최근 산업구조의 고도화에 따라 다양한 산업분야에서 화석연료 등의 에너지소모가 급증하면서 환경문제의 심각성이 대두되고 있다. 그중 질소산화물(NOx)은 산성비와 광화학 스모그의 원인이 되며 눈과 호흡기를 자극하고 식물을 고사시키는 등 주요 대기오염물질로 규제되고 있다. 이와 관련하여 국제해사기구(IMO)에서는 선박대기오염물질의 배출을 규제하는 규정을 만들었으며, 최근에는 배출규제를 강화하는 등 적극적인 규제활동을 벌이고 있다. 따라서 본 논문에서는 선박배기가스 질소산화물의 배출규제 현황과 배출 규제안에 대응하기 위해 본 연구원에서 연구개발 중인 배기가스 오염물질 저감장치의 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction, SCR)시스템에 관하여 간략히 기술한다.

지구 환경오염문제가 대두되면서 세계 각국에서는 환경오염을 최소화하려는 움직임이 활발히 이루어지고 있다. 국제해사기구(IMO)에서는 해양 대기오염의 상당량이 선박에서 배출되는 배기가스에 의한 것으로 판단하고 있으며, 이에 따라 선진국을 중심으로 선박관련 환경규제 및 선박 배기가스 배출기준을 점차적으로 강화해 가고 있고, 친환경 선박 및 기자재 개발을 적극적으로 진행하고 있다. 현재 선박에 적용 가능한 NOx 제거장치로는 ECR(Exhaust Gas Recirculation), SCR(Selective, Catalytic Reduction), SAM(Scavenge Air Moistening) 등이 개발되었으며, 연소온도 조절 및 촉매 환원반응 등을 이용하여 NOx를 제거하고 있다. 현재 개발된 탈질설비 중 현실적으로 가장 적합한 것은 SCR시스템으로 인식되고 있으나, 연료효율 감소로 인하여 가스연료를 이용하거나 새로운 연료개발 등 사용연료에 변화를 주는 방법들이 미래의 대안으로 제시되고 있다.

IMO의 해양오명 방지협약(MARPOL 73/78)에 의하면 선박 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)의 배출 제한을 강화한 IMO Tier III 기준이 2010년에 발효되어 2016년부터 신조선에 적용되며, NOx는 85% 이상 저감할 것을 요구하고 있다. 국제적으로 적용되는 선박배출가스 기준을 국내에 적용하고, 검증하기 위해서는 이를 시험할 수 있는 시험/검증 절차와 방법을 개발하는 것 또한 시급한 문제이다. 선진국들은 이미 오염물질 배출 저감 장비를 채택하고 대기 중 오염물질 측정 장치 도입을 추구하는 추세이며, 친환경 선박 기자재 개발로 차세대 녹색선박기술 선점을 주력하고 있다. 대한전기협회에서는 독일 VGB사의 "VGB-R 302 He 1998 $2^{nd}$ Revised edition" 2010년 판을 참고하여 발전소에 대한 SCR 시스템의 성능시험 및 진단 권장지침을 만들어 이용하고 있지만, 선박 SCR 시스템에 대한 내용은 정해진 바 없으며, 이를 개발하는 것 또한 중요하다.

인구의 증가와 급속한 산업화 그리고 편안함을 추구하고자 하는 문명의 이기로 인한 에너지 사용량 증가는 환경오염을 가속화시키는 문제를 유발하고 있어 전 세계적으로 심각한 사회문제로 대두되고 있다. 이에 반해 삶의 질의 향상에 따라 보다 쾌적한 환경에 대한 욕구와 인식의 변화로 환경보호에 대한 관심이 증가하는 추세이며, 이에 따라 각 국의 환경규제는 날로 강화되고 있다. 이러한 환경문제를 해결하기 위한 국제협력이 활발해지면서 무역과 연계된 국제 환경규제가 가속화되고 있으며, 환경선진국은 이러한 환경규제를 무역장벽으로 이용하고 있어 국가의 대외경쟁력에도 직 간접적으로 영향을 미치고 있다. 환경오염물질 중 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 일산화탄소(CO), 이산화탄소($CO_2$) 및 휘발성유기화합물(VOCs), 다이옥신 그리고 입자상물질(PM)과 같은 대기오염물질은 대기 중으로 쉽게 확산되는 특성에 의해 인접한 지역까지 영향을 미치기 때문에 국제적인 규제대상의 초점이 되고 있으며, 경제협력개발기구(OECD, Organization for Economic Cooperation and Development), 유엔산하 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization) 및 국제연소기구협회(CIMAC, International Council on Combustion engines)등 여러 국제기구를 중심으로 각종 규제수단을 개발하여 적용하고 있다. 특히, 국제해사기구(IMO)에서는 선박에서 발생되는 오염물질 등에 대한 규제강화를 위하여 새로운 국제해양오염방지협약(MARPOL)을 채택, 발효하여 그 규제 범위를 넓혀감에 따라 선박에 대한 각종 환경규제가 대폭 강화되고 있어 친환경 선박 및 관련 기술 개발이 활발히 진행 중에 있다. 이 글에서는 선박에서 배출되는 대기오염물질 중 그 자체로도 인체에 유해하며, 산성비, 광화학스모그 등 다양한 환경문제를 유발시키는 대표적인 물질인 질소산화물(NOx)과 질소산화물 배출규제에 대한 대응기술인 선택적촉매환원법(SCR, Selective Catalytic Reduction)과 SCR 탈질시스템에 사용되는 SCR 촉매에 대해 소개하고자 한다.

NOx 저감방법으로 여러 가지 방법들이 존재하며 연구되고 있다. 그중 Urea-SCR은 적용가능한 온도범위가 넓고 우수한 저감효율을 보여 자동차엔진의 NOx 저감장치로 많은 연구가 진행되어 왔다. Urea-SCR은 고체 Urea의 열 해리반응으로 생성되는 암모니아가스와 NOx 와의 화학반응으로 제거하는 것이 목적이다. NOx저감효율에 직접적인 영향을 주는 변수에는 분사노즐의 분무특성, 배기관내 분사위치, 요소수의 유량제어 등 여러 가지가 존재한다. 따라서 본문에서는 여러 가지 분사노즐, 유량제어방법, 배기가스 물성치 및 관내 유동특성 등에 대해 소개하고 Urea-SCR시스템 적용가능성을 언급하고자 한다.

세계적으로 NOx 저감 및 규제치의 강화로 인해 디젤기관에서 발생되는 NOx 제거에 대한 연구가 활발히 진행 중이며, 암모니아 환원제와 배출가스의 NOx를 혼합하여 촉매 존재하에서 NOx를 제거하는 시스템이 개발되고 있다. 대부분 암모니아를 보관성이 용의한 요소(Urea) 수용액으로 대체하여 배기관 내에 직접 요소수를 분사하며 요소 수용액이 고온의 배기가스에 의해 증발되어 암모니아를 환원시키며, 촉매를 통하여 탈질을 하는 Urea-SCR 시스템을 채택하고 있다. 따라서 촉매전단에서 요소수가 완전히 증발되고, 또한 촉매 입구에서 요소수의 증발로 인해 환원된 암모니아의 분포도 균일해야 함으로 Urea-SCR 시스템이 배기가스 유동 및 온도에 최적화된 분무특성을 가지는 분사제어 시스템을 제시하고자 한다.

환경오염 문제로 인하여 질소산화물의 규제가 크게 강화되었으며 규제에 대응을 위한 연구가 활발히 진행되면 배기가스 후처리 기술 중의 SCR시스템이 연구되고 있다. 이러한 시스템의 개발에 있어 엔진 거동에 대한 NOx 제거효율을 높이고 장비가격을 낮추기 위하여 정확한 농도 측정이 필요하며, 이러한 측정에 들어가는 감시물질을 이용한 가스센서 방식의 반도체 감지 재료를 이용한 방식, SAW(surface acoustic wave)소자를 이용한 구동 방식, Micro / Nano 공진자를 이용한 방식과 광학방식을 이용한 가스센서의 적외선 흡광 방식, 광음향 방식의 기술소개 및 시장동향에 대하여 간략히 기술한다.

본 연구는 5,000PS급 선박용 SCR 촉매시스템에 관한 내부 유동특성을 전산유체역학(CFD)을 통해 예측하고 설계에 반영하기 위한 기초를 확보하기 위함이다. 따라서 SCR 촉매반응기 내부 유동특성을 수치해석하기 위한 기법을 소개하였고, 촉매 Cell에 대한 수학적 모델링을 제시한 후 SCR 촉매시스템에서 NOx를 환원시켜 주는 촉매담체에 대한 압력강하를 실험과 수치해석을 통해 비교하였다. 그 결과 수치해석 결과가 실험에 매우 근접함을 확인할 수 있었다. SCR 촉매반응기에 대한 유동특성을 수치해석을 수행하여 각 지점에 대한 압력과 속도분포를 확인하였다. 또한 촉매 담체로 배기가스가 유입되는 입구부의 유동균일도를 예측하기 위해 Inlet pipe의 $90^{\circ}$ 각도에서 유입길이를 변화시켜 수치해석을 수행하였다. 그 결과 각도와 길이에 영향을 받는 것으로 나타났다.

채터진동은 공작기계에서 가공중에 소재와 공구사이에 나타나는 급격한 상대진동을 말한다. 이러한 진동은 가공 소재 품질에 심각한 영향을 미치는 요소일 뿐만 아니라 가공툴과 기계에 손상을 유발시키는 인자이기도 하다. 본 연구는 공작기계의 구동 중 발생되는 채터진동을 실시간으로 감지하여 공구의 회전속도와 이송 속도를 제어하여 자율보정함으로써 보다 빨리 채터진동의 영향을 보상함을 물론 보다 정밀한 가공물을 생산할 수 있는 채터진동 감지 및 보정에 관한 것이다. 실시간 처리를 위하여 본 연구에서의 공작기계의 채터진동 보상장치는 공작기계에 임베디드 형태의 디바이스로 개발되었으며, 구성은 공작기계의 채터진동을 감지하는 센서와 센서로부터 감지된 채터진동에 따라 보상값을 예측하여 산출하는 채터보상기를 포함하여 공작기계의 CNC제어기의 연계 구성됨을 특징으로 한다.

유압식 무단변속기(HCVT : Hydraulic Type Continuous Variable Transmission)는 유압펌프와 유압모터의 용적변화에 의하여 무단변속이 이루어지므로 내부구조가 간단하고 변속충격도 거의 없다. 그리고 유압펌프와 유압모터는 작동압력을 높임으로써 출력비와 토크를 크게 향상시킬 수 있다. 그러나 기존 변속기에 비하여 콤팩트한 장점은 있지만 동력전달효율이 다소 떨어진다. 그리하여 연비보다는 한정된 공간, 기동력, 그리고 고출력을 요구하는 중 대형차량의 차세대 변속기로 널리 활용된다. 본 연구에서는 선진국의 무단변속기에 대한 연구동향을 정리하고 국내에서 연구 개발이 진행되고 있는 유압식 무단변속기의 작동원리, 기계장치의 내부구조, 그리고 유압장치의 변속기능을 소개한다. 또한 기계동력전달과 유압동력전달에 관련된 수식들을 유도하고 다양한 동력조건에서 시뮬레이션을 수행하여 유압식 무단변속기의 내 외부에서 생성되는 토크, 속도, 동력 등의 각종 물리량들을 분석한다. 이러한 정보들은 구성부품들의 선정 및 설계에 유용한 자료로 활용된다.