의

영향들을 식물이나 수생생태계에서의 개별적인 영향뿐만 아니라 이들 생물체와 연관을

맺는 전체 생태계에 미치는 다양한 영향들과 함께 평가하는 작업들이 진행중에 있다.

셋째, 방사선의 독자적인 영향뿐 아니라 다른 환경자극요인과 (예, 중금속, 온도나

환경변화와 관련한 UV 노출) 함께 방사선에 노출되었을때 생태계에 어떤 생물적 반응들

(분자수준, 개체 수준 그리고 집단수준)이 일어나는지에 대한 연구를 수행하고 있다. 이를

통해 서로 상호작용하는 다양한 스트레스유발 오염원과 방사선의 부정적인 증폭효과를

평가하고 이들에 대한 과학적 기작의 이해와 함께 방사선 누출및 환경 오염원의 적절한

관리를 통해 건강한 생태계를 유지하려는 노력이 진행중에 있다. 넷째, 앞서 말한 모든

연구를 통해 방사선의 전체적인 영향과 위험을 평가한다. 이 평가에는 인간과 비인간

103

뿐만 아니라 이로 인해 초래되는 경제적 사회적인 결과를 모두 포함하며 이에 필요한

기초과학을 연구함으로써 방사능의 부정적인 영향으로부터 사람과 생명체 그리고

전체적인 환경을 보호하기 위한 새로운 지식과 방법의 제공을 그 주된 목적으로 하고

있다 (그림 3.16).

그림 3.16 CERAD 의 연구방향

3.6.3 구체적인 연구분야

3.6.3.1 방사선이 나오는 경로와 분포에 대한 연구

어떻게 방사선이 생태계 내에서 퍼져나가는지에 대해 알아보고 특히 나노 혹은

마이크로미터 수준의 작은 입자들의 특성을 살펴봄으로써 방사능 유출의 소스와 그

분포에 대해 연구한다. 그리고 이들 작은 입자들이 공기나 물에서 어떻게 이동하며

어떻게 축적되고 어떻게 모델이 되는 생물체에 노출되는지를 알아본다.

3.6.3.2 생태계에로의 전이

방사능을 가진 입자들이 어떤 경로를 통해 토양과 강이나 바다로 전이되며 다른

비생물적 요인들과 함께 이들 방사능 발생 물질들이 먹이사슬과 연관되어 영향을

104

미치는지 그리고 먹이사슬의 최종단계에 이르기까지 어떻게 축적되는지에 대해

알아본다.

3.6.3.3 생물적 반응

방사능의 수치가 상대적으로 낮은 상태에서 만성적으로 노출되어졌을 때와 이들 방사능

물질이 UV, 중금속 그리고 항산화제의 결핍과 같은 다른 스트레스유발인자들과

합쳐졌을때 발생할 수 있는 생물군의 반응을 살펴본다. 여기서는 높은 방사능수치에의

노출과 함께 낮은 방사능 수치지만 만성적으로 노출되었을 때의 상관관계를 살펴보고

이들이 인간과 인간을 제외한 다른 생물상에 어떤 영향을 미치는지 알아본다. 또한

이들을 파악하기 위하여 어떤 바이오마커를 사용할 지에 대한 논의를 하고 있으며

만성적인 방사능에의 노출이 세대를 걸쳐 어떻게 변화하는지의 유전적 측면과 환경의

영향을 함께 아우르는 후성유전학적 연구가 행해지고 있다. 그리고 감마와 알파선의

영향이 다른 스트레스 유발인자와 결합하여 생물에 어떤 영향을 주는지에 대한 연구가

진행되고 있으며 방사능에 대한 민감성이 생물종에 따라 다른 이유에 대해서도 알아보고

있다.

3.6.3.4 방사능의 효과와 위험평가

환경과 사회시스템 내에서 방사능과 멀티 스트레스 요인을 결정하는 과학적인 근거를

마련하고 그들의 효과와 위험수위를 평가하는 작업이 주가 되고 있다. 현존하는

위험평가방법을 개선하고 그에 대한 비용을 절감하기 위한 노력이 기울여지고 있다.

3.6.3.5 3.5 UV그룹

UV 가 생물적시스템에 어떤 영향을 미치며 환경 변화시에 UV 의 효과가 어떻게

변화하는지에 대해 연구한다. 즉 육상생물과 수생생물들에 있어서 UV 가 유발하는

피해가 어느 정도가 되는지를 살펴보고 UV 조사와 관련 스트레스 유발인자에 의해

발생하는 활성화산소 (reactive oxygen species, ROS)의 생성과 축적및 그 기능에 대해

알아본다. 또한 한가지 스트레스유발인자로 인해 발생하는 방어기작이 다른

스트레스유발인자에 대해서도 방어효과를 갖는지 알아본다.

3.6.3.6 4. 세부연구분야

대서양 연어에서 우라늄의 흡수와 독성효과 평가, 항산화제로서의 셀레니움의 이용, 낮은

양의 방사능에 노출된 쥐를 이용한 만성적 방사능 효과 조사, 제브라물고기를 이용하여

방사능의 양이 어떤 영향을 미치는지에 대한 조사, 해양에서 방사능 물질의 이동,

105

바다미생물인 플랑크톤을 이용한 우라늄의 축적과 독성분석, 만성적 방사능 노출과

화학적 스트레스유발인자가 오랜 기간동안 어떤 결과를 초래하는지에 대한 연구, 선충

(Caenorhabiditus elegans)을 이용한 복합적 독성연구, 방사능에 노출된 식물의 민감도를

알아보기 위한 식물체 내의 DNA 손상연구, UV-B 와 온도의 영향에 의한 식물의

형태변화에 대한 연구등이 활발하게 진행되고 있다. 또한 다양한 생물종들이 방사능이나

UV 에 노출되었을때 발생하는 DNA 손상을 질적, 양적으로 평가하는 다양한 방법들을

개발하고 있으며 그를 통해 방사능에 의한 피해를 손쉽게 살펴볼 수 있는 길을

제시하고 있다.

3.7 앱타머 개발

3.7.1 ssDNA앱타머 개발 연구

3.7.1.1 개요

앱타머는 차세대 인식물질로서 단일가닥 RNA/ DNA 분자로 이루어져 크기가 25kD

이하로 항체에 비해 크기가 작으며 결합력을 유지한 채로 진단 시스템에 맞게 화학적

합성, 변형 가능하고 Negative selection 이 가능하므로 유사한 구조의 물질 (Analogue)

각각에 대한 특이성이 높은 앱타머를 개발하는 것이 가능하다.

항체를 만들 수 없는 독성 물질이나 중금속을 포함한 거의 모든 단백질 및 저분자

물질에 대하여 높은 결합력과 특이성을 보이는 앱타머를 선별하는 작업이 가능하기

때문에 앱타머 개발 연구가 활발히 이루 어지고 있으며 개발된 앱타머는 바이오센서를

이용한 진단에 널리 사용되고 있는 추세이다.

저분자 유기물질, 단백질, 바이러스, 세포 등 다양한 표적에 대해 그 활용성이 보고 되고

있으며, 열안전성 및 특이도가 높고 화학적 합성이 가능하여 다양한 변형을 통해

효과적인 약물전달을 위한 리셉터로서의 활용 가능성이 매우 높다.

앱타머 스크리닝 기술인 SELEX (Systematic evolution of ligands by exponential

enrichment)는 1990 년에 최초로 고안되었고, 저분자 화합물로부터 고분자 단백질 등

다양한 표적물질에 대해 친화력을 가지고 결합할 수 있는 앱타머를 발굴할 수 있다.

3.7.1.2 연구동향

1990 년 니트로셀룰로오즈 필터기술을 이용한 스크리닝 기술과 컬럼을 이용한 스크리닝

기술에 관한 연구 결과가 발표되었다. 앱타머 라이브러리와 결합한 앱타머/ 타겟

106

복합체는 필터를 통과하지 못하는 성질을 이용하였다. 하지만 이런 전통적인 스크리닝

기술은 낮은 효율로 인해 오랫동안 반복된 실험 과정을 거쳐야 한다는 단점을 가진다.

Stoltenburg 그룹은 표적물질(단백질)을 자성 구조물에 고정하여 앱타머를 스크리닝 할 수

있는 기술을 고안하였다. 자석을 이용하여 표적물질에 결합된 앱타머를 랜덤 핵산

library 로부터 손쉽게 분리할 수 있을 뿐만 아니라, 형광물질이 레이블링된 프라이머를

사용하기 때문에 스크리닝 과정에서 타겟에 결합하는 앱타머 후보군의 친화력을 측정할

수 있도록 고안된 기술이다.

이 외에도, 전 세계적으로 미생물을 표적으로 한 앱타머의 개발 연구로는 Bioterror 의

대상균주인 anthrex 균에 대한 DNA 앱타머 개발, 식중독 균인 Campylobacter jejuni 에

대한 DNA 앱타머 개발, 결핵 유발균인 Mycobacterium tuberculosis 에 대한 DNA 앱타머

개발, 남아메리카 수면병을 일으키는 Trypanosoma cruzi 에대한 RNA 앱타머 개발,

아프리카 수면병을 유발하는 Trypanosoma brucei 에 대한 RNA 앱타머 개발 등을 들 수

있다.

미생물 표적 앱타머의 개발 기술과 유사한 기술인 세포 표적 앱타머 개발 기술을 이용해

인간의 T 세포 급성 림프모세포 림프종 세포인 CCRF-CEM 세포에 대한 DNA 앱타머,

B 세포림프종 세 포인 RAMOS 세포를 특이적으로 식별할 수 있는 DNA 앱타머, 인간의

신경교종 세포에 특이적으로 결 합하는 RNA 앱타머, 적혈구 세포에 결합하는 DNA

앱타머, 폐암세포에 결합하는 DNA 앱타머, 유방암 세포를 표적물질로 한 RNA 앱타머,

설치류 뇌 혈관 종양 세포에 결합하는 DNA 앱타머, 부신수질의 크 롬친화성 세포종

유래 세포인 PC12 세포에 대한 DNA 앱타머, 인간의 신장 배아 세포에 대한 DNA 앱타

머 등이 개발 되기도 하였다.

기존 앱타머 스크리닝에 쓰이는 기법들은 타겟을 고정화 하는 과정에서 발생할 수 있는

낮은 분별능, 낮은 결합성, 저효율 고비용 등 여러 가지 한계를 가지고 있기도 하다.

그러한 한계를 극복하기 위해 개발 된 비고정화 방식의 앱타머 선별 방법으로는 CE

(Capillary Electrophoresis) 혹은 sol-gel microarray 를 이용한 방법이 있으나 표적물질에

제한이 있거나 고가장비의 필요성, 장치 사용의 복잡성 등의 문제가 남아있다.

107

그림 3.17 필터를 이용한 스크리닝 기술 모식도(Tuerk C, Gold L)

그림 3.18 자성 비드를 사용한 앱타머 스크리닝 모식도(Stoltenburg et al.)

3.7.1.3 연구방법

앱타머를 선별하기 위해서는 SELEX 라는 선별기술을 이용하는데 이는 크게 DNA

라이브러리와 표적물질의 결합, 표적물질에 결합한 DNA 의 분리, 분리된 DNA 의 증폭

과정으로 나눌 수 있다. 이 과정 중에서 표적 물질과 결합한 DNA 를 결합하지 않은

DNA 로부터 분리해 내는 과정이 추후 선별될 앱타머의 성능을 결정하는 가장 중요한

요소이고, 이 분리의 효율을 높이는 방향으로 다양한 연구 방법이 적용되어 왔다.

일례로, 현재 스웨덴 룬드 대학에서 진행되고 음파영동 분리 방법을 이용한 앱타머 선별

방법을 보면 아래와 같다.

108

• 룬드에서는 음파영동 기술을 앱타머 선별 방법에 적용하여 그람 음성균에

특이적으로 결합할 수 있는 DNA 앱타머를 선별할 수 있는 플랫폼을

개발하고 있다.

• 이를 위하여 Random DNA library 를 그람 양성균 및 음성균이 들어있는

샘플과 반응시키고 랜덤 DNA library 중에서 그람 음성균에 결합하지 않는

unbound DNAs 를 분리해낸다. (counter SELEX)

• 그람 양성균과 결합하지 않은 Random DNAs 를 그람 음성균이 들어있는

샘플과 결합 반응시킨 후 결 합하지 않은 ssDNA 를 버리고, 결합한 DNAs 만

추출해낸다.

• 음성균에 강하게 결합하는 성질을 가진 ssDNA 들을 PCR 을 통해 증폭시킨

후 dsDNA를 다시 ssDNA 로 분리하여 선별과 분리과정을 반복한다.

• 최종적으로 선별된 ssDNA 의 염기 서열을 분석하기 위해 서로 다른

염기서열을 가진 ssDNA는 cloning 되고 염기서열을 분석하게 된다.

• 염기서열의 분석이 끝나면 각각의 핵산 앱타머의 구조를 웹기반 컴퓨터

프로그램(mfold)을 통해 분석 하고 표적세포에 대한 결합력과 특이도

분석한다.

• 발굴된 앱타머에 형광물질표지를 부착시켜 음성세균과 반응 시킨 후 형광의

정도를 측정하여 성공적으 로 결합 하였는지 여부를 측정함으로써 선별한

앱타머의 성능분석을 수행하게 된다.

• 대조 실험으로는 앱타머가 아닌 random DNA library 에 형광 물지 표지를

부착시켜 그람 음성균과 반응 시킨 후 형광이 남아 있지 않음을 확인하여

선별된 앱타머만이 그람 음성균과 반응하고 있음을 확인하거나 앱타머에

형광물질표지를 부착시켜 유사 세균과 반응 시킨 후 형광이 남아있 지

않음을 확인하여 발굴된 앱타머가 표적 세균에만 결합하고 있음을 확인 할

수 있다.

• 결합력 측정을 위해서 일정량의 앱타머에 형광물질표지를 부착시킨 후

소수의 균으로부터 다수의 균까 지 단계적으로 표적세균 개체 수 별로

반응시킨 후 형광의 정도 차이를 측정하여 발굴된 앱타머의 결합력을 측정할

수 있다.

109

그림 3.19 앱타머 스크리닝 연구 방법

3.7.1.4 해당국가의 기술 개발 현황 (스웨덴)

• Linköping 대학에 있는 Biosensors and Bioelectronics Centre 는 관련분야 최우수

저널의 하나인 Biosensors and Bioelectronics 의 책임 편집자인 Anthony

P.F.Turner 의 감독하에 2010 년도에 설립되어 바이오 소재 및 나노 소재를 이용한

바이오 센서 개발 연구를 수행하고 있다. 2011 년에는 바이오 인포매틱스

기반으로 기존에 발표된 트롬빈 결합 앱타머를 변형하여 900 여개의 후보군을

선발하여 가장 결합력이 우수한 앱타머를 찾는 연구를 수행하기도 했다. 다만 이

연구는 기존에 발표된 트롬빈 앱타머를 기준으로 한 연구이기 때문에 범용적으로

활용되기 위해서는 보다 많은 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.

• 스톡홀름에 있는 감염성 질환 연구소 (Swedish Institute for Infectious Disease

Control) 에서는 말라리아를 유발하는 미생물 (Plasmodium falciparum)에 결합하는

RNA 앱타머를 개발하였다. 이를 위하여 표적 미생물의 막 단백질 중에 하나를

재조합 단백질로 발현시킨 후 비드에 고정시켜서 타겟물질로 사용했다. 일반적인

분리 방법이기 때문에 앱타머 선별성이 우수하지 않으며 막 단백질 중 하나를

재조합 단백질로 만들어서 실험한 것이기 때문에 미생물에 변이가 일어나는

경우에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.

• 이 외에도, Linköping 에서는 Macugen®이라는 상호로 시판중인 RNA 앱타머

110

신약(노인성 황반 변성에 대한 RNA 약제)과 혈관 생성 인자와의 반응성에 대한

연구를 진행하였으며 Umeå 대학에서는 표면증강 라만 분광법 (surface enhanced

raman spectroscopy)에 앱타머를 적용하여 혈소판유래성장인자 (PDGF,platelet-

derived growth factor)에 대한 앱타머의 반응성을 연구하기도 하였다.

3.7.1.5 기대효과

• 앱타머를 적용하면 특이적 표적 물질에 대하여 신속하고, 정량적 측정이 가능한

새로운 진단 시스 템을 제공할 수 있다. 특히 앱타머를 진단 시스템에 적용시킬

경우, 민감하고 저렴한 진단 기술 구현이 가능하여 관련질환에 대하여 조기

감염관리를 시행할 수 있어 이로 인한 의료비용의 감소와 건강사회 구현에

이바지할 수 있을 것이다.

• 앱타머를 활용한 진단 시스템은 사용이 간편하고, 비숙련자도 손쉽게 사용할 수

있으므로 현장 진단용 (개인의원, 응급실, 중앙검사실, 보건소 등)으로 개발이

가능하다. 그 외에도 고감도 나노바이오 다중 진단 시스템 구현을 가능하게 하여

세균성 질환이외에 생물테러에 사용되는 병원 균의 신속 진단을 가능하게 할 수

있으며, 영상 진단용 프로브, 표적지향형 약물전달 시스템 개발 등 다양하게

활용될 수 있다.

• 앱타머 개발 기술을 통해 국내 연구 기술 수준이 취약한 바이오 의약품 분야에서

고효율의 분리/정제 기술을 가속화 시킴으로써 국내 바이오제약 연구기반 및 핵심

기반기술의 확보가 가능하며 세계적 수준의 바이오 신약개발 연구에 혁신적인

전환점을 제시하게 될 것이다.

• 시간과 비용을 절감하고 높은 특이성의 앱타머를 개발할 수 있는 앱타머

스크리닝 기술을 개발하게 되면 앱타머 관련 원천기술을 확보할 수 있게 되고

다양한 표적물질에 대한 고성능의 앱타머를 신속히 개발해 낼 수 있게 되어 여러

분야의 앱타머 응용 연구를 활성화시킬 수 있게 된다.

• 앱타머 개발 기술을 확립시킴으로써 치료제 개발 분야에 비해 상대적으로 실용화

연구가 이루어지지 않고 있는 앱타머 기반의 분석기기, 공정 시스템 개발 연구를

활발히 할 수 있을 것으로 기대할 수 있으며, 이 과정에서 다양한 분야로 응용

가능한 앱타머/나노 소재 관련 원천 기술들이 개발될 수 있을 것이다.

111

3.8 질량분석 기반 프로테오믹스 연구

스웨덴은 학문간의 융합 뿐 아니라 서로 다른 기관과의 공동, 협력 연구가 매우

다양하고 활발하며 바이오 의료 분야에 있어서도 대학, 연구소, 병원 간의 긴밀한 공동

연구체계를 통해 인적, 물적 자원을 공유하므로써 관련 연구를 전략적으로 수행하고

있다. 최근 스웨덴 Skåne 지역의 Lund University 에서는 MAX IV, ESS 연구소에 대한

질량 분석 시설 지원의 일환으로 CEBMMS (The Center of Excellence in Biological and

Medical Mass Spectrometry)가 창설되었고 최첨단 질량 분석 기기들이 집약되어 있다.

Biomedical Center 내에 위치하여 타 연구소, 대학 병원 등에서의 접근성이 좋으며 대학,

연구소 또는 산업계의 사용자에게도 활용 가능한 오픈 액세스 시스템 방식으로 운영되어

세계적 수준의 연구를 지원하기 위한 연구 기반시설로서 국가적인 기대를 모으고 있다.

CEBMMS 는 과학자들과 생물학적 또는 임상 연구에 필요한 최첨단 질량분석 측정을

지원하는 활동을 위한 조직으로서, 이학, 공학, 의학 등 여러 분야의 교수진과 지역

전문가로 구성된 8 명의 주요 멤버들과 50 명 이상의 스태프와 연구원이 속해 있다. 뿐만

아니라, KTH, ETH, Univ. of Madrid, NIH, Pfizer 등 외부 연구기관의 질량분석, 임상

과학 전문가들로 구성된 과학 자문단은 매년 CEBMMS 의 활동과 경과를 모니터 하고

프로그램과 연구 활동을 강화하기 위한 방향을 제시한다. CEBMMS 소속 연구진의 연구

테마는 기초 생물학부터, 약리, 단백질 구조, 또는 기술적 요소 개발 등으로 광범위하며

연구진 각자의 프로젝트는 물론, 멤버들 간의 공동 프로젝트를 통해 다학제간 융합

연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그 중에서 프로테오믹스 연구를 위한 도구로써

microfluidics 를 질량분석 기술에 응용한 융합연구 사례에 대하여 간략히 소개하고자

한다.

바이오마커는 핵산, 단백질, metabolite 등의 생체 물질로서 생명체의 생화학적, 생리적

상태에 따라 그 농도 또는 구성성분이 달라지므로 질병의 진행상태, 약물에 대한 반응

정도, 치료의 예후 등을 판단하는데 널리 이용되고 있다. 최근 프로테오믹스를 비롯한

여러 최신 기법을 이용한 암과 각종 난치병에 대한 신규 바이오마커를 발굴하는 연구가

활발하게 이루어지고 있으며, 다양한 센싱 플랫폼과 접목되어 민감하고 정확한

바이오마커 검출법의 개발 연구가 활발히 진행되고 있어 질병의 조기 진단 확률을

높이고 치료의 질을 향상시키는데 기여하고 있다.

바이오마커 연구와 프로테오믹스의 발달에 크게 기여하고 있는 MALDI-MS (matrix

assisted laser desorption/ionization mass spectrometry)는 분석 시간이 짧고 데이터 해석이

112

다른 질량분석기에 비해 용이하며, 민감도가 높아서 샘플 내 미량의 타겟 단백질의

검출과 동정이 가능한 장점이 있다. 또한 여러 바이오마커 단백질의 동시 분석, 진단이

가능하고 기기 사용과 유지 비용이 비교적 저렴하기 때문에 개발된 이후부터 현재까지도

다양한 연구에 이용되고 있다. 혈액은 대표적인 체액 샘플로서 매우 다양한 단백체들을

포함하고 있고 그 농도 또한 다이나믹하며 질병 발병과 진행과정에서 민감하게 성분이

변화하기 때문에 각종 바이오마커 관련 연구 중 가장 많은 임상 시료로 사용되고 있다.

하지만 질량분석기를 이용한 혈액 내 바이오마커 분석 시에는 혈액 샘플의 복잡성

때문에 너무 많은 질량스펙트럼이 도출되어 유의미한 질량스펙트럼의 분석이 어렵다.

따라서 혈액 내 질병 바이오마커의 탐색과 검출에 있어 중요한 첫 단계는 낮은 민감도를

극복하기 위한 샘플의 복잡성을 최소화하는 것이라고 할 수 있다.

CEBMMS 주요 연구진 중 Thomas Laurell 교수팀에서는 특정 바이오마커를 인식하는

affinity probe 를 이용한 고체상 추출법(Solid phase extraction)에 기반한 immunoaffinity-

MS 분석법을 사용하여 혼합 시료로부터 타겟 단백질들만 분리, 농축함으로써 시료 내

바이오마커 검출의 민감도를 향상시키고 있다. 항체 등의 affinity probe 가 고정된

담체와 microfluidics 칩을 이용하여 샘플 전처리부터 MALDI 분석까지의 과정이 하나의

target plate 에서 이루어 질수 있도록 고안된 ISET (integrated selective enrichment

target) 플랫폼 개발하였고 다양한 바이오마커 단백질의 검출 및 분석에 활용하고 있다

(그림 3.20).

113

그림 3.20 ISET plate

ISET plate 는 어레이 타입의 플랫폼으로서, 그 윗면에는 96 개의 nanowell(약 600nL)에

affinity probe 가 고정된 고체상 담체(마이크로비드)를 로딩할 수 있다. 각각의 nanowell

바닥에는 약 3-5 µm 직경의 구멍이 있어 각종 버퍼, MALDI matrix 등의 액체는

통과되며 이는 vacuum 으로 조절이 가능하다. 최종적으로 농축된 타겟 단백질은

matrix 와 함께 elution 되며 플레이트의 뒷면에 크리스탈을 형성한다.

또한 ISET plate 는 그 규격이 standard MALDI 타겟 플레이트와 같기 때문에 샘플

내 타겟의 캡쳐부터 contaminant 의 제거, 타겟의 농축, 트립신 처리 등의 샘플

전처리는 물론, MALDI 분석까지 한 장의 플레이트에서 이루어질 수 있어 기존의

샘플 준비 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

최근에는 바이오마커 물질 캡쳐를 위한 affinity probe 로 기존의 항체를 대신하는

핵산 앱타머를 사용하여 같은 조건에서 항체 사용 대비 100 배의 검출 민감도

향상을 확인할 수 있었는데, 이것은 항체를 이용하는 경우 트립신 등의 효소 처리

과정에서 항체가 함께 분해되어 background signal 이 발생하는 문제를 극복한

사례라고 할 수 있다. 현재까지 ISET 플랫폼을 이용한 MALDI-MS 분석 방법으로

angiotensin, prostate specific antigen, thrombin 등의 바이오마커를 임상적으로

유의미한 수준까지 검출하는데 성공하였고, high-throughput 포맷을 로보틱

프로세스에 적용하여 재조합 단백질 생산의 주요 병목 구간인 validation

단계에서의 사용 가능성 또한 검증되었다. 이와 같은 microfluidics 테크닉을

적용한 연구는 분석 시간과 비용을 절감할 수 있는 장점이 있고, 또한 바이오마커

단백질의 검출과 프로테오믹스에 기반한 단백질 패턴 분석을 통해 질병 진단

툴로써 이용이 가능하다. high-throughput 테크닉으로 다중 바이오마커의 진단이

114

수월해짐으로써 질병 진단의 정확도와 민감도가 향상될 수 있으며 이는

전세계적으로 질병의 조기진단에 대한 수요와 그에따른 사회적 비용이 증가하고

있는 추세에서 환자, 사회 모두에게 win-win 이 된다고 할 수 있다.

3.9 연어양식 산업에서 연어백신의 개발과 사용

3.9.1 배경과 목적 및 범위

우리나라 양식 수산물의 식품안전성 및 양식산업 성장의 안정성을 확보하기 위해서는

효과적이며 경제적인 어류 백신의 개발이 반드시 필요하다. 이를 위해서는 양식 기술력

및 생산력으로 세계를 이끌고 있는 노르웨이의 기술 발전 과정 및 현재 기술력에 대한

이해가 필요하다. 노르웨이 양식산업은 1970 년초부터 대서양 연어 양식을 기반으로

시작되었으며, 대규모 기업화 정책을 바탕으로 지난 40 년간 끊임없는 발전해왔다. 현재

노르웨이 양식산업 기술력 및 생산력은 세계 시장을 선도하고 있으며 2014 년 기준

연간 1 백만톤 이상의 대서양 연어를 생산하고 있다. 주요 수출지역인 유럽, 러시아 및

아시아 시장을 포함하여 전세계로 연어를 수출하고 있다 [그림 3.21].

그림 3.21 노르웨이 연어 수출 현황 (Marine harvest, 2014).

노르웨이 양식산업의 가장 두드러진 특징은 ‘ 대규모 기업화’ 이다. 주요 10 대 연어

양식기업의 연간 생산량은 노르웨이 총 생산량의 80%를 차지한다 (Marin harvest, 2014).

기업, 연구소, 정부의 협력 하에 양식기술은 아주 빠르게 발전해 왔다 (Gudding & Van

Muiswinkel, 2013). 이처럼 기업 주도하에 집약된 기술력은 현재의 노르웨이 양식산업

115

안정적인 생산력을 확보하는데 큰 역할을 하게 된다. 그 실례로 현재 연어양식 산업은

다른 어종에 비해 가장 높은 산업화 수준과 가장 낮은 수준의 산업 위험 수위 (Level of

risk)을 유지하고 있다 (Marine harvest, 2014) [그림 3.22].

그림 3.22 양식 어종 별 산업화 수준 및 위험 수위 (Marine harvest, 2014).

양식산업에서 산업 위험 수위 (Level of risk)를 줄이기 위해서는 우선적으로 물고기의

효과적인 건강 관리 (Fish health management)가 필요하다. 이를 위해서 노르웨이

양식산업에서는 물고기 질병관리 계획 (Fish health management plan), 질병 치료 계획

(Veterinary health plan), 위험요소 완화 계획 (Risk mitigation plan), 위기상황 대처방안

(Contingency plan), 소독 방법 (Disinfection procedure), 감시 계획 (Surveillance scheme)

등을 구체적이며, 체계적으로 어류질병 예방에 최선의 노력을 하고 있다 (Marine harvest,

2014).

1980 년대 이후 노르웨이 양식산업의 증가된 생산력에 따라 어류질병 또한 점차적으로

증가하였다. 효과적인 어류백신이 존재하지 않았던 1987 년에는 연간 최대 48 톤의

항생제를 사용하였다. 이후 지속적인 백신 개발 노력에 의해 Cold water vibriosis 백신

(1987 년)과 연어 절창병 (Furunculosis; 1990 년) 백신이 성공적으로 양식현장 정착

됨으로써 2007 년 기준 항생제 사용량 0.65 톤 이하로 낮추는데 성공하였다. 이 수치는

현재까지 유지되고 있다. (Midtlyng et al., 2011) [그림 3.23]. 이러한 항생제 사용량

절제의 성공은 노르웨이 양식산업 현장과 정부의 협력에 의한 결과이며, 결정적으로

1980 년 후반 가장 문제가 되던 연어 절창병 (Furunculosis)에 대한 백신이 전국적으로

보급됨으로써 이룰 수 있었던 성과였다. 이는 정부 및 대학연구소의 새로이 개발된

116

백신의 빠른 양식현장 보급 노력, 정부의 형식과 절차에 얽매이지 않고 효율적으로

현장에 적용 할 수 있는 실무행정, 양식현장에서의 연어 절창병을 이겨내고자 했던

강력한 의지의 통합적인 결과이다. 1991 년부터 1993 년까지, 단 2 년만에 연어 절창병

oil-based-adjuvant 백신의 현장 보급률은 노르웨이 전국적으로 99%에 이르렀다. 이런

산업적 성공의 경험을 바탕으로 노르웨이 양식산업 현장과 어류백신 연구기관들 간의

신뢰가 형성 되었으며, 현재까지도 양식현장, 정부 연구소, 어류백신 제약회사간 긴밀한

공조를 바탕으로 새로운 백신을 개발하고 있다 (Midtlyng et al., 2011).

그림 3.23 세균성 백신의 개발에 따른 항생제 사용량 절제 및 생산력 증대 효과 (Marine

harvest, 2014).

회유성 어류인 연어의 특성상, Smolt 시기를 지나 Growth 시기에는 연근해 가두리 (Sea-

cage) 양식을 한다 [그림 3.24]. 그러므로 백신 접종이 가능한 시기는 연근해 가두리로

이동하기 전 Smolt 시기가 적기이다. 연어 양식산업에서는 이러한 특성상, 단일 백신

접종으로 면역력을 길게 유지시켜줄 수 있는 백신의 개발이 반드시 필요하다.

결과적으로 현재 상용화 되고 있는 연어 백신은 대부분 2 세대 oil based-adjuvant

백신으로서, 일회성 접종으로 1 세대 water based 백신 보다 길고 강한 면역력을

연어에게 부여한다 [그림 3.25].

117

그림 3.24 노르웨이 연어 생산 과정 (Marine harvest, 2014).

노르웨이 양식 현장에서는 생물보안 (Biosecurity)와 질병관리 전략 (Fish health

management)을 엄격히 시행 함으로써 산업의 위험 수위 (Level of Risk)를 낮게 유지하고

이를 바탕으로 생산량 증대를 이끌었다 (Marin harvest, 2014). 더 불어 낮은 항생제

사용량을 통하여 식품안전성을 확보함으로써 우수한 연어를 전세계에 공급 할 수

있었으며 그 결과 노르웨이 연어는 현재까지 다른 어종에 비해 높은 가치를 인정받고

있다.

그림 3.25 어류 백신 기술의 발전과정 (Mitchell, H., 2007)

노르웨이 특허 사무소 (http://www.zacco.com)에 의하면 지난 20 년간 백신관련 특허출원

건수가 급격히 증가하고 있다 (Marine harvest, 2014). 최근 노르웨이 연어 양식

산업에서는 어류질병 예방을 위하여 연어 생산 초기 단계 (Smolt 시기)에 7 가지 질병에

118

대항할 수 있는 다가 백신 (multivalent vaccine)을 접종한다. 노르웨이에서 상용화 되고

있는 백신 제품을 보자면, 노르웨이 대표적인 어류 백신회사인 파막 (Pharmaq)은 현재

최대 7 가지 질병에 대응하는 다가 백신을 비롯한 다양한 백신을 양식현장에 제공하고

있다 [표 3.2]. 그 결과 다수의 세균성 질병 억제 전략에서는 괄목할 성공을 거두었지만

아직까지도 기생충성, 바이러스성 질병에 대한 대책 마련이 필요한 실정이다. 현재

대서양 연어 양식산업에서 상용화 되고 있는 백신 제품 중에서 Vibriosis, Cold water,

vibriosis, Furunculosis 백신은 효과적인 역할을 하고 있으나, Winter ulcers, ISA

(infectious salmon anaemia), IPN (infectious pancreatic necrosis), PD (pancreas disease)

백신은 아직 그 효과는 의문시 되고 있다. 또한 현재까지 대서양 연어 양식현장에 아주

큰 피해를 입히고 있는 기생충성 질병인 sea lice 를 예방할 수 있는 백신은 개발

되어지지 못하고 있다.

표 3.2 노르웨이 대표 백신 회사인 파막 (Pharmaq)에서 현재 노르웨이 연어 양식산업을

대상으로 판매 하고 있는 백신 (http://www.pharmaq.no/products)

PRODUCT NAMES VACCINE AGAINST

ALPHA JECT micro® 7 ILA Furunculosis/Vibriosis/Coldwater/vibriosis/Winter

sore/IPN/ISA

ALPHA JECT micro® 6 Furunculosis/Vibriosis/Coldwater vibriosis/Winter

sore/IPN

ALPHA JECT® 6-2 Furunculosis/Vibriosis/Coldwater vibriosis/Winter

sore/IPN

ALPHA JECT® 5-3 Furunculosis/Vibriosis/Coldwater vibriosis/Winter

sore

ALPHA JECT® 4000 Furunculosis/Vibriosis/Coldwater vibriosis

ALPHA JECT® 3000 Furunculosis/Vibriosis

ALPHA MARINE® micro 3 Vibriosis/Atypical furunculosis

ALPHA MARINE® micro 4 Vibriosis/Atypical furunculosis

Autogen Flavo AVM6 vaksine Furunculosis/Vibriosis/Coldwater vibriosis/Winter

119

sore/Flavobacteriosis

ALPHA MARINE® Vibrio Vibriosis

ALPHA DIP® ERM Salar Enteric Redmouth disease

노르웨이 연어 양식산업의 성공에는 분명히 잘 발달된 어류백신의 역할이 주요하였다.

그러나 현재 보급되어지고 있는 대부분의 백신은 불활화 주사용 백신 (inactivated

injectable vaccine)으로 복강 주사방식 (intraperitoneal injection)에 따른 접종 부위에

발생하는 염증 부작용 (side effect)에 의한 또 다른 식품안전성의 문제가 대두 되어지고

있다 (Gudding et al., 2014). 노르웨이 양식산업은 이런 부작용 문제를 해결하기 위해서는

백신 제조의 정밀함과 주사방식 아닌 침지 (immersion or dip) 또는 급이식 (oral) 백신의

개발에 노력하고 있다. 또한 노동 집약적인 주사 백신 접종 방식 보다는 노동력을 덜

필요로 하는 침지 및 급이식 백신 개발에 노력하고 있다.

오늘날 노르웨이 양식현장에서 문제시 되고 있는 대표적인 질병으로는 IPN (infectious

pancreatic necrosis), PD (pancreas disease), HSMI (heart and skeletal muscle

inflammation), ISA (infectious salmon anaemia), SRS (salmonid rickettsial septicaemia), GD

(gill disease), and Sea lice 등이 있으며 (Marine harvest, 2014), 이를 극복하기 위해서는

노르웨이 연어 양식산업에서는 효과적인 바이러스성, 기생충성 백신을 개발을 위하여

많은 투자와 노력을 하고 있다.

3.9.2 활용 및 기대효과

현재 우리나라 총 어류 양식 생산은 2012 년 기준 연간 7 만 6 천톤 (7 천 3 백억원)

규모이며 그 중 50%가 넙치가 차지하고 있다. 우리나라 양식 넙치는 제주도와 남해안

지역을 중심으로 연간 약 4 만톤이 생산되고 있으며, 우리나라 국민 1 인당 연간 수산물

소비는 약 60 kg 정도로 세계 최고의 수준이다. 질 높은 안전한 먹거리를 찾고 있는 현대

사회의 소비 성향에 맞게 수산물 안전성 확보가 무엇보다 중요하다.

현재 우리나라 넙치 양식산업에서 상용화 되고 있는 세균성 백신은 노르웨이 연어

양식산업에서 1990 년 초까지 상용화 되었던 water-based 백신이다. 한국 양식산업에서

당면과제인 식품안전성 그리고 생산력 안정화를 위해서는 효과적이며 경제적인 2 세대

oil-based 어류백신이 필요하며 이를 위해서는 우선적으로 기술적 발전이 밑받침이

되어야 한다. 또한 지속 가능한 양식산업의 발전을 위해서는 노르웨이 연어양식산업의

성공모델에 대한 이해가 필요하며, 노르웨이 연어양식산업에서의 가장 두드러진 특징 중

120

하나인 어류백신에 대한 이해가 필요할 것이다.

노르웨이 양식산업의 발전 과정을 살펴보면, 기술적 발전만으로는 백신을 산업현장에

보급한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 이를 극복하기 위하여 노르웨이 정부에서는 산업에

대한 이해를 바탕으로 지속적인 연구개발 방향 설정 및 현장 적용에 대한 구체적인

방법을 설정해 놓고 있으며 이를 통하여 효과적이고 다양한 백신을 현장에 적극적으로

적용하고 있다. 노르웨이에서는 백신 개발 초기에 빠른 정부의 결정 및 허가과정을

통하여 현장 적용에 성공함으로써 전 세계적으로 인정받는 지금의 연어 백신이

양식산업에서 널리 사용되고 있다 (Gudding & Van Muiswinkel, 2013).

정부, 산업, 연구소에서 새로운 백신 개발을 독려하고 이에 따른 부가적인 안전성 검사를

철저히 한다면, 우리나라 또한 노르웨이 연어 양식산업과 같은 어류백신 개발에 성공

이룰 수 있으리라 기대하며, 이를 바탕으로 수산물 식품안정성과 산업의 안정화를 이끌

수 있으리라 기대한다.

121

참고문헌 (Bibliography)

3.2

Berndt, A., Lee, S. Y., Ramakrishnan, C., & Deisseroth, K. (2014). Structure-guided

transformation of channelrhodopsin into a light-activated chloride channel.

Science, 344(6182), 420-424.

Cardin, J. A., Carlén, M., Meletis, K., Knoblich, U., Zhang, F., Deisseroth, K., . . .

Moore, C. I. (2009). Driving fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls

sensory responses. Nature, 459(7247), 663-667.

Deisseroth, K. (2010). Optogenetics. Nature methods, 8(1), 26-29.

Gentet, L. J. (2012). Functional diversity of supragranular GABAergic neurons in the

barrel cortex. Frontiers in neural circuits, 6.

Kvitsiani, D., Ranade, S., Hangya, B., Taniguchi, H., Huang, J., & Kepecs, A. (2013).

Distinct behavioural and network correlates of two interneuron types in

prefrontal cortex. Nature, 498(7454), 363-366.

Lewis, D. A., Hashimoto, T., & Volk, D. W. (2005). Cortical inhibitory neurons and

schizophrenia. Nature Reviews Neuroscience, 6(4), 312-324.

Méndez, P., & Bacci, A. (2011). Assortment of GABAergic plasticity in the cortical

interneuron melting pot. Neural plasticity, 2011.

Markram, H., Toledo-Rodriguez, M., Wang, Y., Gupta, A., Silberberg, G., & Wu, C.

(2004). Interneurons of the neocortical inhibitory system. Nature Reviews

Neuroscience, 5(10), 793-807.

Totah, N. K., Kim, Y. B., Homayoun, H., & Moghaddam, B. (2009). Anterior cingulate

neurons represent errors and preparatory attention within the same behavioral

sequence. The Journal of Neuroscience, 29(20), 6418-6426.

Voigts, J., Siegle, J. H., Pritchett, D. L., & Moore, C. I. (2013). The flexDrive: an ultra-

light implant for optical control and highly parallel chronic recording of neuronal

ensembles in freely moving mice. Frontiers in systems neuroscience, 7.

Womelsdorf, T., Fries, P., Mitra, P. P., & Desimone, R. (2006). Gamma-band

synchronization in visual cortex predicts speed of change detection. Nature,

122

439(7077), 733-736.

Zeng, H., & Madisen, L. (2012). Mouse transgenic approaches in optogenetics. Progress

in brain research, 196, 193.

3.3

Jakobsen, K. (2015). Exosomal proteins as potential diagnostic markers in advanced non-

small cell lung carcinoma. Journal of Extracellular Vesicles, 26659.

Sheke, G. (2014). Importance of exosome depletion protocols to eliminate functional and

RNA-containing extracellular vesicles from fetal bovine serum. Journal of

Extracellular Vesicles, 24783.

Stahl, A. (2015). A novel mechanism of bacterial toxin transfer within host blood cell-

derived microvesicles. PLoS Pathogens, e1004619.

Théry, C. (2002). Exosomes: composition, biogenesis and function. Nature Reviews

Immunology , 569-579.

Valadi, H. (2007). Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel

mechanism of genetic exchange between cells. Nature Cell Biology, 654-659.

3.4 Borodina, I., & Nielsen, J. (2014). Advances in metabolic engineering of yeast

Saccharomyces cerevisiae for production of chemicals. Biotechnology Journal,

609-620.

Cankar, K., Jongedijk, E., Klompmaker, M., Majdic, T., Mumm, R., Bouwmeester, H., et

al. (2015). Engineering triterpene metabolism in tobacco. 180-189.

Farhi, M., Marhevka, E., Ben-Ari, J., Algamas-Dimantov, A., Liang, Z., Zeevi, V., et al.

(2011). Generation of the potent anti-malarial drug artemisinin in tobacco. Nature

Biotechnology, 1072-1079.

Hendrawati, O., Woerdenbag, H. J., Hille, J., & Kayser, O. (2012). Metabolic Engineering

of Medicinal Plants and Microorganisms for the Production of Natural Products.

Weinheim: s.n.

Pateraki, I., Heskes, A., & Hamberger, B. (2015). Cytochromes P450 for Terpene

123

Functionalisation and Metabolic Engineering. In Advances in Biochemical

Engineering/Biotechnology.

Théry, C. (2002). Exosomes: composition, biogenesis and function. Nature Reviews

Immunology, 569-579.

Tippmann, S., Chen, Y., Siewers, V., & Nielsen, J. (2013). From flavors and

pharmeuticals to advanced biofuels: Production of isoprenoids in Saccharomyces

cerevisiae. Biotechnology Journal, 1435–1444.

Wohl, M. (2011). The Best Book Ever. New York: Blue Moon Publishing.

Wu, S., Jiang, Z., Kempinski, C., Nybo, S. E., Husodo, S., Williams, R., et al. (2012).

Engineering triterpene metabolism in tobacco. Planta, 867-877.

Zhou, Y. J., Buijs, N. A., Siewers, V., & Nielsen, J. (2014). Fatty Acid-Derived Biofuels

and Chemicals Production in Saccharomyces cerevisiae. Frontiers in

Bioengineering and Biotechnology, 1-6.

3.5

Bräutigam, K., Vining, K.J., Lafon-Placette, C., Fossdal, C.G., Mirouze, M., Marcos, J.G.,

Fluch, S., Fraga, M.F., Guevara, M.Á., Abarca, D., Johnsen, Ø., Maury, S., Strauss,

S.H., Campbell, M.M., Rohde, A., Díaz-Sala, C., and Cervera, M.-T. (2013).

Epigenetic regulation of adaptive responses of forest tree species to the

environment. Ecology and Evolution 3, 399-415. doi: 10.1002/ece3.461.

Davis, M.B., and Shaw, R.G. (2001). Range shifts and adaptive responses to Quaternary

climate change. Science 292, 673-679.

Johnsen, Ø., Dæhlen, O.G., Østreng, G., and Skrøppa, T. (2005a). Daylength and

temperature during seed production interactively affect adaptive performance of

Picea abies progenies. New Phytologist 168, 589-596.

Johnsen, Ø., Fossdal, C.G., Nagy, N., Mølmann, J., Dæhlen, O., and Skrøppa, T. (2005b).

Climatic adaptation in Picea abies progenies is affected by the temperature

during zygotic embryogenesis and seed maturation. Plant, Cell & Environment 28,

1090-1102.

Johnsen, Ø., Skrøppa, T., Junttila, O., and Dæhlen, O. (1996). Influence of the female

124

flowering environment on autumn frost-hardiness of Picea abies progenies.

Theoretical and Applied Genetics 92, 797-802.

Kvaalen, H., and Johnsen, Ø. (2008). Timing of bud set in Picea abies is regulated by a

memory of temperature during zygotic and somatic embryogenesis. New

Phytologist 177, 49-59. doi: 10.1111/j.1469-8137.2007.02222.x.

Lee, Y., Alexander, D., Wulff, J., and Olsen, J. (2014). Changes in metabolite profiles in

Norway spruce shoot tips during short-day induced winter bud development and

long-day induced bud flush. Metabolomics 10, 842-858. doi: 10.1007/s11306-014-

0646-x.

Lee, Y., Derbyshire, P., Knox, J.P., and Hvoslef-Eide, A.K. (2008). Sequential cell wall

transformations in response to the induction of a pedicel abscission event in

Euphorbia pulcherrima (poinsettia). The Plant Journal 54, 993-1003. doi:

10.1111/j.1365-313X.2008.03456.x.

Nystedt, B., Street, N.R., Wetterbom, A., Zuccolo, A., Lin, Y.-C., Scofield, D.G., Vezzi, F.,

Delhomme, N., Giacomello, S., Alexeyenko, A., Vicedomini, R., Sahlin, K.,

Sherwood, E., Elfstrand, M., Gramzow, L., Holmberg, K., Hallman, J., Keech, O.,

Klasson, L., Koriabine, M., Kucukoglu, M., Kaller, M., Luthman, J., Lysholm, F.,

Niittyla, T., Olson, A., Rilakovic, N., Ritland, C., Rossello, J.A., Sena, J., Svensson,

T., Talavera-Lopez, C., Theiszen, G., Tuominen, H., Vanneste, K., Wu, Z.-Q.,

Zhang, B., Zerbe, P., Arvestad, L., Bhalerao, R., Bohlmann, J., Bousquet, J.,

Garcia Gil, R., Hvidsten, T.R., De Jong, P., Mackay, J., Morgante, M., Ritland, K.,

Sundberg, B., Lee Thompson, S., Van De Peer, Y., Andersson, B., Nilsson, O.,

Ingvarsson, P.K., Lundeberg, J., and Jansson, S. (2013). The Norway spruce

genome sequence and conifer genome evolution. Nature 497, 579-584. doi:

10.1038/nature12211

http://www.nature.com/nature/journal/v497/n7451/abs/nature12211.html#supplementa

ry-informatio

Santamaría, M.E., Rodríguez, R., Cañal, M.J., and Toorop, P.E. (2011). Transcriptome

analysis of chestnut (Castanea sativa) tree buds suggests a putative role for

epigenetic control of bud dormancy. Annals of Botany 108, 485-498. doi:

10.1093/aob/mcr185.

125

Webber, J., Ott, P., Owens, J., and Binder, W. (2005). Elevated temperature during

reproductive development affects cone traits and progeny performance in Picea

glauca× engelmannii complex. Tree physiology 25, 1219-1227.

Yakovlev, I., Lee, Y., Rotter, B., Olsen, J., Skrøppa, T., Johnsen, Ø., and Fossdal, C.

(2014). Temperature-dependent differential transcriptomes during formation of an

epigenetic memory in Norway spruce embryogenesis. Tree Genetics & Genomes

10, 355-366. doi: 10.1007/s11295-013-0691-z.

Pollution Control Act (Forurensningsloven), 1981. LOV-1981-03-13-6.

http://www.regjeringen.no/en/doc/Laws/Acts/Pollution-Control- 267

Act.html?id=171893

3.8

Su Jin, L. (2014). Aptamer/ISET-MS: A New Affinity-Based MALDI Technique for

Improved Detection of Biomarkers, Analytical Chemistry

Belinda A. (2012). Miniaturized and Automated High-Throughput Verification of Proteins

in the ISET Platform with MALDI MS, Analytical Chemistry

Sparbier, K. et al (2009). Immuno-MALDI-TOF MS: new perspectives for clinical

application of mass spectrometry, Proteomics

CEBMMS (2014). CEBMMS Annual report 2014, Lund University

백융기 외 (2008). 프로테오믹스 최신연구동향

한국바이오협회 바이오경제연구센터 (2010). Personalized medicine 의 실현을 위한

biomarker.

3.9

Gudding, R. & Van Muiswinkel, W. B. (2013). A history of fish vaccination Science-

based disease prevention in aquaculture. Fish & Shellfish Immunology 35, 1683-

1688.

Gudding, R., Lillehaug, A., Evensen O. (2014). Fish Vaccination. Oxford: John

Wiley & Son Ltd.

Marine harvest (2014). Salmon Farming Industry Handbook.

126

Midtlyng, P. J. et., al. (2011). What has been done to minimize the use of antibacterial

and antiparasitic drugs in Norwegian aquaculture?. Aquaculture Research 42, 28-

34.

Mitchell, H. (2007). Fish vaccines and comparisons betweeen killed and attenuated

methods. Novatis animal health.

127

4 장. Energy 환경 기술분야

4.1 에너지 기술개발 개요 및 현황

1967 년 Ekofisk 해저유전을 발견한 이후로 노르웨이는 현재 세계적인 산유국으로 발돋움

하였다. 특히 노르웨이는 러시아에 이어 2 번째로 많은 양의 천연가스를 유럽에 공급하는

등 에너지 안보에 있어 매우 중요한 역할을 담당하고 있으며, 자연적으로 대부분의

에너지 기술개발은 원유생산 및 처리기술에 집중되어 있다. 특히 노르웨이의 모든

유전은 해저에 위치하고 있기에 노르웨이의 에너지 기술은 바다와도 밀접하게 연관되어

발전되어 왔다.

육상에서 원유를 생산하는 것과는 다르게 해상에서의 생산은 기본적으로 더 많은 비용을

요구로 한다. 특히나 심해에 위치한 유전의 개발의 경우, 기존의 고정식 혹은 부유식

해상플랫폼 사용시 생산비용이 크게 증가하게 된다. 하지만 아래 그림 4.1 에서 나타나듯

개발이 용이한 육상에 위치한 유전의 발견은 이미 그 한계에 도달했기에 해저유전의

개발은 세계적으로도 피할 수 없는 문제가 되어왔다. 따라서 해저유전 개발에 따른

비용증가의 최소화를 목적으로 노르웨이는 1980 년대부터 해상플랫폼이 아닌 해저에

원유 생산설비를 놓고자 하는 노력을 해왔다.

그림 4.1 석유생산 트렌드 (Infield Systems, 2013)

이런 기술을 통칭하여 서브시 프로세싱(Subsea Processing)이라 하며 현재까지

노르웨이가 세계적으로 그 기술개발을 주도해오고 있다. 일례로 노르웨이에서 수출하는

128

석유 및 천연가스의 50% 이상이 서브시 시스템으로부터 생산되고 있다. 따라서 본

절에서는 서브시 및 LNG 기술을 바탕으로 에너지 기술 개발에 대한 흐름을 소개한다.

4.2 서브시 프로세싱 (Subsea Processing)

최근 육상 및 근해에서의 대형유전의 발견은 이미 그 한계에 도달해 있기 때문에,

지상에서 멀리 떨어진 심해에서의 유전발전이 주를 이루고 있다. 이로 인해 현재 유전

개발의 세계 트렌드는 심해에서의 유전 탐사 및 생산활동으로 많이 옮겨간 상태이다.

특히 심해유전의 경우 유전 압력의 저하, 원유의 액체와 기체의 비율 변화, 높은 수압 및

플로우 어슈런스 (Flow assurance) 문제 등으로 인하여 기존의 석유 생산 방법으론 그

개발 가치가 많이 떨어지게 된다. 그 결과, 서브시 프로세싱을 통한 심해유전의 경제적

개발이 그 대안으로 급 부상하게 되었다.

현재까지 다양한 서브시 기술이 원유회수율 증가 및 생산비용 감소를 위해 개발되어

왔으며, 실제 여러 유전개발에 적용되어 그 가능성을 보여주고 있다. 서브시 프로세싱은

넓은 범위에서 해저에서 이루어지는 원유의 처리로 정의되며 크게 아래의 세 분야가

가장 큰 관심을 받고 있다.

· 서브시 다상펌핑 (Multiphase pumping)

· 서브시 상분리 (Subsea Separation)

· 서브시 가스압축 (Subsea Gas compression)

전체 유전개발의 한 부분으로 서브시 프로세싱을 적용함으로써 얻을 수 있는 장점은

해상플랫폼 및 이와 연관된 파이프라인의 감소로 인한 유전개발의 투자비용 감소,

원유의 생산량 및 회수율 증가. 심해저 유전 및 유정간 거리가 매우 먼 유전의 개발

현실화, 서브시 상 분리를 통한 원유 안의 수분 제거로 서브시 파이프라인에서의 가스

하이드레이트 생성 방지, 환경오염 감소 등이 있다. 다음 절에서는 이런 서브시

프로세싱의 주된 부분인 서브시 다상펌핑, 서브시 상분리 및 서브시 가스압축에 대하여

상세히 알아본다.

4.2.1 서브시 다상펌프 (Subsea Multiphase Pump)

서브시 프로세싱의 시작단계로 행해진 것이 서브시 다상펌프를 통한 서브시 부스팅

기술이다. 서브시 부스팅 기술은 특히 서브시 프로세싱 중에서도 가장 발전되고 안정화

129

된 기술이다. 서브시 펌프는 1990 년대 중반부터 해저 유전 개발에 배치되어 전세계

15 개가 넘는 유전에서 그 기술력을 검증 받고 있으며, 펌핑을 통한 유정에서 매니폴드나

해상플랫폼까지의 거리는 1~10km 에 이르고 수심은 최대 950m 지점에 까지 설치되어

있다. (O.F. JahnsenM., 2011).

펌프는 본래 액체의 압력을 높이는 용도로 사용되지만, 서브시 다상펌프를 통해

액체상태의 석유뿐만이 아니라 기체상태의 가스도 포함한 다상의 원유를 압축하여

유전의 생산성과 원유 회수율을 높일 수 있게 된다. 대부분의 원유 생산 정체기에

접어든 유전들의 경우, 각각의 유정들은 웰헤드 압력 (Flowing wellhead pressure) 이나

워터 컷 (water cut) 의 변화가 일정하지 않고 서로 다른 방향성을 보이게 되어 생산성에

차질이 발생하게 된다. 이런 문제들을 해결하기 위해 전통적으로 행해져 왔던

방법들에는 다음이 있다.

• 해저 유정들이 연결되어있는 매니폴드(Manifold)나 해상플랫폼의 1 번째 상분리기의

압력을 가장 낮은 압력을 가진 유정에 맞추어 감압, 원유 생산량 감소.

• 낮은 압력을 가진 유정들을 연결하는 독립된 매니폴드를 설치하여 해상플랫폼의

2 번째 상분리기에 연결.

• 해상플랫폼에 유전의 압력을 유지하기 위한 추가적인 장비 설치.

하지만 위 방법들은 생산시스템의 큰 수정을 요구하거나 원유생산량을 크게 낮추게 되는

한계가 존재한다. 그 대안으로 고려되는 것이 서브시 다상펌프이며 그 장점은 아래와

같다.

• 웰헤드 압력을 낮추어 원유 생산량 및 회수율 증가

• 워터 컷의 증가로 인한 라이저를 통해 해상플랫폼으로 전달되는 원유의 무게 감소

• 유전의 원유 생산 안정기 유지

• 유전의 수명 증가로 인한 유전개발 경제성 향상

• 파이프라인의 크기 감소

• 저압인 유정의 압력을 증가시켜 매니폴드나 상분리기를 고압으로 유지

130

그림 4.2 서브시 다상펌프로 인한 생산량 증가 (Framo Engineering)

이런 서브시 펌프 분야에서 노르웨이 중심의 다국적 기업인 OneSubsea (구 Framo

Engineering) 가 그 기술을 주도하고 있으며, 1985 년부터 원유를 대상으로 하는

다상펌프를 개발해 왔다. 서브시 다상펌프의 기초가 되어왔던 기술로는 유정의 다운홀

(downhole) 펌핑 기술과 노르웨이 석유회사인 Statoil 및 프랑스의 IFP 와 Total 이 개발하고

Framo Engineering 사가 라이센싱 한 포세이돈 헬리코 액시얼 임펠러 (Poseidon helico-

axial impeller) 기술이 있다.

헬리코 액시얼 다상 펌프는 원유와 가스를 동시에 압축이 가능한 로터다이나믹 펌프로

흡입구 기준 최대 90%의 가스부피(Gas volume fraction)를 가진 유체까지도 압축이

가능하며, 최대 3000psi 까지 가압할 수 있다. 이런 헬리코 액시얼 다상 펌프의 주된

특징은 다음과 같다.

• 단순한 설계, 시공 및 운영.

• 유압이나 가스터빈이 아닌 모터를 통한 직접구동으로 운전조건 변화에 안정적이고

즉각적 대응 가능하며 기자재의 크기가 작음.

• 높은 신뢰도와 가용성을 가진 재료를 사용하기에 부식, 침식 등에 잘 견디며

원유에 모래가 포함되어도 성능저하가 적음.

• 유동 혼합기를 통해 일정한 입구 유동 조건을 가질 수 있기 때문에 유동의 유형에

관계없이 일정한 성능을 발휘하며 안정적인 펌프 작동이 가능함.

• 하나의 펌프가 여러 유정을 담당할 수 있어 유전 개발에 유연성을 부여.

131

그림 4.3 헬리컬 액시얼 다상펌프의 내부구조 (Framo Engineering)

서브시 다상펌프는 1994 년 노르웨이 북해에 위치한 Draugen 유전개발을 주도한 Noske

Shell 에 의해 최초로 투입되어 약 1 년간 시운전에 성공하였으나, 실제 장기 운전을

목적으로 투입되기까지 3 년이 더 필요하였다. 서브시 다상펌프의 기술수준이 충분히

발전된 후, 1997 년 Statoil 은 5 대의 전기 구동 서브시 다상펌프를 남중국해 Lufeng

유전에 투입하였다 (표 4.1 참고). 이 다상펌프들은 2009 년까지 단 한번의 고장 없이

운영되었고, 총 5 천만 배럴 이상의 원유를 생산하였다. 특히 이 Lufeng 유전은 오직

하루에 2,000 배럴만 생산 가능했고 그 수명도 3 년으로 예상되었으나, 서브시 다상펌프의

설치로 인해 생산량은 하루 10,000 배럴로 5 배 가량 증가하였으며 2011 년까지

유전수명을 유지할 수 있었다 (MarjohanRudisham, 2014). 이후에도 Statoil 은 꾸준히

서브시 다상펌프를 설치하여 현재 노르웨이의 Tordis 및 Tyrihans 유전 등 세계 각지에서

사용되고 있다.

하지만 헬리컬 액시얼 다상펌프는 점성이 높은 유체에 대해선 낮은 효율을 보여주어

중질원유의 다상압축에는 사용되기 힘들며 원유의 유량이 낮을 경우 운전이

불안정해지는 경향이 있다. 또한 낮은 흡입압력 조건하에선 사용하기 어려운 문제들이

있기 때문에 노르웨이의 여러 회사들이 이의 개선에 집중하고 있다 (HuaGong,

FalconeGioia, TeodoriuCatalin, MorrisonGerald, 2012).

표 4.1 Lufeng 유전의 서브시 다상펌프 사양 (Statoil)

Parameter Design

Total flow rate at suction conditions 130 m3/hr

Gas volume fraction (GVF) 1-2 %

Suction pressure 10 bar

Pump differential pressure 35 bar

Speed 0-3600 rpm

132

4.2.2 서브시 상분리기 (Subsea Separator)

서브시 부스팅이 안정화에 접어들자 다음으로 시도된 것이 서브시 다상분리이다. 이는

주로 서브시 다상펌프와 함께 구성이 되는데, 이는 다상의 상태인 원유(석유 및 가스

혼합물)을 압축하는 것보다 해저에 위치한 다상분리기로 분리된 액체상태의 원유만

압축함으로써 펌프의 효율을 크게 높일 수 있게 된다. 유전에서부터 오는 원유에는

다량의 물도 포함되어 있는데 이를 해상플랫폼까지 바로 운송하기보다 서브시

다상분리기로 물을 제거하여 무게 및 부피를 감소시킴으로써 더욱 효율적 이송이

가능하게 된다. 그러므로 서브시 상분리는 서브시 부스팅과 함께 원유생산량, 회수율,

유전수명 등을 증가시키 유전개발 프로젝트의 경제성을 향상시킨다.

특히 해저가스전에서 해상플랫폼이 아닌 육상플랜트로 바로 연결하는 형태(Subsea to

onshore)의 가스전 개발 시 사용되는 서브시 가스 압축기(Subsea gas compressor)에

있어서 반드시 포함되어야 하는 기자재이다. 서브시 상분리기는 원유를 상분리하여

건식가스만을 서브시 가스 압축기로 보내 가압시켜 가스를 해저에서 육상까지

파이프라인을 통해 이송 가능케 한다. 대표적인 사례로는 Ormen Lange 와 Åsgard 유전

개발프로젝트가 있다 (DaviesS., BakkeW., RambergR,, JensenR., 2010). 서브시

컴프레서에 대해선 다음 절에서 상세히 다루어진다.

서브시 상분리는 또한 플로우 어슈런스(Flow assurance)를 달성하는데 있어 비용대비

효과가 매우 뛰어난 방법 중 하나이다. 서브시 가스-액체 상분리기의 경우 감압을 통해

가스 하이드레이트(Hydrate) 생성을 방지할 수 있으며, 가스에 포함되어 있는 수분의

함량을 줄일 수 있기 때문에 하이드레이트 방지를 위해 가스라인에 투입되던

글라이콜(Glycol)의 양을 상당부분 줄일 수 있게 된다 (Di SilvestroR., 외., 2011). 특히

이런 장점은 심해유전의 개발을 가능케 하는 원동력 중 하나로 손꼽히고 있다. 서브시

상분리를 통해 분리된 가스와 액체는 해상 플랫폼의 원유처리 능력 및 동력의 상황을

고려하여 각각 다른 플랫폼으로 보낼 수 있으며, 이는 유전 개발 및 원유생산의

유연성을 부가한다 (DaviesS., BakkeW., RambergR,, JensenR., 2010).

앞서 언급되었듯이 서브시 상분리는 심해 혹은 극지방 등에 위치한 지금까지 개발하기에

비 경제적이었던 유전들을 사업성이 있는 유전으로 탈바꿈 시킬 수 있는 가능성을

가지고 있으나 수심이 깊어지면 여러 문제점들이 발생한다. 일례로 비교적 얕은 깊이인

수심 210m 에 위치한 Tordis 유전의 서브시 상분리기는 지름이 2.1m, 길이는 17m 에

육박한다. 심해의 경우 결국 그 크기 때문에 설치가 매우 힘들어지며, 과도한 상분리기의

쉘(Shell)의 두께가 필요하게 되어 경제성 및 제작성을 해치는 등 여러 제약이 따르게

133

된다. 수심 2000m 깊이에 설치된 작동압력 180bar 를 가진 Tordis 유전의 서브시

상분리기의 경우, 상분리기의 쉘의 두께는 110mm 에 이른다. 이외에도 대형 서브시

상분리기의 유지 보수의 경우, 서브시 공사 시 전문적으로 사용되는 선박이 이용되어야

하여 비용 및 시간적으로 큰 손실이 생기게 된다. 하지만 단순히 상분리기의 크기를

줄이게 되면 상분리의 효율이 떨어져 오일 & 가스 생산에 영향을 미치게 되므로

근본적인 해결책이 될 수 없다. 이로 인해 소형이면서도 높은 효율을 가지는 상분리기

개발이 많은 관심을 끌게 되었다.

이런 소형 상분리기 (Compact separator)의 기술개발은 Statoil 에서부터 시작되었다.

Statoil 은 1997 년 북해 Statfjord 유전의 해상 플랫폼에서 염수와 함께 불안정한 플레어

가스가 파이프라인에 강력한 진동을 발생시키는 것을 발견하곤 이 둘의 상분리를

생각하였으나 해상 플랫폼의 한정된 공간으로 큰 크기를 가지는 일반적인 상분리기를

설치할 수 없었다. 이후 파이프 형식의 소형 상분리기를 고안하여 2003 년 Statfjord B

플랫폼에 설치, 문제를 해결할 수 있었다 (StanbridgeD.,, 2001). 이 가스-액체 상분리기를

인라인 상분리기(inline separator)라 불리며 1998 년부터 Statoil 과 CDS Separation

Technology (FMC Technologies 자회사)가 개발해오고 있다. 액체-액체 상분리기의 경우,

원유 안의 석유와 물의 연속적인 상분리를 목표로 Caltec 과 CDS Separation

Technology 가 개발하고 있다. 이 두 소형 상분리 기술은 경우에 따라 같이

사용되어지기도 하며 대표적으로 노르웨이 Gullfaks 유전에서 압력강하 최적화를 위해

쓰였다.

그림 4.4 Gullfaks 유전에 사용 된 가스-액체 및 액체-액체 상분리기 (KnudsenB., 외.,

2010)

소형 상분리 기술은 기존의 기술에 비해 공간을 적게 차지하며 그 무게 또한 덜

134

나간다는 장점 이외에도, 설계 기준에 따라 압력안전밸브(Pressure safety valve)를

설치하지 않아도 된다는 점은 서브시 상분리기 설치의 복잡성과 비용을 크게

감소시켜준다. 이런 소형 상분리 기술은 그림 4.5 에서 보여지듯 파이프 안에 상분리기를

설치하는 방식으로 구현될 수 있었으며 Phase Splitter 로 불린다 (CDS Separation

Technology). 이 소형 가스-액체 상분리기는 직렬 유닛으로 구성되어 있으며 가스-액체

혼합물은 혼합기를 통해 가스를 기포상태로 액체 안에 균등하게 분배한다. 그 후 와류

발생장치(Swirl element)가 이 유체를 선회시켜 가스는 사이클론의 중심에 모이게 되고

액체는 파이프의 내벽에 필름의 형태로 회전하며 흐르게 된다. 이렇게 중심에 모인

가스는 회수되며 이후 반 와류 발생장치(Anti-swirl element)에 의해 남겨진 액체는

회전을 멈추게 된다. 특히 이 기술은 높은 상분리 효율을 가지며 넓은 범위의 액체 혹은

가스유량을 다룰 수 있다.

그림 4.5 가스-액체 상분리기의 구조 (KnudsenB., 외., 2010)

하지만 와류가 낮은 유량에선 형성되기 어려우며, 완전히 혼합된 균질의 유입유체를

필요로 하는 등 해저에는 활발히 활용되지 못하고 있다. 현재까지 서브시 상분리기로는

전통적 방식인 중력 상분리기가 주로 설치되고 있으며, 2001 년 세계최초로 Statoil 이

Troll 유전 개발에 원유에 함유된 물을 제거하기 위해 투입하였고 그 사양과 구성은 표

4.2 및 그림 4.6 과 같다. 이후 2007 년 노르웨이 Tordis 유전에 서브시 다상펌프와 같이

설치되었으며, 서브시 압축기 전단에서 가스에 함유된 수분을 줄이기

위해 Åsgard 와 Ormen Lange 유전에 각각 설치되어있다.

135

표 4.2 Troll 유전의 서브시 상분리기 사양 (Statoil)

Parameter Design

Size 17x17x8 m

Weight 350 tons

Water Depth 300 m

Design Pressure 150 bar

그림 4.6 Troll 유전의 서브시 상분리 레이아웃 (DenneyDennis, 2000)

4.2.3 서브시 컴프레서 (Subsea Compressor)

가장 최신의 서브시 기술로는 서브시 컴프레서가 있다. 서브시 다상펌프가 주로

석유생산 유전을 바탕으로 했다면, 서브시 컴프레서는 주로 가스생산 유전을 목적으로

한다. 서브시 다상펌프와 유사하게 서브시 컴프레서 사용시 유전의 생산성, 원유회수율,

수명 등을 증가시킬 수 있다. 또한 서브시 컴프레서를 통해 압축된 가스는 파이프라인을

거쳐 바로 지상으로 이송 가능하기 때문에, 이는 고비용의 해상 플랫폼의 사용을

피함으로써 유전개발의 경제성을 크게 향상 시킨다. 서브시 가스압축에는 크게 2 가지로

서브시 상분리기를 통해 유정유체에서 가스만을 분리 후 압축하는 서브시 가스

컴프레서와 별다른 선처리 없이 가스와 액체의 혼합물인 유정유체를 바로 압축하는

서브시 습성가스 컴프레서(Subsea wet gas compressor)가 있다. 여기서 습성가스라 함은

부피 기준으로 5%이하의 액체를 포함한 가스를 말한다. 특히 서브시 습성가스

컴프레서는 전처리 과정에 의존하지 않아도 된다는 점 때문에 향후 심해 가스전 개발에

있어 핵심이 되는 기술로 고려되고 있다.

서브시 습성가스 컴프레서는 액시얼 카운터 로테이팅 (Axial counter rotating) 기술을

기반으로 하여 OneSubsea (구 Framo Engineering)에 의해 개발되었으며 Staoil 과의

136

협력으로 그 기술을 발전시키고 있다. 대표적인 모델로는 WGC2000 (용량: 1400 Am3/h,

출력: 3.6 MW)과 WGC 4000(용량: 6000 Am3/h, 출력: 5.0 MW)이 있다. 이 습성가스

컴프레서는 유정유체의 전처리 없이 액체의 부피비가 10%에 이르는 유체도 압축할 수

있게 제작되어있다. 또한 위쪽과 아래쪽 2 개의 로터를 가지며 유압부는 중심에 위치해

있다. 이 컴프레서는 주로 수직으로 세워져 작동을 하며, 각 샤프트 끝에 전기모터가

부착되어 구동된다 (그림 4.7).

서브시 습성가스 컴프레서는 카운터 로테이팅 원리로 인해 기체 및 액체의 다상으로

구성된 유정유체를 고르게 섞으며, 컴프레서의 냉각에도 큰 효과를 발휘하게 된다. 이런

두 효과로 인해 습성가스 컴프레서는 액체가 섞인 가스를 압축함에도 높은 가압을

가능케 한다 (HjelmelandMads, OlsenArne, MarjohanRudi, 2012).

그림 4.7 습성가스 컴프레서 (WGC 2000)의 구조(좌) 및 WGC 4000 의 외관(우)

(BrenneLars, BjørgeTor, BakkenLars, HundseidØyvind, 2008)

또 다른 서브시 습성가스 컴프레서의 장점은 서지(Surge)현상을 억제한다는 것이다.

서지현상은 컴프레서를 설계할 때 필수적으로 고려되어야 할 현상으로 서지현상 방지를

위해 부가적인 기자재들이 필요하게 되며 컴프레서의 운전제어 또한 요구된다. 하지만

이런 서브시 습성가스 컴프레서의 특징 덕분에 서지방지설비로 인한 서브시 프로세스와

제어 시스템의 복잡성 증가를 피할 수 있었다. 서지 방지장치를 설치한다고 해도 이는

가스유량의 측정을 기초로 하여 제어되는데 습성가스 컴프레서를 통과하는 다상유체의

경우 정확한 측정이 힘들기에 액시얼 카운터 로테이팅 컴프레서는 습성가스 압축에 매우

137

적합하다 할 수 있다. 또한 이 컴프레서의 임펠러는 상분리 및 경계층 분리를 방지하기

때문에 자연적으로 서지현상이 방지되게 된다.

이 컴프레서는 그림 4.8 에 나와있듯이 크게 상부 전기모터, 컴프레서, 하부 전기모터

3 부분으로 나뉘게 된다. 샤프트는 래디얼 및 액시얼 동압유체베어링(Radial and axial

hydrodynamic bearing)으로 지지되며, 틸트패드 스러스트 베어링 (Tilt pad thrust

bearing)이 두 모터 및 컴프레서에 설치된다. 내부적으로는 가압 기계 실(Seal)이

사용되었다. 컴프레서에 필요한 유압은 내부 임펠러를 통해 자체적으로 공급되며 오직

오일을 보충하기 위해서만 해상플랫폼에 위치한 유압 유닛(Hydraulic power unit)의

보조를 받는다.

그림 4.8 습식가스 컴프레서 단면도. 상부모터(좌), 컴프레서(중앙), 하부모터(우)

(HjelmelandMads, OlsenArne, MarjohanRudi, 2012)

가스를 압축하게 되면 가스의 온도는 크게 증가하게 되어 항상 컴프레서 후단에

냉각기를 필요로 한다. 서브시 습식가스 컴프레서도 이와 마찬가지로 플로우 어슈런스

(Flow assurance) 문제를 피하기 위해 높은 온도를 가지는 컴프레서 후단의 유체를

냉각기를 사용하여 식혀야 한다. 서브시 습식가스 컴프레서에 쓰이는 냉각기는 그림

4.9 에서 소개되어 있듯이 인라인 형식으로 자연대류냉각을 기반으로 한다.

138

그림 4.9 서브시 습식가스 컴프레서를 위한 냉각기 (Framo Engineering)

이런 서브시 습성가스 컴프레서의 경우 파일럿테스트를 마치고 2015 년 중

노르웨이 Gullfaks 필드에 세계최초로 설치될 예정이다. 서브시 가스 컴프레서는 이미

Statoil 주도하에 세계최초로 2014 년 노르웨이 Åsgard 유전에 설치 및 운영을 시작하였다.

서브시 습성가스 컴프레서와 달리 Åsgard 유전에 사용된 컴프레서는 가스 단상

컴프레서이며 설계 및 시공은 노르웨이 엔지니어링 회사인 AkerSolutions 에 의해

행해졌다. 상세한 사양은 표 4.3 와 같다.

표 4.3 Åsgard 유전의 서브시 가스 컴프레서 사양 (AkerSolutions)

Parameter Design

Module Size 75m x 45m x 20m

Weight 5063 ton

Water Depth 300 m

Power 2 x 11.5 MW

Flow Rate 21 MSm3/d (Max 24 MSm

3/d)

위 사양 표에서 볼 수 있듯이 서브시 컴프레서 모듈은 매우 큰 크기를 가지며 다양한

기자재로 구성되어 매우 복잡한 시스템을 구성한다(그림 4.10 참고). 서브시 습식가스

컴프레서의 경우 서브시 상분리기의 제외 혹은 최소화로 그 모듈의 크기가 조금 더

작아지나 크게 차이 나는 수준은 아니며, 업계에서는 이런 대형의 서브시 컴프레서

모듈을 소형화 및 단순화에 초점을 맞추고 있다. 특히 습성가스 컴프레서의 경우 다상의

압축으로 인한 상대적으로 낮은 압축기 효율의 향상에 집중이 되는 상황이다.

139

그림 4.10 서브시 가스 컴프레서 시스템 구성 (Aker Solutions)

140

4.3 다상유동 기술 (Multiphase Flow Technology)

서브시 프로세싱에 있어서 가장 핵심적인 기술 중 하나는 다상유동의 거동 해석이다.

유전에서 생산된 물질은 다상의 오일 및 가스로 구성되어있기에 단상의 경우와는 다르게

파이프라인을 통한 이송 시 발생하는 압력감소의 정확한 계산이 매우 어렵다. 이는

원유생산 시스템 구성 시 핵심이 되는 정보로 특히 해상플랫폼 혹은 육상까지 다상의

원유(석유 및 가스 등)를 장거리 이송시키기 위해서는 정확한 값의 예측을 필요로 한다.

또한 이송되는 중 파이프의 경사진 곳에서의 액체 누적으로 인한 슬러그(Slug) 발생

등으로 인해 연결된 기자재에 큰 피해를 야기할 수 있기에, 다상유동의 정확한 모델링이

요구된다. 노르웨이는 1980 년대부터 서브시 시스템과 함께 많은 역량을 다상유동

모델링에 집중하였고, 그 결과로 세계적인 프로그램인 OLGA 와 LEDAFLOW 등을

개발하였다.

Statoil 과 함께 노르웨이 연구기관 중 하나인 Institute for Energy Technology (IFE)는

1980 년 OLGA 의 첫 모델을 개발한다. OLGA 는 실제 유전개발에 사용될 수 있는

실용적인 프로그램을 목적으로 개발되었으며 전체 원유이송시스템에 걸쳐 유체의 물성치

등을 계산하고 유동이 안정한지 혹은 불안정하게 될 위험은 없는지 예측 가능케 한다.

OLGA 는 IFE 의 20 년이 넘는 원자로 안의 물과 증기를 대상으로 한 다상유동

시뮬레이션 경험이 그 기초가 되었다. 이 첫번째 OLGA 프로그램은 이미 미국에서 발생한

파이프 라인 안에서의 슬러그 유동 (Slug flow)을 모델링 가능하였다.

이후 또 다른 노르웨이 연구기관인 SINTEF 와 함께 노르웨이 Trondheim 시 근처 Tiller 에

대형 다상유동 실험실을 1983 년 설치한다. 실제 스케일에 근접하게 제작된 Tiller 의 실험

환경 덕분에 여기서 만들어진 실험 데이터는 OLGA 의 정확도를 비약적으로 향상시켰고,

다상으로 구성된 원유(오일, 가스 및 물)을 심해 파이프라인을 따라 장거리 이송을

가능하게 하는 기초기술이 되었다. 이런 유정으로부터 근처에 위치한 해상플랫폼, 혹은

더 멀리는 육상으로의 원유의 이송을 다상 이송(Multiphase transport)라고 불리며, 현재

많은 석유회사들이 석유생산설비를 해상플랫폼이 아닌 심해에 설치 가능하게 해주는

핵심 기술로

141

그림 4.11 OLGA 예시: 서브시 매니폴드에서 해상 플랫폼까지의 라이저 (SPT Group)

여겨지고 있다. 특히 해상플랫폼이 필요치 않다는 점은 플랫폼의 제작 및 설치비용

이외에도 작업자가 해상에 있을 필요가 없어져 운영비 측면에서도 저렴하며

작업자에게도 사고 위험이 많은 헬리콥터를 이용한 해상플랫폼으로의 수송을 배제할 수

있게 된다. Tiller 다상유동 실험실은 1km 에 달하는 대형 스틸 파이프가 루프를 이루고

있으며 그 끝에는 58m 높이의 타워로 연결된다.

그림 4.12 Tiller 다상유동 실험실 (SINTEF)

2000 년대 들어서 SINTEF 는 ConocoPhillips 및 Total 과 함께 사용자가 원하는 위치에서의

유동상태에 대한 상세한 데이터를 얻을 수 있는 LEDA 를 개발하기 시작하였고 유동형태

142

(Flow regime)와 오일 액적의 표면 화학반응 등의 상관관계에 대해 기존 프로그램 대비

개선을 이루었다. 이는 특히 중질의 원유를 다상유동 이송 시 중요하게 여겨지는

항목이다. 현재 LEDA 는 노르웨이의 KONGSBERG 에 의해 LedaFlow 란 이름으로 상업화

되어 있고 OLGA 는 세계 최대의 유전개발 서비스 업체인 Schlumberger 의 자회사인 SPT

Group 이 그 판권을 소유하고 있다.

이런 다상유동 시뮬레이션의 강점은 바로 위험한 슬러그 유동을 예측, 방지할 수 있다는

점이다. 일례로 원유의 다상유동 이송 시 파이프라인의 끝 단에 위치한 설비들은 큰

운동에너지를 가진 액체 슬러그에 노출되어 큰 손상을 입을 수 있으며, 최악의 경우

주위에 위치한 설비들도 침수될 수 있다. 슬러그는 주로 다상의 원유가 파이프라인을

따라 장거리 이송이 될 때 위로 기울어진 파이프 라인의 곡부에서 생성되게 된다. 이런

슬러그의 운동에너지를 분산시키기 위해 주로 슬러그 캐쳐 (Slug catcher)라는 설비가

설치되게 되는데 그 크기를 최적화 하기 위해선 이런 슬러그의 생성량 및 주기 등이

다상유동 시뮬레이션 프로그램을 통해 계산되어야 한다.

또한 유정의 일시 폐쇄 등의 경우, 플로우 어슈런스 문제로 인해 파이프 안에 남아있는

유체의 양이 파악되어야 할 때도 다상유동 프로그램이 사용된다. 원유에는 다양한

이물질이 많이 함유되어 있기에 파이프 내벽에 왁스가 형성되며 이를 긁어내고 청소하기

위해 피그(Pig)가 투입된다. 이런 왁스의 형성 정도를 파악하고 언제 피그를 투입해야

할지도 다상유동의 모델링으로 파악될 수 있다. 또한 작은 크기의 유전의 경우 새로운

해상플랫폼을 투입하기 보단 유정유체를 다상으로 근처의 해상플랫폼까지 이송시켜 그

경제성을 크게 향상시키는 데에도 다상유동 시뮬레이션이 필수적으로 필요하다.

노르웨이에서 다상유동을 통한 이송은 1988 년 Ekofisk 유전에서 원유와 컨덴세이트

(Condensate)를 12km 밖의 Edda 플랫폼으로 보내지기 위해 행해졌다. 이후 1991 년

노르웨이 Troll 유전에서 저류층으로의 가스 주입 시스템의 설계를 위해 OLGA 가

처음으로 사용되었다. 이 Troll 유전의 가스와 컨덴세이트는 심해 파이프라인을 따라

48km 떨어진 Oseburg 유전의 서브시 설비로 보내졌다. 이후 1996 년 Troll 유전에서

가스와 컨덴세이트가 해상플랫폼을 거치지 않고 67km 밖에 위치한 육상의 Kollsnes 가스

처리 설비로 바로 보내졌다. 이 서브시 다상유동 이송을 설계하기 위해 OLGA 가

사용되었으며, 이 프로젝트로 인해 Troll 유전의 해상플랫폼의 크기를 늘리지 않아도

되었으며 운영비 또한 크게 절감할 수 있었다.

이런 OLGA 사용 경험을 바탕으로 2007 년 다상유동 이송은 그 가능거리가 크게 증가하게

되었다. Snøhvit 가스전에서 채취된 다상의 가스 및 컨덴세이트 혼합물은 전처리 없이

143

바로 노르웨이 북쪽에 위치한 Melkøya 섬으로 바로 이송되었으며 그 거리는 143 km 에

이른다. 이 Snøhvit 가스전 개발은 어떠한 해상 설비 없이 순수하게 서브시 시스템으로만

구성되어있는 만큼 OLGA 가 이 개발을 가능케 했다고 해도 과언이 아니다.

Ormen Lange 가스전 개발의 경우 심해(850~1100m)에 위치해 있으며 수심의 변화가 커

파이프 라인의 경사 (26o)가 매우 급하여 슬러그 유동 등의 문제가 일어나기 더 쉬운

조건이었고 (그림 4.13 참고), 매우 낮은 수온(-1oC) 으로 인해 가스 하이드레이트가 쉽게

형성되는 조건으로 다상유동의 상세한 모델링이 필수적으로 요구되었으나 이 또한

OLGA 의 적용을 통해 가스와 컨덴세이트 혼합물을 120km 떨어진 육상으로 성공적으로

이송할 수 있었다 (WilsonArild, OveraaSverre, HolmHenning, 2004).

그림 4.13 Ormen Lange 가스전 개괄도 (Shell)

앞 절에서 설명되었듯이 육상에서 멀리 떨어진 심해에 위치한 유전의 개발을 위해선

서브시 펌프나 상분리기 및 컴프레서 이외에도 서브시 기자재끼리 연결하고 최종적으로

지상으로 원유를 이송하기 위해서는 다상유동 거동의 해석이 필수적이다. 현재까지

가스전의 유정유체를 이송할 수 있는 최대 거리가 140km 정도이나 이 한계거리를 늘리기

위해서는 좀 더 정확하고 신뢰성이 높은 모델이 요구되며 이를 위해 다양한 연구가

활발히 진행되고 있다.

144

4.4 LNG 액화공정 (LNG Liquefaction Process)

노르웨이는 주로 업스트림 및 미드스트림에 집중하는 산유국으로 원유, 컨덴세이트 및

천연가스를 주로 수출되고 있다. 이외에도 유럽에서 유일하게 천연가스로부터 LNG 를

생산 및 수출하고 있으며, 이는 2007 년 완공된 유럽에서는 유일한 LNG 생산설비인

Hammerfest LNG 플랜트로부터 생산된다. Hammerfest LNG 플랜트는 Snøhvit 가스전

개발의 한 부분으로 계획되었다. Snøhvit 가스전 개발 프로젝트는 Snøhvit 심해 가스전에서

얻어진 가스 및 컨덴세이트를 해저 파이프라인을 따라 140km 떨어진 Hammerfest 까지

다상의 형태로 이송한 후 전 처리를 거친 천연가스를 고효율의 액화공정으로 투입하여

LNG 를 생산, 수출하는 프로젝트로 다수의 최신기술이 적용되어 업계의 많은 관심을

받았다. 특히 북위 71 도에 위치한 이 Hammerfest LNG 플랜트는 매우 거친 날씨와

어두운 겨울 등으로 인해 극지방에서의 플랜트 건설 및 운영의 대표적인 참고 대상으로

고려된다.

Hammerfest LNG 플랜트는 2007 년 완공되어 현재까지 가장 액화공정 효율이 높은 LNG

플랜트로 인정받고 있으며 1 톤의 LNG 생산을 위해 240kWh 가 소모된다. 이런 고효율의

액화공정 덕분에 플랜트 가동을 위한 에너지는 LNG 액화공정으로 투입되는 천연가스 총

열량의 5% 정도만 필요로 하고 있다 (VistSivert, 외., 2010).

그림 4.14 Hammerfest LNG 플랜트 전경 (Statoil)

표 4.4 Hammerfest LNG 플랜트 사양 (Statoil)

Parameter Specification

Annual production rate LNG: 4.3 MTPA

Condensate: 3.1~ 5.7 million barrels

145

LPG: 150-250,000 tonnes

Liquefaction process MFC (Mixed Fluid Cascade)

Power consumption 200-230 MW

Driver Aero-derivative gas turbines (LM6000)

Cooling Sea water cooling

Hammerfest LNG 플랜트는 여러 신기술을 접목시킨 결과 전통적인 LNG 플랜트와는

차별화되는 점이 많다. 특히 이 플랜트는 인프라 구축이 잘 되어있지 않으며 혹독한

기후조건을 가진 극지방에서의 플랜트 시공을 피하기 위해 대부분의 기자재는 이미

유럽의 조선소에서 바지선 위에 설치되어 모듈화 한 뒤 Hammerfest Melkøya 섬의 드라이

독(Dry dock)에 바지선 채로 영구 고정시켜 LNG 플랜트를 시공하였다.

Hammerfest LNG 플랜트의 바지선 모듈은 해상플랫폼에서 쓰이는 모듈과 비슷하게

설비들이 매우 컴팩트하게 배치되도록 디자인 되었으며 특히 핵심공정설비가 놓인

바지선은 FLNG (Floating LNG, 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO, Floating production

storage and offloading)에 천연가스 전처리 및 액화 설비를 추가하여 해상에서 LNG 를

생산, 저장, 하역하는 초대형 설비)의 전임 격으로 여겨지고 있다 (PettersenJostein, 외.,

2012).

그림 4.15 발전시스템 모듈이 설치되어 있는 바지선 (Statoil)

Hammerfest LNG 플랜트에 사용된 액화공정은 최신의 기술로 MFC(Mixed Fluid

Cascade)공정이라 불리며 Statoil 과 독일의 가스 전문 엔지니어링 기업인 Linde 에 의해

개발되었다. 이 MFC 공정은 전통적인 캐스케이드 공정과는 다르게 혼합냉매를 사용하여

3 개의 냉동사이클을 구성하기에 그 열효율과 운영의 유연성이 매우 높다. 즉 이미 잘

알려진 캐스케이드 LNG 액화공정(Optimized Cascade Process, ConocoPhillips) 과

혼합냉매 LNG 액화공정(C3-MR(Mixed Refrigerant) Process, APCI)의 조합으로

신기술임에도 불구하고 높은 신뢰성을 가질 수 있는 공정이다. 이 MFC 공정의 주요

146

장점은 다음과 같다.

첫째, 다른 LNG 액화공정과는 다르게 내부에 상분리기가 필요치 않으며 그 비용을

절약할 수 있다. 또한 LNG 액화공정의 냉매는 주로 가연성 및 폭발성 물질인

탄화수소로 구성되어 있으나 MFC 공정에서는 이 냉매의 유량이 상대적으로 작기 때문에

공정의 안전성을 향상시키며, 기자재의 크기가 작아져 플랜트 설치 시 적은 공간을

필요로 한다.

LNG 액화공정의 핵심은 냉각되는 천연가스와 냉매와의 온도 차를 전 온도영역에 거쳐

가능한 작게 유지하여 에너지 효율을 올리는데 있다. 이 MFC 공정은 다른 LNG 공정이

1 부분 혹은 2 부분으로 나뉘는데 비해 3 부분으로 전 온도영역을 나누며 각 영역의 온도

차는 혼합냉매 조성을 조절함으로써 최적화가 가능하다. 또한 3 부분으로 냉각사이클의

부하기 나뉘는 점은 한 공장(Train)에서 대량의 LNG 생산을 가능케 한다. 일례로 1 개

혹은 2 개의 냉각사이클로 구성된 LNG 액화공정의 경우 각 사이클의 부하가 현재 제작

가능한 컴프레서 혹은 이 컴프레서를 구동하는 가스 터빈의 한계 출력 이상이 될 수

있으며, 이 경우 2 개의 공장으로 나누어 병렬시스템을 구성해야 한다.

이 고효율의 액화공정은 LNG 플랜트로서는 드물게 실시간 운영최적화 프로그램이

설치되어 있어서 어떠한 운전조건 하에서도 최적의 효율을 보여준다. LNG 공정은 자유

및 제한변수의 수가 많아 최적화가 매우 어렵고 까다로우나, 이 프로그램은

혼합냉매들의 조성, 유량 및 압력범위 등을 조정하여 정해진 LNG 생산량에서 에너지

소모를 최소화 하거나 주어진 에너지 양에서 LNG 생산을 최대화 하는 등의 최적화가

실시간으로 가능하다. 현재까지 이 최적화프로그램의 사용으로 Hammerfest LNG

플랜트는 1~2%의 생산량 증가를 이루어 냈다. 이 프로그램은 Statoil 과 SINTEF 가

공동으로 개발한 것으로 플랜트의 운영 데이터를 받아 재처리 하여 상세공정 모델에

사용되며 이를 기반으로 최적화 알고리즘이 수행된다.

147

그림 4.16 Linde-Statoil MFC(Mixed Fluid Cascade) 액화공정 (Linde)

그림 4.17 Snøhvit Optimizer (SNOP) 유저 인터페이스 (PettersenJostein, 외., 2012)

Hammerfest LNG 플랜트의 주 동력원은 다른 육상플랜트와는 다르게 해상플랜트에서

주로 쓰이는 항공기용의 소형 가스터빈 (Aero-derivative gas turbine)을 적용되어

바지선에 올려지는 발전시스템의 크기를 최소화 하였고, 가스터빈 후단의 폐열을

회수하는 시스템도 갖추고 있다. 동력의 주 소비처는 액화공정의 컴프레서인데 총

148

200~230MW 를 필요로 하며, 가스터빈의 축이 컴프레서와 연결되어 직접 구동되는

해상플랜트와는 달리 가스터빈으로는 전력만을 생산한 후 컴프레서에 연결된 대형

전기모터를 돌리는 방식으로 구성되어 있다. 각 컴프레서를 담당하는 모터의 크기는

65~32MW 에 달하며 그 당시 세계에서 가장 큰 출력을 내는 모터 중 하나였다. 이런

동력시스템의 구성덕분에 전기효율은 41%에 도달했으며, 전체 열효율은 71%에 이르렀다.

이 시스템의 또 다른 장점으로는 가스터빈의 고장 시에 육상으로부터의 수전을 통해

동력이 공급가능하기에 전체 플랜트 가용성을 크게 높일 수 있었다는 점이다.

Hammerfest LNG 플랜트에 적용된 여러 신기술들은 설계, 시공 및 운영 관점에서

FLNG 와 매우 흡사하다. 따라서 이 플랜트에서 얻어진 경험은 추후 LNG 생산에 있어서

큰 축을 담당할 FLNG 를 활용한 가스전 개발에 큰 장점으로 여겨진다. 특히 바지선에

조밀한 구조로 설계되었다는 점, 소형의 항공기용 가스터빈이 사용되었다는 점,

해수냉각이 사용되었다는 점

그림 4.18 Hammerfest LNG 플랜트의 동력계를 포함한 전체 시스템 구성 (Linde)

그리고 유정유체를 해상플랫폼에서의 처리 없이 플랜트로 받아들여 처리한다는 점은

FLNG 와 매우 비슷한 요소이다.

Statoil 은 이 Hammerfest LNG 플랜트의 경험을 바탕으로 FLNG 를 위한 기술개발을 계속

진행 중에 있으며 특히 배의 움직임 때문에 발생하는 증류탑과 액화공정에 사용되는 열

교환기(Spiral wound heat exchanger)의 성능저하를 최소화 하기 위해 노력 중이다.

149

4.5 이산화탄소 포집 및 저장 (CCS - Carbon Capture and Storage)

2013 년 기준 세계 최대의 CCS 테스트 설비인 Mongstad 기술센터 (TCM)를 보유하고

있는 노르웨이는 온실가스의 감축과 함께 신재생 에너지 및 CCS 분야의 세계적 선두

지위에 오른다는 비젼하에 CCS 분야에 대대적인 연구예산 및 다양한 CCS 연구 개발

프로그램이 진행 중이다. 노르웨이의 CCS 연구는 트론헤임에 소재한 NTNU (노르웨이

과학기술대학교)와 SINTEF (스칸디나비아에서 가장 큰 독립연구기관 중의 하나)가

주도하고 있다.

그림 4.19 SINTEF CO2 포집 연구 설비 전체 시스템 구성 개략도

SINTEF 는 실제 상업적 스케일의 높이를 가진 습식 CO2 가스 흡수탑 및 탈기탑을 가진

실험설비를 갖추고 환경적으로 해가 적고 효율이 높은 새로운 차세대 흡수액을 개발하고

있다 (Shrestha, P. 2013, Technology Centre Mognstad. 2013). SINTEF 의 활동은 매우

광범위하여 차세대 흡수액의 개발 뿐 아니라 CO2 포집 공정 디자인, 모델링 및

시뮬레이션, 개발, CO2 포집 공정에서 최종 배출되는 가스의 유해성 연구 및 모니터링을

포함한다. NTNU와 SINTEF 는 공동으로 기존 습식공정의 환경적 문제점을 완전히 배제할

수 있는 고효율 고분자 및 무기질 분리막을 개발하여 실제 화력발전소와 시멘트 공장에

적용 테스트를 하였으며 (Environmental Leader. 2013, Bellona. 2013, Hägg, M., 외 2013),

좀 더 큰 스케일의 평막 및 중공사 형태 분리막 및 모듈을 개발하고 이의 테스트를

위한 파일로트 스케일 연구 설비를, 이미 완공되어 사용 중인 노르웨이 Trondheim 에

150

있는 습식 CO2 가스 흡수탑 실험설비와 연결하여 건설 중에 있다.

그림 4.20 SINTEF 의 실제 상업 스케일의 높이를 가진 CO2포집탑 설비

그림 4.21 NTN-SINTEF 개발 고효율 평막형 CO2포집 모듈

151

참고문헌 (Bibliography)

4.1

Infield Systems. (2013). Global Offshore Oil and Gas Outlook. Infield Systems.

4.2

Brenne, L., Bjørge, T., Bakken, L. E., & Hundseid, Ø. (2008). PROSPECTS FOR SUB SEA

WET GAS COMPRESSION. ASME Turbo Expo. Berlin: ASME.

Davies, S., Bakke, W., Ramberg, R. M., & Jensen, R. O. (2010). Experience to Date and

Future Opportunities for Subsea Processing in Statoil. Offshore Technology

Conference. Houston: OTC.

Denney, D. (2000). Subsea Separation: The Way Into the New Millennium. Journal of

Petroleum Technology, 50-51.

Di Silvestro, R., Abrand, S., Shaiek, S., Butin, N., Riou, X., & Decrin, K. M. (2011). A

Novel Gas/liquid Separator to Enhance Production of Deepwater Marginal Fields.

Offshore Technology Conference. Houston: OTC.

Hjelmeland, M., Olsen, A. B., & Marjohan, R. (2012). Advances in Subsea Wet Gas

Compression Technologies. International Petroleum Technology Conference.

Bangkok,: IPTC.

Hua, G., Falcone, G., Teodoriu, C., & Morrison, G. L. (2012). Comparison of Multiphase

Pumping Technologies for Subsea and Downhole Applications. Oil and Gas

Facilities, 36-46.

Knudsen, B., Bjørkhaug, M., Johannesen, B., Ottøy, M., Sørensen, Ø., Eidsmo, G., &

Bruun, T. (2010). Field Test of Compact Cyclonic Technology for Separation of

Gas/liquid and Oil/water at the Gullfaks Field. Offshore Technology Conference.

Houston: OTC.

Marjohan, R. (2014). How to Increase Recovery of Hydrocarbons Utilizing Subsea

Processing Technology. Offshore Technology Conference. Kuala Lumpur: OTC.

O.F. Jahnsen, M. S. (2011). Subsea Processing & Boosting In A Global Perspective.

Offshore Mediterranean Conference. Ravenna: OMC.

Stanbridge, D. H. (2001). Compact in-line separation solves severe slugging problems on

152

Statfjord B. Offshore, 72-73.

4.3

Wilson, A., Overaa, S. J., & Holm, H. (2004). Ormen Lange - Flow assurance challenges.

Offshore Technology Conference. Houston: OTC

4.4

Pettersen, J., Nilsen, Ø., Vist, S., Giljarhus, L. E., Fredheim, A. O., Aasekjær, K., &

Neeraas, B. O. (2012). Technical and Operational Innovation for Onshore and

Floating LNG. LNG 17. Houston.

Vist, S., Svenning, M., Valle, H. F., Ormbostad, H., Gabrielsen, G. B., Pedersen, D., . . .

Fredheim, A. O. (2010). START-UP EXPERIENCES FROM HAMMERFEST LNG, A

FRONTIER PROJECT IN THE NORTH OF EUROPE. LNG 16. Oran.

4.5

Bellona. (2013). Bellona celebrates CO2 capture in Brevik, Norway. from

http://www.bellona.org/articles/articles_2013/1361810945.02

Environmental Leader. (2013). Aker Solutions Conducts World’s First Cement CO2

Capture Tests. from http://www.environmentalleader.com/2013/05/17/aker-solutions-

conducts-worlds-first-cement-co2-capture-tests/

Hägg, M., Sandru, M., Kim, T., Huibers, M., and Kapala, W. Polymeric Membranes for

CO2-capture: Results obtained with a small pilot-scale module at coal-fired power

plant; further progress. 2 nd Post Combustion Capture Conference (PCCC2)

Shrestha, P. (2013) Norway’s CCS test facility aims for cost-effective development from

http://www.energylivenews.com/2013/06/13/norways-ccs-test-facility-aims-for-cost-

effective-development/

Technology Centre Mognstad. (2013). Norway strengthens capture research at TCM. from

http://www.carboncapturejournal.com/news/norway-strengthens-capture-research-at-

tcm/3369.aspx?Category=all

153

5 장. 기계 분야

북유럽이 가진 기계기술의 특징은, Element 와 Component 를 중요시하여 근간이 되는

Core 기술을 개발하고, 그 위에 응용을 더하는 식의 구조가 되어 있다. 본 장에서는, 현재

북유럽을 포함한 독일 등지에서 개발되고 있거나, 개발이 완성 단계에 이른 아래의

4 가지 신기술을 소개하고자 한다.

5.1 차세대 전기자동차 개발

5.1.1 전기자동차 기술

오랜 시간 동안 전기자동차 기술이 발전을 거듭하여, 지금에 이르러서는 상업화를

가능하게 되었다. 그러나, 아직까지 내연기관을 완벽하게 대체할 수 있을 정도로 기술이

안정적인 단계에 들어왔다고 말하기 어려운 게 사실이다. 아직까지 기술적으로 더

발전을 요구하는 축전기와 더불어, 파워트레인 등이 변화된 상황에서 이를 가장

최적하게 효율적으로 운용할 수 있는 차체기술 등이 아직까지 개발을 필요로 하고 있다.

이런 측면에서 전기자동차는 완성된 기술이라 보기 어렵고, 아직까지 진행형이라고 말할

수 있다. 전기자동차 기술의 완성을 위해서는 시급하게 해결해야 하는 부분이 바로

축전기 분야이며, 이 분야는 여러 가지 방향으로 나누어 진행되고 있다. 역시 주된

연구방향은 축전지의 효율과 용량, 수명 등을 획기적으로 개선할 수 있는 재료의 개발로

축약되고 있다. 또 다른 분야는 전기자동차의 효율을 더욱 높이는 차체의 개발이다.

기존의 차체는 내연기관에 맞추어서 개발되어 있고, 이를 최적화 시켜놓은 결과이기도

하다. 하지만, 엔진 및 파워트레인이 전기자동차로 바뀌는 상황에서는 이 차체가 더 이상

최적화 되었다고 말할 수 없다. 그 이외의 부분은 자동차에서 발생되는 에너지를

재사용할 수 있게 하여, 에너지효율을 높이는 재생에너지 시스템이다. 즉, 주행 중에

발생하는 여러 가지 에너지를 재생하여 다시 자동차의 에너지로 환원시키는 기술이라고

말 할 수 있겠다.

154

5.1.2 전기자동차 구조

먼저 전기자동차의 전체적인 구조를 알아보자.그림 5.1 은 이를 이해하는데 도움을 줄 수

있을 것이다.그림 5.1 은 GM(General Motors)에서 생산 판매하고 있는 볼트의 개략도이다.

그림에서 알 수 있듯이, 전기자동차의 구조는 차체에 파워트레인이 놓여지고, 그 위에

조향장치 및 보디가 놓여져 있는 전형적인 일반 자동차와 같은 형태를 띄고 있다. 일반

자동차에 파워트레인만 전기 시스템으로 바꾸어 놓았다고 이해하는 편이 쉬울 것 같다.

전기자동차에는 엔진을 대신하여 전기모터가 사용되고, 이 모터를 콘트롤 하는 부분이

바로, 일렉트로닉 드라이브 유닛이다. 충전된 축전지에서 전기를 공급받아 차체를

움직이고, 움직이는 에너지를 이용하여 다시 발전을 하여 축전지에 저장하는 구조로

되어 있음을알 수 있다. 축전기는 끊임없이 충전과 방전을 거듭하게 되고, 충분하게

에너지를 얻기 위해서 차체의 많은 공간이 축전지를 위해서 사용되게 된다. 현재는

리튬이온 축전지가 많이 사용되곤 있지만, 이 재료의 개선을 위해 많은 부분의 연구가

진행되고 있다. 그림에서 보듯이 전기자동차의 구조는 간단하다. 그러나, 이 간단한 구조

속에 숨어들어 있는 정교한 기술은 아직까지 발전을 요하고 있다.

그림 5.1 전기자동차의 전체 구조

155

5.1.3 전기자동차의 환경적인 측면

전기자동차의 또 다른 잇점은 자동차 공학적인 면 보다 환경적인 부분에서 부가적으로

나타난다고 말할 수 있다. 내연기관 자동차가 내뿜는 매연을 획기적으로 감소시키고,

환경에 영향을 주는 도로교통 소음 및 진동의 문제를 전기자동차가 일거에 해결하고

있다. 화석연료를 연소시키는 과정에서 발생하는 공해물질을 감소시키고, 이로 인한 소음

진동 문제가 해결되는 측면에서 개발의 잇점이 두드러진다고 볼 수 있다. 그러나,

자동차는 본질적으로 움직이는 물체이기 때문에 스스로 위험성을 내포하고 있고, 도로

위에서 발생하는 여러 가지 위험에 직간접적으로 간여하고 있다. 그 중에 하나가,

보행자가 자동차의 접근을 인지하지 못해서 생길 수 있는 사전 위험 고지 기능의

상실이라고 말 할 수 있겠다. 이는, 일반적인 내연기관 자동차의 경우, 보행자는 소리를

통해서 자동차가 접근하는 것을 사전에 인지하여, 그 위험성에 미리 대비할 수 있도록

마음의 준비가 되는 것이 자연스럽다. 그러나, 전기자동차의 경우는 보행자가 인지할

정도의 소음을 내지 않기 때문에 사전에 보행자가 자동차의 접근을 인지하기 어렵다.

이러한 사전 인지가 부족함으로 인해서 보행자 측면에서 보면, 상당히 위험한 상황을

스스로 방어할 기회를 박탈당한 경우가 많다. 보행자의 위험성에 대한 사전 인지 기능을

확보하기 위해서, 국제표준기구 즉, ISO(International Standardization Organization)에서는

전기자동차의 최소발생 소음에 대한 규제를 제정하고 이를 시행할 준비를 하고 있다.

이 규제는 전기자동차가 최소한의 소음 기준 이상의 인지음을 발생시켜서 보행자로

하여금 자동차가 접근하고 있는 상황을 사전에 인지 가능하도록 하여, 돌발하는 위험

상황을 사전에 예방하는 것을 목적으로 하고 있다. 즉, 전기자동차는 일정 수준 이상의

인지음, 즉 자동차의 속도에 연동하며, 보편적으로 자동차로 인식 가능한 인지음을

발생시키도록 인위적인 장치를 부착하도록 강제하고 있디. 인지음은 인위적인 소리도

가능하나, 자동차의 속도와 연동해야 하며, 다른 분야에서 쓰이고 있는 인지음, 즉 음악,

벨, 등을 제외한 기계음에 가까운 소리로 규정하고 있다. 이는 자동차가 저속 상태 즉

30km/h 이하일 경우에 자동으로 발생하게 해야 하며, 그 이상의 속도에서는 강제하지

아니한다. 세부적인 사항이 아직 정해지진 않았지만, 일부 국가에서는 이미 시행령이

정해져서 시행되고 있기도 하다.

5.1.4 ISO 16254-2016

현재 논의되고 있는 전기자동차의 최소소음규제에 대한 초안을 소개한다. 이는

ISO 차원에서 소위원회가 구성되었고, 지금까지의 논의로 어느 정도 초안이 마련되었으며,

156

각국에 회람이 되어 코멘트를 받고, 최종 투표 단계에 들어가 있는 상태이다. 일정대로

진행된다면, 이 규제는 2016 년부터 발효된다. 아래에 그 내용을 소개한다. 다만, 지면

관계로 전문은 부록에 싣는다. [부록 1 참조]

157

5.2 진보된 수중 음향 탐지기술

수중음향탐지는 수중의 상태에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 공기를 매질로

전파되는 음향과 달리 물을 매질로 전파되기 때문에, 수중음향 탐지는 매우 불확실한

부분을 많이 가지고 있다. 이는 매질인 물이 온도, 조류, 등의 영향을 크게 받기

때문이다. 진보된 수중음향 탐지기술은 이 불안정한 매질 속에서도 더욱 안정적으로

음향을 탐지해 낼 수 있는 기법을 개발하는 것을 골자로 하고 있다. 응용분야로는, 주로

수중이동물체 탐지 등에 이용되며, 산업 군사 전반적인 부분에 걸쳐서 널리 안정적으로

신뢰성 높게 쓰여지길 기대하고 있다.

5.2.1 항만 수중 침투 탐지 시스템

항만 내에 정박중인 선박 또는 주요 시설에 침투할 목적으로 들어오는 잠수부 혹은

잠수체를 항만에서 사전 인지하여 위험을 방지할 수 있는 기술로, 네덜란드의

TNO(Netherlands Organisation for Applied Scientific Research)에서 개발하고 있다.

TNO 는 네덜란드의 Delft 에 위치한 연구소로서, 사회 전반에 걸친 사회, 건강, 에너지,

국방, 기타 물류 등을 연구하는 종합연구기관이다.

예를 들어 항만 내에 다이버가 침투하는 것을 가정한다면, 이를 사전에 탐지하는 것이

대테러 등에 매우 중요한 일이다. 그래서, 개발한 시스템이다. 대강의 개요는 다음과

같다.

이 시스템에서는 복수의 하이드로폰을 사용하여, 수중체의 위치를 탐지해 내는 기술을

구사하고 있다. 다이버는 수중에서 숨을 쉬기 위해서 스노클을 이용하고 있는데, 이

스노클에서 공기방울이 생성된다. 이 기술은 이 공기방울에서 발생되는 소리를 수중

하이드로폰을 이용하여 탐지하고, 복수의 하이드로폰을 이용하여 소리가 발생되는

위치를 계산하는 것이 골자이다. 소리는 수중에서 방향성을 가지므로, 이 방향을

측정하여 계산하면 소리가 나는 위치를 쉽게 계산할 수 있다. 아래는 시스템 전반에

대한 소개와 그 효과를 검증한 예를 보인다.

158

그림 5.2 항만 수중 침투 탐지 시스템

159

그림 5.3 항만 수중 침투 탐지 시스템 검증의 예

160

이는 Passive SONAR 방식을 채택하고 있으므로, 자체에서 소리를 방사하지 않고,

발생되는 소리만을 탐지해 내는 기술이다.그림 5.3 에서 보인 바와 같이 선박 등이

지나간 궤적도 추적 가능하며, 다이버의 경로도 추적이 가능하다.

현재, 유럽 몇 개국에서는 이 시스템을 도입하여 항만 감시 등에 활용하고 있다.

5.2.2 잠수체 음향 탐지

잠수체는 엔진 등 소음원을 가지고 있고, 이 소음원이 스스로를 노출 시키는 중요한

원인이 된다. 수중에서는 잠수체가 발생시키는 소음을 탐지하여 잠수체의 위치와 거리를

추정하는 기술이 쓰이고 있는데, 더 진보된 기술이 소개되고 있다. 지금까지는 Passive

SONAR 의 개념으로 전달되는 음향을 측정하여 분석하는 것으로 상대의 위치를 탐지해

내는 것이지만, 이 기술은 스스로 얼마의 음향을 외부로 방사하고 있는지를 예측하고,

상대에게 어느 정도의 음향이 전달되는지를 예측해 낼 수 있으며, 나아가서 이 방사되는

음향을 조절할 수 있는 능동적인 시스템으로 발전 가능하게 하는 기술이다.

그림 5.4 음향 방사 메커니즘

그림 5.4 는 음향 방사 메커니즘을 보여주고 있다. 선체에 장착되어 있는 엔진 등

161

음원에서 발생한 진동은 기초부를 통해서 선체로 전달되고, 선체의 진동이 외부로

음향을 만들어서 방사하게 되는 것이다. 이를 구조전달음이라 부른다. 즉, 구조체를

매개로 하여 전달되는 음이다. 한편, 공기를 통해서 직접 수중으로 방사되는 음도 있을

것이다, 이를 공기전달음이라고 부른다. 결국, 구조 및 공기를 매개로 선체 내부의

음향이 수중으로 방사되어 나가는 메커니즘인 것이다.

그림 5.5 선체에서 수중으로

그림 5.5 는 선체의 소음원에 해당하는 부분이 선체에 음을 전달시키는 과정에 대한

이해를 돕기 위한 그림이다. 엔진, 보기 등에서 발생되는 음향에너지 또는 진동이 선체와

연결된 여러 가지 부위를 통하여 복잡한 경로를 통하여 결국 선체에 전달되게 되는데,

이러한 경로를 전체적으로 분석해서 파악하는 것이 복잡하지만, 중요한 일이다. 현재의

기술로는 전달함수측정이라는 기법으로 전달의 특성을 실험적으로 구할 수 있다. 전달

특성은 구조에 의존하기 때문에 구조적으로 변화가 없으면 변하지 않는다. 이

162

전달함수는 엔진 등 소음원에서 선체로 어느 정도의 진동 혹은 음향에너지가

전파되는지를 파악하는데 결정적인 역할을 하게 된다. 일단, 선체에 도달된 진동 혹은

음향에너지는 선체에서 수중과 접촉하고 있기 때문에 자연스럽게 수중으로 전파되어

나아가게 된다. 이 전파 메커니즘도 역시 전달함수를 이용하여 측정이 가능하다. 다만,

이는 실제 측정의 어려움으로 인해 기존의 정의된 방정식에 의존하는 경우가 많다. 이

방정식이 전혀 틀린 결과를 주는 것은 아니지만, 수압, 수온, 조류 등의 영향을 고려하기

어렵기 때문에 실제적으로 많은 오차를 내포하고 있다고 봐야 한다. 결국, 선체에 전달된

에너지가 추정되고, 여기서 방사되는 에너지가 계산되는 과정이 완성된 것이다.

그림 5.6 전달과정 추정

간단한 설명으로 지나왔지만, 사실은 많은 복잡한 과정이 숨어 있다. 그림 5.6 은 전체의

전달과정을 추정하는 방법을 설명하고 있다. 즉, 공기전달음은 인위적으로 알고있는

음향에너지를 방사하여 직접 측정해서 실제의 음향에너지로 치환하는 Source Substitution

Method, 그리고 각각 부분을 구성하고 있는 단위를 쪼개어서 기본단위로 계산하여

전체의 합산으로 에너지를 추정하는 Panel Radiation Contribution 법 등이 있다. 그리고,

구조전달음은 좀 더 복잡하나 과정을 거쳐서 얻어지게 된다. 우선, 구조에 전달되는

외력을 추정하기 위해서 구조 강성 매트릭스를 구하여 이를 역치환하여 외력을 계산해

163

내는 방법, 그리고, 마운트의 강성으로 직접 마운트의 변화량을 측정하여 외력을

계산하는 방법, 그리고 진동의 Multi-Coherence 를 이용하여 외력을 추정하는 방법 등이

사용되고 있다. 현재로는 어느 방법도 완벽하게 무결점이 있는 것은 아니며, 구조의

특성에 맞추어서 적절하게 혼용해서 쓰고 있다.

결국, 이러한 복잡한 과정의 측정과 계산을 통해서 선체에 전달되는 음향에너지가

추정된다. 선체에 전달된 에너지가 수중으로 방사되는데, 전달되는 매체가 일정하지

않으므로, 이 또한 복잡한 과정을 거쳐 추정해야 한다. 대개 방사되는 에너지를 추정하기

위해서는 수중음향전달함수를 사용하는데, 이는 결국 직접 실험에 의해서 얻어지는

고유의 전달 특성이다. 경우에 따라선 선체를 수중에서 직접 타격하여 방사음을

측정하는 방법을 쓰기도 한다.

그림 5.7 수중 방사음 전달함수 측정

그림 5.7 은 수중에서 방사음 전달함수를 측정하기 위한 개념도이다. 결국, 선체를

수중에서 직접 타격하게 되면, 일정 에너지가 어느 정도로 수중에 방사되는지를 파악할

수 있다. 이 방사 특성으로 선체에 전달된 에너지가 수중으로 어느 정도 방사되는지를

추정 가능케 되는 것이다. 이는 선체가 가지고 있는 음향 에너지가 수중으로 어느

164

정도로 방사되고 있는지를 추정 가능하게 하는 것으로 연결된다. 그러므로, 실험과

추정을 통해서 선체의 음향방사 크기를 추정할 수 있다.

이 시스템은 잠수체가 스스로 방사하는 음향이 어느 정도의 거리에서 어느 정도의

크기로 전파되어 나가고 있는지를 스스로 파악할 수 있는 시스템이다. 그리하여, 방사

음향의 목표치를 설정하면, 이 목표치에 도달하기 위해서 소음원의 어느 부분이 어느

정도 기여하고 있는가가 파악되어 있기 때문에 그 기여분을 조절함으로써 최종 방사치를

조절 가능토록 하게한다. 이는 군사적인 작전면에서도 굉장히 중요한 기능이며, 잠수체를

효율적으로 운영하기에도 필요한 기술이라고 할 수 있다. 다만, 처음 음향 특성을

파악하기 위한 각종 실험 및 계산에 어느 정도의 시간과 노력이 투입되어야 하고,

시스템의 운용에 익숙해질 일정기간의 경험을 필요로 하긴 하지만, 이 시스템이

잠수체의 음향 조절 및 효율적인 운영, 그리고 여러 가지 작전에 활용될 가능성 등을

놓고 본다면, 획기적으로 작전반경을 넓혀 줄 수 있을 것으로 생각된다.

그림 5.8 은 하이드로폰 어레이를 이용하여 잠수체의 음향 방사 상태를 쉽게 측정할 수

있는 시스템의 예를 보인 것이다. 잠수체는 음향 방사 그 자체가 항상 문제시 되고 이를

파악하는 것이 중요한 물체이다. 그래서, 어느 부분에서 어느 정도의 음향이 방사되고

있는지를 파악하는 것이 항상 중요하다. 이 시스템은 여러 개의 하이드로폰을 하나의

시스템으로 연결하여 큰 원형의 어레이를 만들고 잠수체가 이 원형의 하이드로폰

어레이를 통과하는 동안에 방사하는 음향 에너지를 동시에 측정하여 맵핑함으로써

잠수체 전체의 음향 방사 능력을 한눈에 볼 수 있게 하는 시스템이다. 원리는

의료기기에도 쓰이는 스캐너와 비슷한 것으로 이해하면 좋을 것 같다. 물론, 그 작동

원리는 많은 차이가 있지만, 운용은 의료기기의 스캐너와 원칙적인 면에서 별반 차이가

없어 보인다.

165

그림 5.8 수중 소음원 탐지 장치

5.2.3 신개념 다음장(Multi-Field) 마이크로폰(Microphone) 개발

기존의 마이크로폰은 자유음장, 근접음장 등 매질의 성질에 맞게 사용되게 그 특성이

정해져서 설계되고 생산되어 왔다. 즉, 극단적인 예를 들자면, 실내와 실외에서 쓰이는

마이크로폰이 서로 달라야 한다는 것이다. 이는 음의 전파특성이 실내 실외가 서로

다르기 때문에 그러하다. 이러한 한계를 극복하고, 다음장(Multi-Field)

마이크로폰(Microphone)은 하나의 마이크로폰으로 실내외를 구분하지 않고 사용이

가능하게 되는 것이다. 이러한 기술은 마이크의 특성을 바꾸지 않고서 실내외의 음장

해석이 가능하도록 해 줄 것이며, 특히, 자유음장과 근접음장이 혼재하고 있는 경우의

측정 분석에 정확도를 높여 줄 것으로 기대된다.

5.2.4 음장 (Sound Field)

마이크로폰은 소리를 측정하는 센서에 해당한다. 일반적인 마이크로폰의 구조는 우리

신체의 귀 구조와 유사하다. 즉, 공기 중의 압력변화를 측정하여 이를 전기신호로 바꾸어

주는 것이다. 미세한 압력변화를 감지해 내기 위해서 신체의 고막에 해당되는

마이크로폰 막이 정교하게 만들어지고, 이의 미세한 진동을 전기신호로 변환해서 소리를

166

측정하게 된다. 그런데, 소리는 공기를 매질로 전달되는데, 매질의 상태에 영향을 받게

된다. 매질의 상태를 규정하는 것으로, 자유음장(Free Field), 근접음장(Near Field),

확산음장(Diffuse Field) 등의 말을 사용하고 있다. 자유음장이란 간단히 소리의 반사가

없는 상태를 말한다. 이상적인 형태의 음장이며, 이론적으로 한번 발생된 소리는

무한하게 진행하며 반사되어 되돌아 오는 소리가 없는 음장(Field)를 말한다.

근접음장이란, 공기의 흐름이 일정하지 않기 때문에 소리의 진행이 일정하지 않은

교란된 음장을 말한다. 일반적으로 소리가 발생되는 부근의 음장을 일컽는 말로 많이

쓰인다. 확산음장은 발생한 음이 여러 가지 환경에 반사하여 에너지를 잃지 않고 방향을

바꾸는 음장을 말한다. 이는 음의 절대적인 크기를 측정하기 위해서 인위적으로 만들어

놓는 장치에 많이 이용된다. 결국, 실제 음이란 위에서 정의한 음장 어느 한 곳에만

존재하는 것이 아니라 혼재된 음장에 존재하고 있다는 것을 이해할수 있다.

그림 5.9 음장 (Free Field, Diffuse Field, Pressure Field)

5.2.5 다음장 마이크로폰 (Multi-Field Microphone)

앞에서 언급한 바와 같이 실제 기계 등에서 발생한 음은 그림 5.10 에서 보인 바와 같이

발생 전파 반사 된다. 즉, 음이 발생되면 음원의 근접한 부분에서는 근접음장으로 교란이

167

일어나고, 일정 부분 자유음장으로 진행하다가, 물체를 만나서 반사하게 되는 것이

일반적인 경우이다.

그림 5.10 음의 발생 전파 반사

따라서, 지금까지는 음을 측정할 경우에 이러한 특성을 고려하여 이에 적절한 특성을

가진 마이크로폰을 사용하여 측정을 하는 것이 올바른 측정법이다. 만약, 올바르지 못한

선택을 했을 경우에는 측정오차를 감수해야만 했다.그림 5.11 은 마이크로폰의 특성을

보여주고 있다

그림 5.11 마이크로폰의 특성 차이

그림에서 붉은 선과 푸른 선은 각각 자유음장, 확산음장에 이용되는 마이크로폰의

특성을 나타내고 있다. 사실 1kHz 이상에서는 두개의 특성이 달리 나타나게 되는데, 이는

168

음의 독특한 성질 때문이기도 하다. 하여튼 두개의 다른 특성을 가진 마이크로폰은

고주파로 갈수록 더 많은 차이를 보이고 있다. 즉, 마이크로폰을 잘못 선택해서 사용하면

측정오차를 감수해야 함을 보여주고 있다.

이러한 잘못된 선택의 기회를 줄이기 위하여 어떠한 음장에서도 사용 가능한

마이크로폰이 최근 개발되었다. 이를 다음장 마이크로폰(Multi-Field Microphone)이라

한다.

그림 5.12 다음장 마이크로폰(Multi-Field Microphone) 특성

다음장 마이크로폰은 그림 5.12 에서 보인 특성과 같이 주파수 특성이 고주파에서도

변하지 않으며, 항상 자유음장용과 확산음장용 마이크로폰의 중간을 유지하도록

설계되어 있으므로, 음장에 관계없이 다용도로 사용이 가능하다. 이는 아래의 그림

5.13 에서 보이듯이, 마이크로폰 표준 IEC 61672 에서 정하고 있는 오차 범위도 잘

만족하고 있다.

169

그림 5.13 IEC 오차 범위

다음장 마이크로폰은 쓰임새가 광범위하다. 예를 들어, 자동차 선박 및 항공기 실내 등

음장이 혼재하여 하나의 음장으로 정의하기 어려운 경우에 측정오차를 최소화 할 수

있어서 더더욱 정밀한 음의 측정이 가능해 진다.

5.2.6 평판형 마이크로폰 (Flat Microphone)

평판형 마이크로폰은 기존의 마이크로폰의 개념을 뛰어넘는 것이다. 일반적으로

마이크로폰은 긴 막대형인데, 평판형은 이 모든 구조를 평판으로 구현하여 공간적으로

활용이 가능하도록 특수하게 설계된 것이다. 실제로 음을 측정할 경우, 대부분 측정점이

인체를 기준으로 하여 별 문제가 없지만, 최근 자동차 선박 항공기 등 특수한

환경에서의 음의 측정을 위해서 좁은 공간에서의 측정이 필요할 때가 있다. 이런 경우

기존의 마이크로폰으로는 측정 할 수 없기 때문에 이와 같은 특수한 형태의

마이크로폰이 필요하게 된다. 형태만 평판이지, 성능은 일반 마이크로폰과 동일하며,

경우에 따라서는 더 높은 고주파수의 측정도 가능하다. 그림 5.14 에 그 구조와 모양을

보인다.

170

그림 5.14 평판형 마이크로폰

평판형 마이크로폰은 일반 마이크로폰으로 측정하기 곤란한 장소의 측정에 주로 쓰이고

있다, 예를 들면, 자동차 측면의 공기 소음 등을 측정하기 위해서는 일반

마이크로폰으로는 측정이 곤란하므로, 그림 5.15 와 같은 형태로 쓰여지고 있다.

그림 5.15 에서 차체 표면과 유리에 부착된 것이 평판형 마이크로폰으로, 자동차가

주행하는 도중에도 유체의 흐름에 간섭을 일으키지 않고, 유체의 흐름에 의한 소음을

측정할 수 있다. 이러한 측정으로 인하여 차량 주위의 유동에 의한 복잡한 소음 현상이

분석 가능해 지고, 그림 5.16 과 같은 종류의 결과를 얻을 수 있게 된다.

171

그림 5.15 평판 마이크로폰을 이용한 차체 주위 유동 소음 측정

그림 5.16 유동 소음 측정 분석 결과의 예

172

5.3 진보된 음향 가시화 기법 개발

음향가시화 기법이란, 음향을 측정하여 3 차원 이상으로 음향을 맵핑하여 음향의 성질을

용이하게 이해하는 기술을 말한다. 이 기법은 2000 년대 들어와서 개발되어 지금까지

쓰여지고 있지만, 정확도, 측정 환경 등 해결해야 할 문제들이 많은 것으로 지적되어

왔다. 진보된 음향가시화 기법은 이러한 기술적인 한계를 넘어서, 다양한 측정조건에서도

안정적인 결과를 보장할 수 있도록 측정 분석 오차를 극소화하는 방향으로 추진되고

있다.

5.3.1 근접 음장 가시화

근접 음장에 대한 가시화 기법으로 가장 보편적인 방법이 음향 인텐시티를 이용한

맵핑이다. 음향 인텐시티는 음의 크기와 진행 방향을 동시에 알 수 있기 때문에 음이

어떻게 방사되는지를 한눈에 파악할 수 있다. 음향 인텐시티란, 서로 마주보는 두개의

마이크로폰을 이용하여 음을 측정하여, 음의 강도와 진행 방향을 계산하는 측정

기법이다.

그림 5.17 음향 인텐시티

173

그림 5.17 에서 보이듯이, 마주보는 두개의 마이크로폰을 이용하여 두개의 음압을

측정하여, 인텐시티와 입자의 이동 속도를 계산하여 이를 벡터로 표시한 것이다. 이 음향

인텐시티는 결국 근접 음장에서 음이 발생하여 방사되는 것을 가시화 할 수 있게 한다.

이와 더불어 사용되는 기법으로 Acoustic Holography 기법이 있다. 이는 인텐시티 측정의

원리를 이용하고 있지만, 다수의 마이크로폰 어레이를 사용하여 더욱 광범위하게 음원을

파악하기 위한 수법이며, 음향 인텐시티보다 훨씬 빠르게 측정되며, 결과를 즉시 볼 수

있는 장점이 있다. 지금은 여러 분야에서 보편적으로 널리 쓰여지고 있는 기술에

해당하지만, 더욱 정밀한 측정과 광범위한 주파수에 사용할 수 있도록 개선되고 있다.

그림 5.18 은 홀로그래피로 측정된 결과의 한 예를 보여주고 있다.

그림 5.18 Acoustic Holography 측정 결과의 예

본 측정은 자동차의 배기파이프의 음향방사패턴을 측정한 결과이다. 여러 가지 주파수에

걸쳐서 방사되는 패턴이 달라지는 것을 한눈에 파악할 수 있고, 이를 통해서 설계에서

문제점을 해결하는데 도움을 주고 있다. 이와 같이 음향 가시화 기법은 결과를 누구나

쉽게 이해하고, 문제점을 쉽게 발견하여 대처가 가능하도록 해 주는 기법이다. 이 기법은

여러 가지 Benchmarking 에도 많이 활용되고 있다.

174

그림 5.19 Acoustic Holography 측정 결과의 예(시계열)

그림 5.19 는 시간적으로 변화하고 있는 음원을 Acoustic Holography 기법으로 연속

측정한 예를 시계열로 보여주고 있다. 대부분의 복잡한 음원의 경우 시간적으로

변화하고 있는데, 이를 시계열로 측정하여 애니메이션으로 가시화함으로써 시간적으로

변화하는 동적인 요인을 추정할 수 있도록 한다. 그림 5.19 는 자동차의 타이어를 운행

상태에서 측정하여 가시화한 결과를 보여주고 있으며, 이러한 결과는 이 기법을

사용하지 않고서는 얻어내기 어려운 많은 귀중한 정보를 얻을 수 있게 해주는 획기적인

기법이다.

5.3.2 자유 음장 가시화

자유 음장의 가시화 방법은 Beamforming 이라 불리는 기법이 가장 대표적이다. 이는

측정이 간단하고, 쉽게 결과를 볼 수 있으며, 측정의 제약이 비교적 없다는 큰 장법을

가지고 있다. 하지만, 주파수에 따라서 음원을 나타내는 범위에 제약이 있긴 하지만,

아주 유용한 기법임에는 틀림이 없다.

이 기법은 기본적으로 Delay-and-Sum 이라 불리는 이론을 바탕으로 개발된 기법이다.

(그림 5.20 참고)

175

그림 5.20 Delay-and-Sum 이론

그림 5.20 에서 볼 수 있듯이, 복수의 마이크로폰을 배열하여 음원에서 발생되는 음을

동시에 측정하면, 마이크로폰의 위치와 음의 진행 방향의 차이에 따라서, 각 신호 사이에

발생하는 시간차이를 보정하여 음의 진입각도를 계산하여 이 각도에 따라서 음의 진행

방향을 추정해 내는 기법이다. 결국, 복수의 마이크로폰 사이에서 추정되는 진입 각도를

최종적으로 계산해서 하나의 음원 위치를 산정하게 된다.

이 기법은 명확한 음원을 찾아내는 데에는 탁월한 효과를 나타낸다. 그림 5.21 은 그

결과의 한 예를 보여준다.

176

그림 5.21 Beamforming 측정 결과의 예

또한 이 기법은 측정 대상체와 거리를 충분하게 유지한 채로 원거리에서도 측정이

가능하기 때문에 실제로 접근하기 어려운 대상물의 측정에도 유리하다. 그림 5.22 는

여러 가지 종류의 Beamforming 측정 장치와 그에 따른 각각의 결과의 예를 보여주고

있다. 왼쪽 아래에 보이는 마이크로폰 어레이가 전형적인 Beamforming 측정용

마이크로폰 어레이이며, 실내에서 3 차원으로 측정하고 맵핑하기 위한 특수 장치로서

왼쪽 위와 같은 특수한 형태의 마이크로폰 어레이도 사용된다. 그림 5.22 에서 각

마이크로폰 어레이로 측정된 Beamforming 결과를 보여주고 있다.

그림 5.22 Beamforming 마이그로폰 어레이와 결과의 예

177

5.3.3 이동 음원 가시화

이동하고 있는 대상체의 음원을 측정 분석하는 기법은 위에서 소개된 Beamforming

기법을 주로 이용하고 있다. Beamforming 기법이 측정의 대상과 거리에 제약이 없기

때문에, 움직이는 대상체의 음원을 측정 하기에 대단히 적합하다. 다만, 움직이는

대상체의 측정 범위가 다소 제한적이며, 대상체가 움직이는 속도의 제약이 따르긴

하지만, 현재까지는 고속절도 속도 수준인 300 km/h 정도는 측정 분석이 가능한 것으로

되어 있다. 그림 5.23 은 이동체의 음원을 측정한 예를 보여주고 있다. 열차가 일정

속도로 운행하고 있는 상태에서 열차의 소음원을 측정 분석한 결과를 보여주고 있다.

주 소음원으로서 엔진 부분의 차륜과 전원공급 장치 등에서 발생되는 음의 분포를 알기

쉽게 보여주고 있다.

그림 5.23 Moving Source Beamforming 의 측정 분석 예

178

그림 5.24 Moving Source Beamforming 측정 분석의 예 (Horn)

그림 5.24 는 열차가 주행 중에 울리는 혼 소음을 맵핑한 결과를 보여주고 있다. 혼의

주파수 성분과 혼 소음이 발생되는 위치를 정확하게 보여주고 있다.

그림 5.25 Moving Source Beamforming 측정 분석의 예 (항공기)

179

마지막으로 항공기가 상공을 통과할 때, 지상에서 Beamforming 비법으로 측정 분석한

결과를 그림 5.25 에 보인다. 이를 위해서 직경 12 미터의 마이크로폰 어레이가

사용되었고, 항공기는 지상 60 미터에서 초속 60 미터로 비행하고 있는 순간에 측정

분석한 결과이다.

180

부록

181

182

183

184

185

186

187

6 장. 조선∙해양 분야

본 장에서는 북유럽 4 개국에서의 선진화된 조선, 해양 분야의 자료를 조사, 분석하여

국내 산업체 및 학계에 소개한다. 특히 환경친화적인 선박, 신재생에너지관련 기술과

함께 선진적인 원해역에서의 플랜트 설계 및 설치, 운용에 대한 기술을 알린다.

6.1 조선, 해양기술 동향

6.1.1 세계 조선 및 해양 산업 동향

1980 년대부터 2008 년까지 Bunker Cost 가 지속적으로 상승하여 HFO 380cst 기준 약 700

USD/t 까지 상승 하였다. 2008 년에는 국제 금융 위기로 인해 약 230USD/t 까지 하락

하였으나 2013 년까지 꾸준히 증가추세를 보였다. 이는 선박 운용에 있어 1990 년대까지

인건비가 주요 운용 비용이었으나, 2000 년대부터 급속히 상승한 연료 비용이 총 선박

운용 비용에서 약 30 ~ 60%까지 차지하고 있다.

전세계적인 온실 가스 저감을 위해 선박 탄소가스 배출 규제도 시행되게 되었다. 선박의

온실가스 규제는 UN 기후 변화 협약 등의 국제 환경 규제 노력의 일환으로 IMO (국제

해사 기구)에서는 온실가스 저감을 위한 방안을 마련하기 위해 1997 년 MPEC(Maritime

Environment Protection Committee, 해양 환경 보호 위원회)를 시작으로 현재까지 회의가

진행 되고 있다. 최근 2013 년부터는 선박 온실 가스 규제 관련하여 기술적, 운항적 측면

의 규제를 적용하고 있다. 기술적 규제는 EEDI(Energy Efficiency Design Index)로써 선박

1 톤의 화물을 1 해리(Nautical Mile) 운송하는데 발생하는 CO2 의 질량으로 표시하여,

선박의 이산화탄소 배출량을 평가하고자 하는 개념의 지수 이다. 또한, 운항적 측면의

규제는 SEEMP(Ship Energy Efficiency Management Plan: 선박 에너지 효율 관리

계획서)는 선박운항에 있어서 에너지효율 향상을 관리하기 위한 문서로 2013 년부터

현존선 및 신조선 모두 선내비치가 의무화되었다. 이와 같은 유가의 상승 및 환경규제로

선주(Ship Owner), 조선소, 엔진업체 및 기자재 업체 들은 연료 저감 기술 개발에 많은

관심을 갖게 되었다.

한편 2014 년부터 지속적으로 하락한 유가는 선박 해양 산업에 많은 변화를 가져오고

있다. 선박의 발주량은 2012, 2013 년 대비 현저히 줄어드는 추세이며 해양 원유 시추를

위한 투자 또한 줄었다. 최근 2015 년 그린쉽 기술 컨퍼런스(Green Ship Technology

188

Conference)에서는 연료 저감에 대한 선주의 요구사항을 들을 수 있었으며, 연료 저감

기술을 통한 비용 절감 사례들을 발표 하였다. 유가는 국제 정세 및 경제와 밀접한

관계가 있다. 이에 지속적인 국제 정세 모니터링 및 기술 트렌드분석이 필요할 것이다.

2015 년 현재 세계조선해양의 큰 흐름은 시추선, LNG 생산하역설비과 함께

해양플랜트관련 프로젝트와 사업이 주류이며, 2013 년 조선 시장 현황 조사 분석결과를

나타내면, 그림 6.1 과 그림 6.2 에 나타낸 바와 같다.

그림 6.1 선박 및 해양플랜트 주문량 (Rowe, 2013)

그림 6.2 각국 조선소 인도 통계 (Rowe, 2013)

189

6.1.2 세계 조선 시황

국제 통화 기금 (IMF)은 2015 년 글로벌 GDP 성장 전망치를 3.8 %에서 3.5 %로 수정

하였으며, 2016 는 4%에서 3.7 %로 수정하였다. 또한, World Bank 는 2015 년 성장율를

3.5%에서 3%이의 성장을 기대하였고, 2016 년은 3.4%에서 3.3%로 소폭 하향 조정하였다.

특히 미국의 경우, GDP 성장률이 매우 높을 것으로 예상하는 반면에, 유럽, 중국 및

러시아는 하향 조정되었다.

그림 6.3 GDP 추이 예상

경제 성장률과 매우 밀접한 관계가 있는 글로벌 컨테이너 무역은 현재까지의 물동량

증가률을 고려했을때 6.5 % -7.0 %에서 증가 할 것으로 예상된다. 아시아와 유럽 노선

및 아시아 미국 노선은 평균 성장률을 6%로 예상이 된다.

그림 6.4 컨테이너 물동량 동향

190

이와 같은 경제 성장 및 컨테이너 물동량의 증가 추이에 힘입어 2014 년 약 150 척의

컨테이너 선박이 발주 되었다. (약 1 백만 TEU) 2015 년은 약 1.3 – 1.5 백만 TEU 의 추가

선박이 발주가 가능 할 것으로 예상된다. 선박의 대형화로 현재 Maersk, MSC, CMA CGM,

CSCL, UASC 그리고 Evergreen 이 18,000TEU 를 보유하거나 신규 발주 하였다. 최근

20,000TEU 선박이 발주가 되었으며, 한국의 조선소에서 수주를 하였으나, 최근

일본에서도 조선소 확장을 통해 대형 컨테이너 선 시장의 진입을 시도 하고 있다. 이에

자국 선사인 MOL 은 자국 조선소인 Imabari 조선소에 대형 컨테이너인 20,000 TEU 발주

하기도 하였다.

6.1.3 북유럽에서의 조선, 해양 기술 동향

북유럽은 최근의 오일/가스 시추산업과 관련된 조선분야와 함께 지형조건, 높은 국민소득

등으로 해양레저가 잘 발달되어 있으며, 가족단위로 크루즈 관광, 해양레저 문화가 잘

발달되었으며, 관련 인프라도 잘 구축되어 있다. 또한 해양 에너지 개발분야에도 많은

연구가 진행되고 있다. 본 절에서는 북유럽국가 (노르웨이, 스웨덴, 덴마크, 핀란드)의

조선해양에 관련된 기술을 각나라별 특색에 맞게 조사한 내용을 보인다.

6.1.3.1 노르웨이 (중소조선 및 해양보조선박에 강점)

노르웨이에는 전국적으로 약 30 개 정도의 조선소가 있다. 대부분 조선소는 수도인

오슬로 (Oslo)에 위치하지 않고 서북쪽 도시에 위치하고 있으며, 올레순드(Åsesund)

근방에 15 개의 조선소가 밀집되어 있고 Bergen-Stavanger 사이에 7 개 조선소가 있고

Kristiansand 지역에 5 개, Trondheim지역에 3 개의 조선소가 산재해 있다.

노르웨이에서는 우리나라와 같이 대형 LNG 선이나 컨테이너선을 제조하는 것이 아니고

크루즈목적의 유람선이나 특수작업선을 주로 제조하고 있다. 특히 이들 조선소에서

생산하는 주력 선종은 운반작업선인 OSV(Offshore Supply Vessel), PSV(Platform Supply

Vessel), AHTS(Anchor Handling Tug Supply Vessel) 등 이 주이며, 그 외 어선(Purse

Seiner and Trawler)과 측정선, 군함(Miner layer)등도 전문적으로 제조하고 있으며,

OCV(Offshore Construction Vessel), CMV(Maritime Counter Measure Vessel) 등의

특수작업선도 제조하고 있다. 노르웨이의 선박 수출은 2003 년 NOK 96 억 1400 만,

2004 년 NOK 60 억 3400 만, 2005 년 NOK 33 억 3100 만으로 매년 감소하고 있는데 이는

최근 고유가로 인해 석유개발 및 원유, 천연가스 운반 등 천연자원개발 및 운송산업의

확대로 인해 조선 산업은 다소 위축 상태이다. 주요 수출국은 영국, 스웨덴, 덴마크,

191

프랑스, 독일 등 EU 국가와 미국이며 그 외 아시아국가로는 싱가폴이 주요 수출대상

국가이다. 노르웨이의 주요 조선해양산업의 선도기업 및 연구소는표 6.1 과 같다.

표 6.1 노르웨이 주요 조선, 해양산업 시설 정보 요약 (김기준, 2006).

시설명 직원 수 설립연도 기타 정보

Aker Solutions 17000 명 1841 년

• Revenue: NOK 33.0 billion

• Market Cap: NOK 13.0 billion (April 21,

2015)

참고: https://www.akersolutions.com

VARD 10,000 명 200 years

history

• Revenue: € 4399 million (2014)

• built more than 7,000 vessels

참고: http://www.vard.com

Umoe Mandal 70 years

history

• Fibre reinforced plastic (FRP) 기술 적용

참고: http://www.um.no/

BW offshore 2,200 명 1982 년

• FPSO 및 FSO 운용

• Revenue: USD 982.4 million (2013)

참고: http://www.bwoffshore.com/

Kongsberg 7500 명 1814 년 • Revenue: NOK 16,323 billion (2013)

참고: http://www.kongsberg.com

Statkraft 3700 명 120 years

history

• The Group's gross sales: NOK 52,2 billion

(2014)

참고: http://www.statkraft.com/

Statoil 23000 명 1972 년 • Revenue: NOK 723.4 billion (2012)

참고: http://www.statoil.com/

MARINTEK 210 명 1939 년

• Revenue: NOK 515

참고:

http://www.sintef.no/home/MARINTEK/

192

6.1.3.2 스웨덴 (레저 선박 및 관련 인프라 구축)

스웨덴의 조선업은 일본·한국·중국에 차례로 밀려 쇠락의 길을 걷고 있으나, 지형조건,

높은 국민소득 등으로 해양레저가 잘 발달되어 있으며, 이 중 가족단위의 크루즈 관광,

해양레저 문화가 잘 발달되어 있고, 또한 관련 인프라도 잘 구축되어 있다.

특히 레저 보트산업이 활성화 되어 있는데, Douglas Westwood 사의 보고서에 따르면

인구 7 명당 1 척에 이르며 (2005 년 기준), 마리나항 및 요트항도 1500 여개에 이른다.

해양 레저문화의 발달에 따라 관련 사업 (보트 및 엔진 제작업, 마리나 운영업, 관련

서비스업 등)의 규모 또한 발달되어 있다.

스웨덴의 주요 조선해양산업의 선도기업 및 연구소는 참조 표 6.2 과 같다.

표 6.2 스웨덴 주요조선, 해양산업 시설 정보 요약

시설명 정보

Dockstavarvet • 1905 년 설립

참고: www.dockstavarvet.se

Hallberg-Rassy

• 1943 년 설립

• 요트 (Yacht) 전문 건조

참고: http://www.hallberg-rassy.com/

Oskarshamnsvarvet

Sweden AB

• 1863 년 설립, 직원 수 1450 명

• 선박 건조 및 수리 전문

참고: http://www.oskarshamnsvarvet.se/

Wasa Yachts AB • 보트, 요트 건조 및 전문 수리

참고: http://wasayachts.eu/

SSPA • 선박 모형 시험 평가

참고: http://www.sspa.se/our-facilities-and-tools

193

6.1.3.3 덴마크 (에너지 산업에 주력)

덴마크는 현재 발달된 해운업과 함께 에너지 개발 산업에 대폭적인 투자를 계획하고

있다. 덴마크는 북해에 많은 자원이 존재하지만, 석유 및 가스 추출은 점점 더

어려워지고 있기 때문에, 석유 및 가스 산업에서 추출 효율을 향상시키기 위한 새로운

지식과 기술을 개발에 주력하고 있다. 덴마크는 신재생에너지 분야에서도 투자를 아끼지

않고 있다. 유명한 미덴브룬델 풍력발전단지는 코펜하겐 앞바다에 설치되어있는데, 높이

90m, 날개 지름 76m 의 풍력발전기가 총 20 기 설치되어 40MW/일 생산, 가동효율 90%,

약 4 만가구에 전력 공급하고 있으며, 발전기 50%(10 기)가 주민소유이다. 미덴브룬델

풍력발전단지는 장기간 관찰결과 환경적 문제가 없었으며, 특히 풍력 발전의 오랜

역사와 함께 주민 공감대 형성을 위한 정부의 노력이 돋보인다 (Wikipedia).

특히 덴마크의 풍력발전에 의한 발전량은 전체 소비량의 100%를 웃돌고 있어

이웃나라에 수출하고 있다 (Morris, 2013).

그림 6.5 미델그루덴(Middelgrunden) 해양 풍력발전단지

194

그림 6.6 덴마크의 해양 풍력발전단지 개요

6.1.3.4 핀란드 (북극항로개척 및 쇄빙선 사업을 선도)

핀란드는 60 개의 상업항구로 이루어져 있으며 그 중 20 개는 부동항이어서 계절에

관계없이 사용할 수 있지만, 그외의 해동기에 사용하지 못하는 항구에서 화물을

운송하기 위해서 쇄빙선을 이용한다. 현재 핀란드는 10 척의 쇄빙선을 보유하고 있으며,

그 중 7 척은 가장 높은 등급을 자랑하고 있다. 핀란드의 쇄빙선 개발, 설계, 건설

기술은 관련 시장에서 많은 부분을 차지하고 있다. 현재 운항중인 주요세계 주요 쇄빙선

현황은 표 6.3 과 같다(USCG).

핀란드에서의 쇄빙선 연구는 헬싱키 대학교와 함께 Aker Arctic Technology Inc 에서

이루어지고 있으며, 세계 쇄빙선연구의 60%이상에 관여하고 있다. (참고

http://akerarctic.fi/)

195

표 6.3 세계 각국의 주요 쇄빙선 현황

현재 쇄빙선

보유국가

파워플랜트 (BHP) – 운항중

건조중 건조예정 45,000 이상

20,000

이상 45,000 미만

10,000 이상

20,000 미만

러시아

5 15 13 4 9

스웨덴 4 3

핀란드 6 2

캐나다 2 3 1

미국 2 1 1

덴마크 4

노르웨이 1 1

한국 1

내빙선박은 쇄빙선이 만들어 놓은 Ice Channel 을 운할 할 수 있도록 얼음에 의한 하중을

견딜 수 있으며, 얼음에 의한 저항에도 운항 할 수 있는 충분한 추진 성능을 갖춘

선박이다. 이와 같은 내빙선의 개발은 일반적으로 선급의 설계 기준을 통해 구조 설계를

수행하며, 선박의 얼음 저항을 줄이는 선형 개발 및 추진 시스템 개발은 Finnish-Swedish

Ice rule 을 통해 개발을 하거나 모형빙에서 선형 및 추진기를 개발 하기도 한다. 본 빙

모형시험은 많은 실선 및 모형선의 상호 관계를 잘 이해하고 있어야하는 경험과 기술이

필요하며, 핀란드는 Helsinki 대학 및 AkerArctic 사에서 지속적인 연구 개발이 이루어

졌다. 현재까지 국내 조선소에서 내빙 쇄빙 선박 개발을 위해 위 기관과 협력하고 있다.

(그림 6.7)

196

그림 6.7 Aker Arctic 빙 수조 기관

최근 쇄빙 및 내빙 선박의 기술 동향을 살펴 보면, 선박의 대형화에 따라 해동기때

내빙선박이 운항 할 수 있도록 내빙 선박의 선폭 보다 넓은 Ice Channel 이 요구된다.

하지만, 쇄빙선은 대부분 일반 상선에 비해 선폭이 넓지 않아 일반적으로 2 척 혹은

다수의 쇄빙선이 얼음을 깨고 Ice channel 을 만들게 된다(그림 6.8). Ice channel 을

효율적으로 만들기 위해 핀란드 Aker Arctic 사는 여러 가지 개념 설계를 하였고 아래

그림 6.9 와 같이 Port 및 Starboard 형상이 다른 Oblique 쇄빙선 개념설계를 수행하였다.

최근 러시아의 Rosmorrechflot 사로부터 아래와 같은 신 개념 쇄빙선박 설계를 의뢰 받고,

Arctech 헬싱키 조선소에 기본설계를 납품하여 건조완료 하였다.

그림 6-8 Ice Channel 을 위한 쇄빙선 운항 개념 및 Aker Arctic 사가 개발한 Oblique Ice

breaker 개념 (Schuler, 2013)

197

그림 6-9 Aker Arctic 사가 개발한 Oblique Ice breaker (www.akerarctic.com)

러시아 야말(Yamal) 반도는 11 개의 천연가스 필드 및 15 개의 오일필드가 발견되었다.

야말반도는 가스는 약 16 조 입방 미터가 발견되어 개발중이며, 25 조 입방미터의 가스가

잠재되어있는 곳이다(그림 6.10).

2010 년부터 야말 가스 개발권을 보유하고 있는 러시아의 Novatech 사의 LNG 선 개발을

위해 핀란드의 Aker Arctic 사를 비롯하여 국내 현대중공업, 대우조선해양, 삼성중공업

및 STX 조선해양이 참여하였으며, 일본 주요 조선사들 또한 참여하였다. 야말 반도

운항을 위해서는 빙중 1.7m 두께의 얼음을 쇄빙하며 약 5knots 로 운항 할 수 있는

성능이 요구되는 매우 특수한 선박이다. 이 선형은 빙조건에 따라 선수 및 선미로

운항이 가능 하게 설계가 되었다. 이는 Double Acting system(DAS)라는 개념으로 Aker

Arctic 에서 개발한 컨셉으로 두꺼운 얼음이 존재하는 지역의 경우 선미로 운항하여

쇄빙성능을 극대화 하는 기능을 갖고 있는 컨셉이다 (그림 6.12). 일반 본 선박은 2014 년

대우조선 해양이 총 9 척의 선박 계약을 2.8 조억원으로 체결하였다(그림 6.11).

198

그림 6-10 야말 가스 및 오일 필드 분포도(Barents observer)

그림 6-11 야말 가스 운항 쇄빙 LNG 선박(좌) 및 대우조선해양 LNG 선박 계약(우) ;

DSME 홈페이지

그림 6-12 Double acting system 을 적용한 LNG Carrier (www.akerarctic.com)

199

6.2 해양 에너지 및 해양 플랜트 설치 기술

6.2.1 친환경 해상 풍력 발전 에너지 기술 동향

최근 전 세계적으로 화석연료의 고갈과 온실가스 배출로 인한 기후변화에 대응하기 위한

노력으로 유럽을 중심으로 미국, 일본 등 전 세계적으로 온실가스 의무감축 목표를

제시하고 있다. 이러한 에너지 환경에 적극적으로 대처하기 위해서 유럽 선진국을

중심으로 다양한 녹생성장 정책을 추진하고 있으며 이러한 정책의 일환으로

신재생에너지 개발 및 활용의 중요성이 전 세계적으로 이슈화 되고 있다.

신재생에너지원 중 해상풍력은 발전효율이 상대적으로 높아 유럽을 중심으로 전

세계적으로 대규모 발전단지가 증가하고 있으며, 특히 해상풍력발전기 구축을 위한 총

공사비 중에서 기초구조물과 타워, 전력케이블 등의 시공비가 30~40% 이상 차지하고

있어 보다 효율적이고 경제적인 건설기술의 개발을 통해 해상풍력발전의 경제성을

높이기 위한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다.

본 절에서는 해상풍력산업을 확대하기 위해 유럽을 중심으로 전 세계적으로 추진하고

있는 다양한 지원정책, 기술개발 동향 및 시장현황을 살펴보겠다.

6.2.1.1 해상풍력 관련 정책 동향

유럽을 비롯한 선진국가들은 에너지 위기에 대한 대응과 저탄소 녹색성장에 반드시

필요한 신재생에너지의 활성화를 위하여 다양한 신재생에너지 발전 지원정책을 마련하여

추진하고 있다.

① 발전차액제도(FIT, Feed-In Tariff): 신재생에너지의 부족한 경제성을 보완하기

위해, 에너지원별로 발전 기준가격을 정하고 기준가격과 시장가격이 차이가 나면

그 차액만큼 지원해 주는 제도

② Feed-In Premiums: 전력공급자의 추가 전력공급량에 대하여 단위

전력생산량(MWh)에 따라 프리미엄을 제공해주는 제도

③ 의무할당제도(RPS, Renewable Portpolio Standards): 전력 공급자가 의무적으로

전력 공급의 일정 부분을 신재생에너지원으로 공급하도록 한 제도로서

신재생에너지 기술수준이 성숙된 단계에서 시장경쟁을 통한 전력공급가격의

인하를 유도하기 위한 제도이다

200

④ Net metering: 전력 분배 그리드와 자가 발전 시스템을 설치한 고객 사이의

양방향 흐름을 가능하게 하는 전력공급장치로, 고객은 전체 소비량에서 자가

전력생산량을 뺀 전력량에 대해서만 전력요금을 지불

⑤ 장려금 제공(Fiscal incentive): 직접적으로 리베이트나 보조금의 형태로

공공지출에 지불하는 개인이나 기업들, 또는 간접적으로 수입이나 다른 세금들을

통해 공공지출 감소에 공헌한 개인이나 기업들에게 제공하는 경제적 인센티브

⑥ 생산세 공제(Production tax credit): 신재생에너지 발전 시설로부터 발생하는

신재생에너지의 양을 기준으로 해당 신재생에너지 발전 시설의 소유자 또는

투자자에게 연간 제공하는 세금 공액

⑦ 자금 지원, 리베이트(Capital subsidy, consumer grant, rebate) : 태양열 또는

태양광 발전 시스템과 같은 신재생에너지 자산의 투자 자본 비용의 일부를

정부나 기관, 정부 소유의 은행이 충담함

⑧ 투자세 공제(Investment tax credit): 신재생에너지 부문에 투자할 때 프로젝트

개발자, 산업, 건물 소유주 등이 세금의무로부터 완전히 또는 부분적으로

공제되도록 하는 과세조치

⑨ 공개경쟁 입찰(Public competitive bidding): 공공기관이 신재생에너지 공급량이나

용량(capacity)을 결정하는 방법으로 일반적으로 표준 시장 가격 수준보다 높은

가격으로 입찰됨

유럽의 대부분 국가에서는 발전차액지원제도(FIT)를 시행하고 있으며, 2 가지 이상의

지원정책을 결합하여 운영의 효율을 높이고 있다. 해상풍력의 선두 그룹인 유럽에서의

신재생에너지 지원정책의 특징을 살펴보면,

첫째 대부분의 유럽국가들은 FIT 제도 중심의 지원정책을 채택하고 있으며 RPS 제도를

채택하고 있는 국가들도 최근에는 FIT 제도를 도입해서 RPS 제도를 보완하고 있다.

둘째로 일반적으로 신재생에너지 전력생산 설비규모에 따라 지원정책을 달리 적용한다는

점이며, 셋째로 2 가지 이상의 주요 지원정책을 결합하여 시행한다는 점이다. 노르웨이,

덴마크, 스웨덴의 경우 FIT 제도를 도입하여 신재생에너지 시장 가격을 적절하게

유지하고 있으며, 덴마크의 경우 FIP, TND 제도를 동시에 도입하여 신재생에너지 생산을

장려하고 있다. 반면 스웨덴의 경우 전력생산자나 공급자가 전력공급의 일정 부분을

의무적으로 신재생에너지를 통하여 공급해야 하는 RPS 제도를 채택하고 있다.

201

6.2.1.2 북유럽 해상풍력 발전 동향

현재까지 전 유럽에 걸쳐 총 2,080 개의 해상 풍력 발전기가 설치되어 69 개 해상풍력

발전 단지가 전력계통선과 연계되어 11 개 국가에서 운영되고 있다. 2013 년-2014 년

까지 총 설치용량은 6562 MW 로 24 TWh 의 전력을 생산하여 유럽 전체 에너지

생산량의 0.7%를 해상풍력 발전을 통해 전력을 생산하고 있다.

그림 6-13 연도별 및 누적 해상풍력발전 용량 (MW)

표 6.4 국가별 해상풍력단지 설치 용량

유럽에서는 영국 (3,681 MW)이 가장 많은 해상 풍력 단지를 보유하고 있으며, 뒤를 이어

덴마크(1,271 MW), 벨기에(520 MW), 네델란드(247 MW), 스웨덴(212 MW), 핀란드(26 MW),

202

아이슬랜드(25 MW), 노르웨이(2.3 MW) 등 나라들이 뒤를 잇고 있다.

북유럽 국가 중에서는 덴마크가 가장 활발히 해상풍력 발전 사업에 많은 관심을 가지고

투자하고 있다.

덴마크의 경우 2008 년 3 월에 새로운 에너지 계획을 수립하여 신재생에너지 지원금을

상향조정하였으며, 이를 바탕으로 2010 년에 207 MW 규모의 해상풍력단지를 조성하였고

2015 년까지 400 MW 규모의 차세대 대형 해상풍력단지를 조성하는 계획을 결정하고

정책을 유지하고 있다.

그림 6-14 국가별 해상풍력발전 설치 용량 및 해상풍력 발전 터바인 설치 개수 (2013-

2014 년)

해상풍력 발전단지 설치 위치를 본다면 북해지역이 66%로 총 4,363MW 의 용량을

보유하고 있으며, 다음으로는 발틱해가 1,143MW 로 17%, 대서양이 1,056MW 로 16%

정도 용량을 보유하고 있다.

한편, 터바인 제작사는 Siemens 가 유럽지역에서 점유율 60%로 선두를 달리고 있으며,

덴마크 Vestas 가 23%로 뒤를 잇고 있다. 다음으로 Repower(8%), BARD(6%) 등의

제작사들이 시장을 골고루 점유하고 있다.

203

그림 6-15 해상풍력 설치 위치 및 터바인 제작사

6.2.1.3 해상풍력 기술 동향

해상풍력의 선진국인 유럽에서는 많은 나라에서 앞으로의 해상풍력 시장에서의 주도권을

잡기 위해 초대형 풍력발전기와 고효율 지지구조물 및 최적 수송/설치기법 등의 개발에

심혈을 기울이고 있다. 특히 유럽은 2020 년까지 북해를 중심으로 40 GW 의

해상풍력단지를 개발할 계획을 갖고, 이 전력을 유럽 각국에 효과적으로 분배하기

위하여 영국과 독일, 스웨덴 등의 북유럽 7 개국을 해저 케이블로 연결하는 Super Grid

관련 논의가 진행 중이다. 이와 함께 해상풍력으로 발전한 전력의 효율적인 공급을 위한

각국의 전력망 개선 및 연계방법에 대해 검토하고 있다.

그림 6-16 유럽의 super grid 개념도

204

현재 세계적으로 상용화된 풍력발전기 중에서 3 MW 보다 큰 발전용량을 갖고 있는

발전기는 모두 7 개(REpower 5 MW/6 MW, Siemens 3.6 MW, Areva Multibrid 5 MW,

Bard 5 MW, Enercon 4.5 MW/6 MW)이며, 차세대 대형 해상풍력발전기로 6~10 MW

수준의 발전기가 개발되고 있다. 풍력발전기는 그동안 기어에 의해 구동되는 형태가

주류였으나 최근 기계적 구조가 단순하고 유지보수비용이 적게 드는 기어박스가 없는

직접 구동형(Gearless type) 풍력발전기에 대한 수요가 증가하고 있으며, Siemens

Wind 에서 3 MW PMG 형식의 기어리스 풍력발전기를 개발하였다. 향후 기어리스형

풍력발전기의 수요는 더욱 증가할 것으로 전망되나, 해상환경에서의 염분에 대한 문제와

PMG magnet 원소재 공급의 제한성 등의 문제를 안고 있다.

또한 노르웨이에서는 기어박스 및 generator 를 seabed 에 설치하여 nacell 에서 생산하는

운동에너지를 seabed 까지 전달하여 바로 해상 케이블로 에너지를 전달하는 신 개념의

해상풍력 발전기를 연구, 생산하고 있다.

그림 6-17 노르웨이 신개념 해상풍력 발전기

고효율 지지구조물의 개발과 관련하여서는 기존의 지지구조물을 보다 최적화하거나

효율이 높은 새로운 형태의 지지구조물을 개발하는 방향으로 기술개발이 진행되고

205

있으며, 특히 북유럽에서는 차세대 지지구조로 전망하고 있는 대수심 조건에 적합한

부유식 지지구조에 대한 기술개발이 활발하다. 대표적인 부유식 해상풍력 발전기는

노르웨이에서 개발, 시험시공에 성공한 Hywind Demo project 와 SWAY 부유식 해상풍력

발전기가 있다. 노르웨이는 세계 최초로 2009 년에 용량 2.3 MW 발전기를 노르웨이

남서부 해안 10 km 떨어진 해상에 부유식 기초 위에 시험설치(Hywind model)하였으며,

현재 모니터링을 수행하여 시스템을 검증하고 있다.

그림 6-18 노르웨이 부유식 해상풍력 발전기

덴마크는 대형 풍력발전 프로젝트를 통하여 기후상태와 풍력발전기 설계, 전기 시스템,

제어 시스템, 풍력시장 등 다양한 분야의 연구를 수행하고 있으며, Hoevsoere 지역에

테스트베드를 확보하여 5 MW 이상의 풍력발전기를 대상으로 실증연구를 수행하고 있다.

206

6.2.1.4 향후 해상 풍력 시장 전망

세계적인 풍력시장은 매년 급속히 발전하고 있으며, 2009 년의 신규 설치용량은 38

GW 로 전년 대비 35% 정도 증가하였으며, 2019 년에는 2009 년 대비 3.3 배 증가한 126

GW 가 설치될 것으로 전망하고 있다. 2015 년 현재 3~5 MW 급 터빈이 주를 이루고

있으나, 장기적으로는 5 MW-7MW 급 이상의 터빈이 풍력시장을 주도할 것으로 전망된다.

특히 해상풍력시장은 환경 및 민원문제, 대단위 단지조성의 한계 등의 문제를 안고 있는

육상풍력의 대안으로 각광을 받고 있어 급속히 확대되고 있으며, 2020 년까지 유럽 50

GW, 미주 2GW, 아시아 20 GW 이상의 해상풍력단지 건설 계획이 발표되고 있다.

6.2.2 친환경 해상 풍력 발전기 설계 및 시공 기술

해상풍력은 기존의 육상풍력이 가지고 있었던 부지확보의 어려움과 용량의 제한성에

대한 한계가 없기 때문에 신재생에너지 활성화 정책에 부합되는 대안으로 부각되고 있다.

그러나 설계 및 해상 시공의 어려움으로 인하여 향후 해결해야할 여러가지 기술적

문제들을 가지고 있다.

해상풍력 발전단지 건설을 위해서는 먼저, 해상조건에 적합한 구조물을 설계하는 기술이

필요하다. 또한 설계된 해상풍력발전기 및 지지구조물을 안전하게 운반, 설치 할 수 있는

기술이 필요하다. 또한 생산된 전력을 육상으로 전송하기 위한 전력 송신망(grid

connection)을 구축하고 운용할 수 있는 기술을 보유해야 한다.

본 절에서는 해상풍력 발전기 설치를 위한 해상풍력 발전기 상부구조물 및 하부구조물의

설계/시공 기술에 대하여 북유럽을 중심으로 알아보고자 한다.

6.2.2.1 설계기술

해상풍력 구조물 설계 시 북유럽에서 자주 적용되고 있는 해외 설계기준으로는 DNV,

IEC, API, ISO, GL 등의 기준이 있다. 이와 같은 설계기준들은 일반적으로는 서로

유사하나, 각각의 설계기준 별로 특별히 상세하게 다루고 있는 분야가 있으며, API 와

ISO, DNV 설계기준의 경우 일반적인 해상 구조물 또는 해상풍력 구조물용 말뚝기초에

대한 상세한 설계방법을 제시하고 있다.

DNV 의 해상풍력 설계 가이드라인인 DNV-OS-J101 은 2004 년에 제정되었으며,

해상풍력발전기 기초에 대한 내용 및 해상 변전소, 기상탑 등 해양구조물 기초에 대한

설계 지침을 제시하고 있다. 특히 구조물기초 설계편이 다른 설계기준과 비교하여 매우

상세하게 기술되어 있으며, API RP-2A(WSD)와 유사하나 부분안전계수 설계법(partial

207

safety factor design)을 사용하고 있다. 하중계수는 IEC 기준과 유사한 값을 적용하고

있으며, 저항계수는 ULS 조건의 경우 1.15(유효응력해석), 1.25(전응력해석), SLS 조건의

경우 1.0(유효응력, 전응력해석)을 제안하고 있다.

해상풍력 시장의 확대에 따라 풍력발전기가 점차 대형화되고 해상풍력단지도 더욱

수심이 깊은 곳에 조성됨으로 인해 해상풍력기초의 설계 및 시공에 대한 중요도가

급격히 높아지고 있다. 이와 같은 추세에 맞추어 해상풍력기초의 정확한 거동해석을

위한 여러 가지 연구가 이루어지고 있으나, 아직까지 해상에서의 복합적인 하중(풍하중,

조류력, 파력, 구조물 진동 등) 조건하에서 의 기초의 거동을 정확하게 해석하는 데

한계가 있는 것이 사실이다.

특별히 해상풍력구조물 기초의 경우 수평변위에 의하여 기초 설계가 지배되기 때문에

해상 조건에 따른 반복하중에 의한 기초 두부에서의 수평 변위 또는 각 변위의 산정이

매우 중요하다

노르웨이 지반 연구소(Norwegian Geotechnical Institute)는 기초에 반복하중이 지속적으로

작용할 경우 말뚝에 발생하는 거동특성을 누적변위와 누적 과잉간극수압에 대한 영향을

고려하여 설계하는 연구가 오랫동안 진행되고 있다. NGI 는 1970 년대부터 노르웨이

주변의 북해에 설치된 석유 시추용 해상 구조물 설계를 위하여 해상 구조물 기초의

반복하중에 대한 영향을 지속적으로 연구하여 많은 연구 자료와 성과를 축적하고 있다.

그림 6-19 노르웨이 지반 연구소 (NGI) 해상풍력 설계 기술

208

6.2.2.2 시공기술

해상풍력은 전형적인 해상 플랜트(offshore plant) 공사로서, 해상 기상에 의한 작업

불가능 시간, 해상장비 수급문제, 자재조달 및 운반조건, 해상안전사고 등 다양한

리스크가 상존함에 따라 이에 대한 대응전략을 수립하여야 한다. 해상풍력발전의 경쟁력

있는 발전단가 확보와 보급 확대를 위해서는 발전효율 향상뿐만 아니라 지지구조물의

제작비 경감을 위한 설계기술과 비용 효율적인 시공기술도 함께 개발되어야 한다.

따라서 해상풍력 시공 계획을 할 때에는 발생할 수 있는 리스크를 도출하고 비용

효율적인 시공을 위한 전략적 접근방안을 제안해야 한다.

해상풍력 시공 최적화를 위해서는 route optimization, vessel/equipment DB, micro &

macro scheduling 을 단계적으로 수행하여 비용 효율적인 시공계획을 수립할 수 있어야

한다.

Route optimization 은 해상 vessel 의 이동 및 운반거리를 최소화하여 장비 사용료를 줄일

수 있는 방안을 도출하는 것이고, vessel /equipment DB 는 해상풍력구조물 시공 시

필요한 장비에 효율적인 계획을 수립하는 것이다.

6.2.2.3 중력식 기초 시공

해상풍력 발전단지 설치 및 운용은 노르웨이, 덴마크 영국 등 서북부 유럽에서 많은

사례를 찾아볼 수 있다. 서북부 유럽에서의 해상풍력 발전단지의 설계개념은 Eurocode 로

대표되는 신뢰성 해석 및 한계상태설계법을 따르고 있다.

해상풍력기초 형식 중 중력식 기초(gravity based foundation)는 DNV 설계기준 (DNV-OS-

J101) 및 IEC 61400-3 과 22 를 준수한다.

비교적 얕은심도(30 m 이하)에 적용할 수 있는 형태로서 최근 시공 사례는 2010 년

Nysted(Rødsand II) 프로젝트(덴마크)로 조사되었다. 설치위치는 덴마크 연안 10 km 이내

지역이고, 수심은 7.5~12.8 m 의 범위에 있다. 기초지반은 단단한 점토가 퇴적되어 있으며,

깊이 20 m 이내 평균 비배수 전단강도는 250 kPa, 평균 배수강도로서 내부 마찰각

24.4° ∼39.5°, 점착력은 23~116 kPa 범위에 있다. 본 과업지역에 설치되는 해상풍력발전

설비의 발전용량은 총 210 MW이며, 90 기가 설치되었다.

209

그림 6-20 Open ballast chamber 단면도 (COWI, 2010)

덴마크에서 해상풍력기초에 중력식 기초 구조물 적용은 본 프로젝트가 첫 사례이고,

모노파일과 비교했을 때 성능 대 비용면에서 우수한 것으로 입증되었다. 이후 다른 해상

풍력발전 시설 프로젝트에서도 중력식 기초 제작 및 설치를 적용하게 되었다.

그림 6-21 해상풍력 중력식 기초 운반

210

그림 6-22 중력식 기초 운반 및 설치

6.2.2.4 자켓 파일 시공

일반적인 해양구조물에서는 육상에서 제작하여 바지에 싣거나 해상에 띄운 상태로

예인한다. 중소규모 재킷은 크레인을 이용하여 인양하여 설치하나, 대규모 재킷은 해상에

띄워바지에서 진수시켜 설치시키기도 한다. 초대형 재킷은 여러 개의 블록으로 분할하여

제작하여 현장에서 설치하면서 결합시킨다. 반면, 재킷을 적용한 해상풍력 발전단지의

수심은 40 m 이내여서 재킷의 규모가 크지 않다. 그래서 대부분의 경우, 크레인을

이용하여 설치된다. 사례로, Alpha Ventus 의 경우, 크레인선박 Thialf 를 이용하여

시공하였다.

그림 6-23 운반 및 진수중인 대형 재킷 구조물

(출처: http://www.esss-usa.com(좌), http://www.terasoffshore.com(우))

211

6.2.2.5 버켓 파일

해상풍력 하부구조물의 기초로 석션 기초가 활용된 사례는 2003 년 덴마크의

Frederikshavn 풍력단지의 해상풍력 터빈 4 기 가운데 1 기에서 지름 12 m, 길이 6 m

크기의 석션 기초가 설치되었다. 해상풍력단지에서 시험적으로 석션 기초의 성능을

검증하기 위해 기상탑 기초로 활용된 사례는 많은데, 2008 년 덴마크 Horns Rev2 단지

에서 자름 12 m, 길이 6 m 의 석션 기초가 적용된 해상기상탑과 2012 년 홍콩에서

해상기상탑 기초로 트라이포드 석션 기초 및 2013 년 영국의 Dogger Bank 에서 석션

기초가 해상기상탑에 적용되었다.

6.2.3 노르웨이 최근 현황

최근 해상풍력 발전기의 규모가 확대되고, 원해로 진출 할수록 해상 풍력 발전기

설치조건이 어려워지므로, 해상풍력 시공 전용 vessel 에 대한 개발이 활발하다. 해상

풍력 발전 시공 비용을 줄이며, 효율적인 시공을 수행하기 위해서는 무엇보다도 필요한

것은 해상풍력발전기 전용 설치선의 개발이다.

그림 6-24 해상풍력 전용 설치선

212

6.2.4 해양 지반조사

6.2.4.1 일반사항

해양 지반조사의 경우 상부구조물의 종류 및 외부 환경조건 등에 따라 해양지반조사

항목이 달라지게 된다. 본 절에서는 해양 구조물 설계 및 시공을 하는데 활용되는

해양지반조사의 항목 및 수행방법에 대하여 유럽에서 많이 사용하고 있는 DNV-OS-

J101(2007) 기준에 근거하여 알아보고자 한다.

① 지반조사는 상세설계를 위한 모든 지반정보를 얻을 수 있을 만큼 수행하여야

하는 것으로 정의되어 있으며, 일반적으로 현장지질조사, 해저면 지형조사, 시추

및 원위치 시험 보정을 위한 물리탐사, 시료채취를 통한 실내실험, CPT 와 같은

원위치 시험 등을 포함한다.

② 횡방향 하중에 저항하는 말뚝을 설계하기 위해서는 콘관입시험(CPT) 1 공과

시료채취를 위한 시추조사 1 공을 충분한 깊이까지 수행하는 것을 원칙으로

하는데, 재킷 기초에서는 말뚝지름의 10 배까지, 단말뚝은 말뚝지름의 1/2

정도까지 조사하여야 한다.

③ 축하중에 대한 말뚝 설계를 위해서 최소 콘관입시험 1 공과 인접한 위치에서

시추조사 1 공 에 대하여 말뚝 밑으로 그 영향이 미치는 깊이까지 조사를

수행하여야 한다.

④ 불균질한 지층이 있거나 연약층이 존재하는 경우에는 추가적인 지반조사를

수행하여야 한다.

6.2.4.2 해양 지반 조사 장비

현재 세계적으로 해양지반의 공학적 특성을 규명하기 위하여 사용하고 있는 방법은 단순

시추 조사, 시료채취 및 원위치 시험 등이 있다. 표 6.5 에서 제시한 장비 별 시추 깊이를

살펴보면 실험 심도는 대체적으로 매우 깊은 수심에서도 가능하다.

213

표 6.5 해양조사 장비 성능

6.2.4.3 해양 지반 조사 기법 - 해양물리 탐사

3 차원 천해 지진파 조사 및 사이드 스캔 소나 조사 등으로 이루어진 지구물리탐사는

넓은 범위의 해저면 상태를 제공한다. 대표적인 조사방법은 다음과 같다.

- 해저 지층 분석을 위한 지진 반사파

- 해저면 상태 분석을 위한 사이드 스캔 소나

- 수심 및 해저면 경사를 나타내는 수심측량술(bathymetry)

- ROV (remotely operated vehicles) 적용 기술

지구물리학적 데이터의 경우, 지반공학적인 설계에 유용하게 활용되기 위해서는 실제

지반의 물성치가 필요하며 해저면의 상태를 확보하는 데 필수적인 정보로 쓰일 수 있다.

지구물리탐사 데이터는 지반시추조사 결과와 연계 및 내삽 작업을 통해 넓은 범위의

해저면 결과 및 해저 지층물성 결과를 확보할 수 있다.

해양물리탐사의 경우 크게 지층탐사, 해저면 분석 수심측량 및 해저지반 관찰 등 4 가지

목적으로 이루어지고 있다. 그림 1 은 4 가지 형태의 해양물리탐사 개념을 나타낸 것이다.

먼저 수심측량의 경우에는 수심을 정량화하고 3 차원 이미지를 제공함으로써 원하는

위치에서의 해저면 경사에 대한 중요한 정보를 제공함과 함께 고대 해저면 경사지 형태

214

또는 토석류(debris flow), 화산이나 급경사와 같은 지형학적 특성 등을 파악할 수 있게

한다. 음향 측심기(echo sounder)는 가장 보편적인 수심측량장비이다. 이는 음파를

이용하여 수심을 측정하는 장비로 단시간에 고정밀 측량이 가능하여, 선박의 항해에

필수적이고, 수로측심, 준설 측심 등 수중측심에 사용될 수 있다.

사이드 스캔 소나는 음파를 이용한 수중영상촬영 장비로 공기 중의 카메라와 같은

역할을 수행하며, 수중물체 파악, 2 차원 지형조사 등 수중환경 파악에 필수적인

장비이다. 이를 통해 해저 면 상태를 이미지 형태로 구할 수 있다. 무인잠수정(ROV,

Remotely Operated Vehicle)이나 towfish 와 같은 장치에 부착하여 음파에너지를

활용함으로써 수중 이미지를 확보할 수 있는 것이다.

짧은 거리에서 높은 해상도로 물체를 확인할 수 있는 고주파(500 kHz~1 MHz) 장치

와 비교적 긴 거리의 물체를 낮은 해상도로 확인할 수 있는 저주파(50~100 kHz) 장치

등으로 구분할 수 있다.

연속적 지진파를 이용한 지층탐사기법인 천부지층탐사기(SBP, Sub-Bottom Profiler)는 음

파를 이용 하여 지층을 탐사하는 장비로 지층의 직접적인 천공 없이도 지층의 파악이

가능하며, 전체적 지층구조의 파악이 가능한 장비이다. 주로 매몰된 유물조사, 해양 및

내수면 지질조사, 매몰된 해저파이프라인 및 해저 케이블 실태조사, 해양 및 내수면

지층조사, 매몰된 기뢰 탐색 등의 목적으로 활용된다.

215

그림 6-25 해양물리탐사의 종류, (a) 일반적인 수중 물리탐사기(ship-borne seismic survey)

(b) 해저면 지층탐사기를 이용한 해저지층 분석 (c) Tow fish 시스템 (d) ROV (remotely

operated vehicles) 과 AUV (autonomous underwater vehicles)

6.2.4.4 해양 지반 조사 기법 - 해양 시추조사

현장 지반조사의 기본이라 할 수 있는 시추조사는 시기를 이용하여 지반을 천공하면서

지반의 층서 및 층후, 암상 등을 파악하기 위하여 실시한다.

또한 해양 구조물 설계를 위해서 해저 지반에 대한 시료채취도 함께 이루어지는데, 표층

시료를 비롯하여 해저면 아래 지층 시료에 대한 다양한 채취 기법이 있다.

① 표층 탐사

해저 파이프라인이나 해저 케이블 공사 등에 활용하기 위하여 해저면의 표층 지반에

대한 물성을 위주로 탐사하는 기법은 수심에 따라 다양한 방법으로 발전되어 왔다. 그림

1.3 의 중력식시료 채취기는 수심에 관계없이 활용 가능하며, 매립 지반의 물성 파악이나

외해 가스공학 등에 적용될 수 있으나 시료 채취 깊이는 1~8 m 정도로 제한되어 있다.

216

그림 6-28 은 착저형 압입식 시료채취기를 나타낸 것으로 주로 다운홀(downhole) 방식과

연계하여 표층 1~2 m 깊이에서의 시료 채취에 활용된다. 물리 탐사 결과의 확인을 위한

목적으로 주로 활용되는 grab sampler(그림 1.5)는 0.5 m 이내의 아주 얕은 심도에서의

시료 채취에 국한된다.

그림 6-26 중력식 시료채취기(http://shaldril.org/)

그림 6-27 착저형 압입식 시료채취기

217

② 해저 착저형 장치에 의한 시료채취

해상조사는 육상의 조사와는 다르고 수심, 조류, 파랑 등의 영향을 피할 수 없고

끊임없이 가혹한 조건 속에서 가동률이 낮은 작업이다. 또 해상작업은 좁은 공간에서

행해지기 때문에 큰 위험성을 수반하고 비능률적인 작업으로, 해상작업의 안전성과

능률화를 도모하기 위하여 조사기를 해저면에 가라앉혀 모선에서 원격조정에 의한

방법을 생각할 수 있다.

③ 대수심 탐사 및 시료채취

대수심 탐사에 이용되는 대표적인 배는 geotechnical drillship 이다. 대수심 지역의

지반조사 및 시료채취는 해양 기후조건에 많은 영향을 받으며 한 위치에서 정해진

수량의 지반조사를 수행한다. 위치를 고정하기 위해서 Dynamic position (DP) 시스템을

이용하여 정해진 위치에서 오차범위 내에서 조사를 수행한다. 그림 6-29 은 일반적인

drillship 의 layout 을 보여주고 있다.

그림 6-28 해상시추 작업선 (geotechnical drillship)

218

6.3 선박, 해양 플랜트의 위험 및 안전 기술 동향

선박이나 해양플랜트는 과거에 비하여 경량화 되고 최적화 되어 왔지만, 오히려 많은

동적 효과를 가진 더 유연한 구조가 되어, 피로파괴와 같은 위험성이 증대된다. 과거에는

이러한 변화에 대한 선박 및 해양플랜트의 설계 및 건조를 경험에 많은 부분을

의존해왔으나, 현재에는 좀더 체계적인 안전성 평가가 요구된다. 따라서 본 절에서는

최근의 수행중인 사례들을 통해 선박, 해양 구조물의 안전성을 높이기 위해 설계, 운용

등의 예를 보인다.

6.3.1 원해역 해양 플랜트 (offshore plant) 및 해저 플랜트의 안전 운용

원해역 사고는 인명사고나 해양오염과 같은 큰 결과를 초래하므로, 석유산업에서는

원해역 플랜트의 안전 운용에 많은 노력을 쏟고 있다. 그 예로, 대형사고 위험관리와

노후 플랜트의 수명연장에 대해 살펴본다.

6.3.1.1 대형사고 위험관리

노르웨이 석유산업 안전당국(Petroleum Safety Authority, PSA)은 2000 년부터 Risk level

프로젝트 (RNNP)를 진행해왔다. 이 프로젝트에서는 석유산업 활동 중 발생할 수 있는

위험과 사건들 (Defined hazard and accident conditions, DFUs)에 대한 자료를 매년

수집하고 그 위험을 줄이기 위한 노력을 하고 있다. 이 DFU 중 대형사고로 이어질 수

있는 사건들은 생산 공정 중 기름 또는 가스 유출, 유정에서의 제어 실패, 화제 또는

폭발, 선박충돌 및 구조물 손상, 그리고 해저구조물에서의 기름 또는 가스 유출 등이

있다. 이 중 생산 공정 중 기름 또는 가스 유출, 유정에서의 제어 실패, 선박충돌에 대해

자세히 알아보겠다. 이 절에서 소개되는 내용은 RNNP 의 2013 년 요약보고서(PSA,

2014)를 기반으로 한다. 이 프로젝트에 관한 일반적인 내용은 PSA 웹사이트의 Risk level

부분 (http://www.psa.no/risk-level/category876.html)에서 찾을 수 있다.

먼저, 생산 공정 중 기름 및 가스 유출 사건의 경우, 유출 속도로 분류되어 원인과 함께

기록된다. 유출 속도에 따라 0.1-1kg/s, 1-10kg/s, 10kg/s 초과 이렇게 세 가지로

분류되는데 유출 속도가 클 경우 보통 화제나 폭발과 같은 대형사고로 이어질 수 있는

잠재성이 크다. 주목할 점은 유출 속도가 가장 작은 범주에 하한선을 두었다는 것인데,

이는 운영회사로 하여금 얼마나 작은 유출도 보고해야 하는지를 명확하게 한다. 2013 년

219

보고서에서 밝힌 2000 년 이후의 노르웨이 해에서의 생산 공정 중 기름 및 가스 유출

발생 횟수는 그림 6-30 과 같이 변화하였다. 그래프에서 볼 수 있듯 발생횟수는 2002 년

이후로 크게 감소했다. 이는 절반이상의 유출이 사람의 개입 (검사나 정비 등의 일)과

관련이 있다는 것을 발견하고 그 일을 하는 사람들에게 적절한 교육을 시키는 것을

의무화 하는 등의 활동을 한 유출 감소 프로젝트 (gas leak reduction, GaLeRe)의

성과였다(Vinnem & Røed, 2014). 이런 방식으로 원인 규명과 그 원인에 맞는 대책으로

유출 사고의 수를 줄이고 있다.

그림 6-29 기름 및 가스 유출 횟수(PSA, 2014)

유정에서 기름 또는 가스의 제어도 대형사고와 높은 연관성이 있는데, 왜냐하면 이는

유정에서의 기름 및 가스 분출 (blowout)로 이어질 수도 있기 때문이다. 따라서 기름 및

가스 유출과 마찬가지로 발생횟수를 기록하고 분석하고 있다. 뿐만 아니라, 2007 년부터

시작된 well integrity 성능에 관한 프로젝트에서는 노르웨이 해에서 운영되고 있는 모든

유정들을 blowout 의 위험성에 따라 분류하는 작업을 하였다. 그 분류 기준은 표 6.6 과

같고, 이에 따른 유정의 분류는 연도별로 그림 6-31 에 나타나있다.

표 6.6 유정의 분류 기준

분류 유정의 상태

Green 온전한 상태.

Yellow 하나의 barrier3는 용인되는 수준의 유출이 있고, 다른 하나의

3 Blowout 을 막는 barrier. 2 개의 barrier 가 유정에 설치된다.

220

barrier 는 성능이 약간 낮아졌거나 온전한 상태.

Orange 하나의 barrier 는 실패했고, 다른 하나는 온전한 상태. 즉, 단 하나의

고장이 blowout 을 야기할 수 있는 상태.

Red 하나의 barrier 는 실패했고, 다른 하나는 성능이 낮아졌거나 유출에

대해서 증명이 되지 않은 상태.

그림 6-30 위험성에 따른 유정의 분류

마지막으로 선박충돌 위험에 대해 살펴보면, Ekofisk 또는 Scandsli 에 있는 교통센터에서

원해역 생산설비나 이동식 설비와 선박이 충돌할 가능성이 있는지를 살펴봄으로써

충돌을 1 차적으로 예방하고 있다. 그 결과, 1999 년과 2000 년에 15 건이던 석유산업

활동과 관련된 선박충돌 사고가 최근에는 두 세 건으로 줄어들었다.

6.3.1.2 노후 플랜트의 수명연장

노르웨이 해에서 운영되고 있는 많은 수의 플랜트들이 그 설계수명을 지나고 있으나

생산할 수 있는 원유 및 가스는 아직 남아있는 지역이 많다. 따라서 노후 플랜트의

수명연장이 이슈화되고 있는데, 이를 위한 고려사항들과 관련 규범들에 대해 알아본다.

고려사항은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 하나는 구조적 온전함 (Structural

integrity)과 자재 손상 (Material degradation)이다. 여기서는 자재 손상에 관한 내용만

설명하겠다. 노후와 관련된 자재의 손상 메커니즘 중, 그 중요도가 높은 부식 (corrosion),

침식 (erosion), 피로 (fatigue), 수소와 관련된 균열 (hydrogen related cracking), 재료적

221

열화 (material deterioration)에 대해 자세히 설명하겠다. 제시되는 내용은 SINTEF

보고서(Hokstad, Håbrekke, Johnsen, & Sangesland, 2010)를 기반으로 한다.

먼저 부식은 주변환경에 노출되어 재료가 손실되거나 그 성질을 잃는 것으로 석유산업

활동에서는 주로 기름이나 가스에 의해 금속이 부식되는 것을 말한다. 틈이나 단열부위,

다른 종류의 금속이 만나는 부분 등에 생기는 국부적 부식이 있고, 금속 전체 표면에

부식이 생기는 경우도 있다. 드물게 박테리아에 의한 부식도 일어난다. 가스를

생산하거나 운행과 중지가 자주 반복되는 유정의 경우 노후 배관의 주된 문제가

부식이다. 검사 방법으로는 육안 검사나 초음파 검사 등이 있고, 모니터링 방법으로는 벽

두께 모니터링이나 미생물 모니터링이 있다. 예로 든 유정과 연결된 배관의 경우 직접

확인하는 것이 불가능하기 때문에 압력 변화를 살펴봄으로써 배관의 두께를 확인한다.

일단 부식이 확인되면 코팅이나 화학적 방법 등으로 보수되고, 보수가 불가능할

경우에는 해당 부품을 교체하도록 한다.

침식은 보통 기름이나 가스 혹은 다른 유체 이동에 의해 재료가 손상되는 것으로,

유체가 포함하고 있는 고체물질에 의한 경우가 있고 유체 그 자체의 전단력에 의한

경우가 있다. 생산유체가 모래를 많이 포함하고 있는 경우, 배관의 침식을 특히 주의해야

한다. 직접 조사하는 것이 불가능한 유정에 연결된 배관 등의 경우에는 부식과

마찬가지로 압력 변화를 살펴본다. 침식이 일어난 부품은 교체하며, 침식을 일으킨

요인을 조사하여 설계를 바꾸는 등이 방법으로 침식을 예방할 수 있다. 예를 들어,

모래가 섞여 있는 유체가 이동하는 배관에서 급격한 방향변화가 있으면 꺾이는 부분에

침식이 일어나기 쉽고 이 설계를 바꾼다면 이후의 침식은 예방할 수 있을 것이다.

반복된 하중으로 인한 재료의 균열 혹은 파괴를 피로현상이라고 하는데, 부식과 함께

일어나는 경우가 종종 있다. 피로는 유정설비 (wellhead system)에서 특히 문제가 되는데,

해저 환경과 BOP (blowout preventer, 유정에서 유체나 압력을 제어하는 설비)의 압력,

wellhead 위에 설치된 다른 설비로 인한 하중을 지속적으로 받아온 오래된 wellhead

system 의 경우 피로현상이 생기기 쉬우나, 그 검사가 쉽지 않기 때문이다. 보통의 경우,

육안 검사뿐만 아니라 진동 분석, 침투 검사, 자분 (magnetic particle) 검사, 초음파 검사

등으로 피로 검사가 이루어진다. 피로 파괴가 일어났다면, 사용하고 있는 재료보다 더 큰

하중을 견딜 수 있는 재료로 바꾸거나 보강재료를 더 설치함으로써 그 재료에 가해지는

하중을 줄여준다.

수소 원자로 인해 금속에 균열이 발생하기도 하는데, 보통 기름 혹은 가스와의 접촉에

의해 일어난다. 배관의 용접부위에서부터 균열이 방생하는 것이 흔하다. 육안 검사, 누출

222

검사 등으로 균열을 확인하고, 코팅을 다시 하거나 수소에 의한 손상이 적은 재료로

바꾸는 방법으로 보수된다.

재료적 열화는 재료가 특정 온도나 환경, 하중 등에 노출되어 손상을 입는 것으로

고분자화합물, 섬유 복합 재료, 코팅 등의 취화 (embrittlement), 금속의 소성 변형 (plastic

deformation) 등을 포함한다. 해상의 플랫폼에 설치되는 설비 중에는 금속이 아닌 재료들,

예를 들어 플라스틱으로 된 탱크 등은 지속적으로 노출된 대기 중의 자외선 때문에

취화되어 균열이 일어나기도 한다. 모니터링 방법으로 벽 두께 검사뿐만 아니라 물

흡수나 확산 등을 확인하는 방법이 있다. 재료적 열화가 일어났다면, 다른 재료로

바꾸거나 문제가 된 요인을 조사하여 재료와의 접촉이 일어나지 않도록 조정해야 한다.

노후 플랜트의 수명 연장 관리 경영과 관련된 기준(Standard)에서는 어떻게 명시하고

있는지 비교해 보았다. (예, 노르웨이 NORSOK, 미국 API)

Norsok N-005, Condition monitoring of loadbearing structures

Norsok N-006, Assessment of structural integrity for existing offshore load-bearing

structures

플랫폼 운영 회사는 구조물이 의도된 목적에 맞게 설치되고 계획된 생산 기한

동안 하중을 버텨 낼 수 있을지 확신할 수 있어야 한다. 체계적인 관리 하에 해양

구조물이 관리 관찰 되어야 한다.

이 문구는 전반적인 수명연장 관리에 관한 개념, 관리 감독 체계 수립, 검사에

관한 계획, 데이터 기록, 수리 및 유지 보수, 절충안, 응급처치에 관한 발전을

포함하고 있다.

기본 설계 생산 기한을 넘긴 플랫폼의 운용을 위한 건전성 확인 조사 지침서

건전성 자격 재심사가 필요한 경우 예시:

– 서비스 기한을 넘겼거나,

– 기존 충족사항들이 더 이상 수행 불가능할 시, 예) 지반 침하로 인한

좁아진 상부구조와 해수면 사이 간격

– 변경, 개조 또는 운용 방식의 변화

– 새로운 해양 조사 자료

– 구조물의 손상

– 구조물의 피로도 또는 부식으로 인한 줄어든 구조적 용량

API RP 2SIM, Recommended Practice for the Structural Integrity Management of

Fixed Offshore Structures.

223

구조적 보전성 관리 시스템(Structural Integrity Management)은 해양구조물이

설치부터 해체될 때까지 목적에 부합하게 운용될 수 있기 위해 필요한 과정 절차

이다.

여기에서 과정이라 함은 침식에 의한 영향, 부과하중의 변화, 생산기한 연장,

구조물 디자인의 진화 등에 관한 포괄적인 의미의 이해를 말한다

SIM 은 손상 심사평가, 목적에 맞는 수행평가, 조사 계획, 플랫폼의 유지 및

보수를 위한 전반적인 틀을 마련해 줄 것 이다.

6.3.2 고정식 플랫폼 안전성 평가 기술

고정식 해양 구조물은 인간이 만들어낸 어느 구조물보다 생산 수명기한 동안 가장

복잡하고 험한 환경에 노출되어 있지만 지난 수 십 년 동안 점진적인 해양 구조물 설계

개발의 노력으로 인해 주어진 생산 환경에 맞게 최적화된 디자인 기술로 수명 기한 동안

구조물이 안전적인 생산을 할 수 있게 되었다. 파도, 바람들과 같은 환경 하중과

구조물의 반응의 이해와 함께 해석 프로그램의 점진적 발달로, 구조물의 안전성

재평가에 대한 관심은 점점 더 높아지고 있다. 특히 지난 20 년동안, 지반 침하가

일어나고 있는 일정지역의 설치된 고정식 플랫폼의 안정성 재평가에서 상부구조의

부가적인 파랑하중 영향으로 인한 하부 구조물의 건전성에 대한 관심과 염려는 해양

석유 가스 산업에 점점 높아지고 있다.

그림 6-31 파랑하중에 노출된 상부구조의 예 (Balakrishnan G Nair, 2014)

상부구조의 파랑하중에 대한 노출의 가장 큰 이유 석유 가스 개발로 인해 해양 유전

지반의 압착으로 인한 지반침하를 들 수가 있다. 대표적인 예로, 1980 년대 중반 Ekofisk

유전 지역의 많은 구조물들이 잘못된 해저 지반의 압축 속정작용의 계산으로 인해 약

224

6m 의 지반침하로 상부구조물의 파랑하중에 노출 되게 되었고 조사결과 플랫폼의

안정적인 생산 활동을 보장할 수 없게 되었다. 그로 인해 7 개중 5 개의 플랫폼은 하부

구조를 6 m 연장함으로써 다시 안정적인 생산을 할 수 있게 되었었다. 하지만 그 뒤로

꾸준한 지반 침하로 인해 현재까지도 구조물의 안전성 재 평가에서 가장 큰 숙제거리로

남아 있는 현실이다 (Wikipedia).

설계 수명을 넘긴 구조물들의 서비스 수명을 연장을 필요로 하기도 한다. 이런 서비스

수명 연장을 위해 구조물의 자격 재심사가 필요하다. 또한 증가된 상부구조의 무게나

새롭게 개정된 환경 기준, 혹은 손상에 의한 하중 수용력 변화, 부식, 부재에 대한 더

나은 이해, 지반 조사 결과에 따라 설계수명 내 구조물임에도 불구하고 자격 재심사가

이루어 지기도 한다.

자격 재심사의 과정으로 선박 충돌 또는 가혹한 환경 하중 때문에 일어날 수 있는

강구조 부재의 건전성 평가를 하게 된다. 파랑 하중에 노출된 상부구조물로 인해

증가된 환경 하중 때문에 하부구조의 건전성 평가가 자격 재심사에 있어서 꼭 필요하게

되었다.

예를 들어 1970 년대 말에 지어진 Eldfisk/Ekofisk 유전지역의 구조물 대부분은 이미

설계수명을 넘겼지만 유전개발을 위한 서비스 수명 연장을 위해 건전성 평가가 이루어

지고 있고 파랑하중과 관련된 많은 해석이 실제로 이루어 지고 있다.

전통적인 고정식 해양구조물은 상부구조의 파랑하중과 같은 큰 환경 하중에 견딜 수

있도록 설계가 되어 있지 않았다. 이런 시나리오 내에서, 만약 파도가 상부 구조를 치게

됨으로서 생기는 전단 하중 때문에 하부 구조물의 건전정은 과부하가 걸릴 수 있다.

또한 파랑하중으로 인한 종 방향 장력 하중 또한 상하부 구조물의 건전성에 영향을 끼칠

수가 있다.

파랑하중 문제는 매우 복잡한 물리적 메커니즘을 내포하고 있기 때문에 이런 자연적

현상의 CFD 테스트를 위한 실험 모델 효용성 조사는 반드시 필요하다.

225

그림 6-32 CFD 계산결과와 비교를 위한 이상화된 상부구조 (직사각형 블록 모형) 의

파랑하중 계산 테스트 및 하중 측정 (Pákozdi, n.d)

파랑하중 모의 실험을 위해 Comflow 또는 Star-ccm+ 와 같은 상용 CFD 프로그램들이

있다. 이와 같은 컴퓨터 프로그램이 산출해낸 결과와 실제 2d 또는 3d 모델 실험

테스트에서 얻어진 파랑하중의 트랜드는 서로 비슷하게 산출되지만, 하중의 규모에서

서로 약간의 차이를 보임으로서 정확한 환경하중 계산에 있어서 아직까진 어려움이 있는

이 있는 실정이다.

하부 구조 건정성 평가를 위해 Usfos 와 같은 비선형 구조해석 프로그램을 이용한

파랑하중 시간영역 해석을 하기도 한다.

그림 6-33 상부구조 파랑하중에 의한 하부구조 건정성 평가 – 비선형 구조해석 (Aker

Solution)

지반 침하로 상부구조의 파랑하중이 염려되는 지역에 설치될 고정식 해양 구조물이라고

226

하면, 이런 과 하중을 버텨 낼 수 있도록 설계 초기 단계 때부터 고려되어야 할 것이다.

또한 기회가 주어진다면, 이미 설치되어 있는 고정식 구조물의 자격 재심사과정의 한

부분으로써 고려되어야 할 것이다.

227

참고문헌 (Bibliography)

Morris, C. (2013). Denmark surpasses 100 percent wind power. from

http://energytransition.de/2013/11/denmark-surpasses-100-percent-wind-power/

Rowe, M. (2013). Shipbuilding Market Overview. from

https://www.marinemoney.com/sites/all/themes/marinemoney/forums/HK13/presentati

ons/0955B%20Martin%20Rowe.pdf

Schuler, M. (2013). "Sideways" Icebreaker Launched at Arctech Helsinki Shipyard. from

http://gcaptain.com/sideways-icebreaker-launched-at-arctech-helsinki-shipyard/

USCG. Major Icebreakers of the world. from

http://www.uscg.mil/hq/cg5/cg552/docs/MAJOR%20ICEBREAKERS%20Chart.pdf

Wikipedia. Middelgrunden. from http://en.wikipedia.org/wiki/Middelgrunden

김기준. (2006). 노르웨이 조선소 및 선박 제조현황. from

http://tradedoctor.kotra.or.kr/bp/cn/gw/BPCNGW021M.html?BBS_ID=10&ARTICLE_ID=

2095805&MENU_CD=M00001&UPPER_MENU_CD=M00002&MENU_CD2=M00006

Balakrishnan G Nair, A. (2014). Wave-in-Deck Loading of Offshore Structures. from

http://chemtech-online.com/SMP/balakrishnan_nair_jan14.html

Hokstad, P., Håbrekke, S., Johnsen, R., & Sangesland, S. (2010). Ageing and life

extension for offshore facilities in general and for specific systems: SINTEF.

Pákozdi, C. (n.d). Wave-in-deck impacts. from

http://www.sintef.no/home/marintek/projects/oil-and-gas/wave-in-deck-impacts/

PSA. (2014). Trends in the risk level on the Norwegian Continental Shelf, Summary

report.

Vinnem, J. E., & Røed, W. (2014). Norwegian oil and gas industry project to reduce

hydrocarbon leaks. Paper presented at the SPE Economics & Management.

Wikipedia. Ekofisk oil field. from http://en.wikipedia.org/wiki/Ekofisk_oil_field

228

This is the end of this report

229