테라헤르츠 고민감 센싱 시스템을 활용한 미세먼지-병원체 바이오 에어로졸의 공기 중 감염성 질병 전파 메커니즘 규명
본 연구에서는 현대사회의 가장 심각한 보건 문제인 공기 중 질병 전파의 원인인 바이오 에어로졸에서 병원체의 감염성에 대한 미세먼지가 끼치는 영향을 새롭게 규명하여 감염성 질병의 공기 중 전파에 대한 근본적인 원인과 대응책을 제시하고자 함
에어로졸
병원체
감염성
미세먼지
바이오센싱
2
협동|
2021년 4월-2023년 12월
|300,000,000원
나노코팅 기반 고효율 냉방 및 CO2 복합공급기술 개발 및 실증
1차년도: 나노표면처리 개량기술 및 냉방·탄산 복합공급 요소기술 개발
[고내구성/저비용 나노코팅 개량 기술개발/ 냉수·탄산 복합공급 시스템 요소기술 개발]
① 초소수성 기반 복합 냉방·제습 효율성 검증
② 초저온 운전 가능 Anti-icing 기반 기능성 (고성능 냉방, 제습, 항균) 표면 개량 기술 개발
③ 개량 표면 단위 냉방, 제습, 항균 성능 평가
④ 냉수, CO2 2차측 분배조 시스템 및 제어기술 개발
2차년도: 운전조건 최적화 및 복합공급 시스템 최적제어 시스템 구축
[운전조건에 따른 표면처리 최적화/ 냉수탄산 복합공급 시스템 최적제어 기술 개발]
① 시스템 운전 조건에 따른 적용 기능성 표면의 냉방, 제습 효율 예측 모델 개발
② 목표 냉방, 제습 효율과 제한 요건을 고려한 최적의 표면 특성 규정 및 최적화
③ 시스템의 운전 조건에 따른 최적 표면 특성 검증 및 시스템 운전 방법 개발
④ 냉수, CO2 복합이송시스템 제어특성 시험 및 고도화
⑤ 분산형 축냉조 연계 최적제어시스템 설계, 성능평가
3차년도: 실증기반 성능 고도화 개발 및 제어 최적화
[현장실증 기반 최적화 및 고도화 ]
① 실 재배 환경에서의 냉방 및 제습 효율, 항균성 성능 평가 및 실증
② 스마트 온실 복합환경 제어기술에 적용하여 성능 평가 및 실증
③ 사업화를 위한 고내구성, 저비용 표면개량 기술 개발
④ 냉열·CO2 복합공급 열네트워크 실증 및 고도화
⑤ 분산형 축냉조시스템 열설계/시뮬레이션 기반 최적설계
본 과제는 건물 외장재로 활용되는 BIPV(Building Integrated Photovoltaics)에 적용 가능한 유연하고 반투명한 태양전지 상용화 기술을 개발하는 연구임. 이는 태양전지가 전기를 생산하면서도 건물의 디자인과 조화를 이루고, 외부 환경 변화에도 강한 내구성을 갖도록 하는 데 중점을 둠.
연구 목표는 내구성과 심미성을 갖춘 BIPV용 플랙시블 셀 단위 원천 기술을 개발하고, 이를 기반으로 모듈 및 시스템 단위의 상용화 혁신 기술을 탐색하는 것임. 핵심 연구 내용은 전기영동증착법(EPD)을 이용한 DSSC 전극 나노 물질 코팅 최적화 및 하이드로겔 전해질 막 생성과 특성 제어를 통한 투명도와 발전 효율성 향상임. 또한, 대면적 모듈 접합 및 고신뢰성 패키징 기술, R2R 생산방식 Pilot Plant 구축 최적화 기술, 염료 흡착공정 최적화 기술을 통한 양산화 시설 개발 방안 등을 탐색하는 것임. 기대 효과는 전기영동법 및 하이드로겔 등 신기술 적용으로 대면적, 고효율, 고신뢰성 제품 개발을 통한 시장 창출 및 선점 효과임. 특히, 실리콘 태양전지의 한계를 보완하는 염료감응형 태양전지의 상용화 기술과 내구성 및 효율성을 높이는 혁신 기술 확보가 가능할 것으로 전망됨.
스마트 넷-제로 에너지 빌딩을 위한 하이드로겔 전해질 필름과 전기영동증착 전극 기반 1. 고신뢰성 2. 반투명 3. 대면적 4. 유연 태양전지 셀 상용화 기술 개발
1. 대면적 전도성 막-염료/광촉매-하이드로겔-전도성 막 복합필름 제작 및 특성 제어 기술 개발2. 복합 필름의 전해질 증발을 방지하고 외부 환경으로부터 셀 보호가 가능한 패키징 기술 개발3. 전극 소재 프린팅 및 전해질 막 연속 제조 방식 개발4. 고속 자동 셀 패키징 기기 개발5. 2차 기술 이전
바이오 에어로졸은 박테리아, 바이러스 등의 세균을 포함하는 공기 중에 오랫동안 떠다닐 수 있는 작은 물방울이나 입자를 말한다. 중력의 효과를 거의 받지 않는 바이오 에어로졸은 세균을 빠르고 멀리 이동시킬 수 있기 때문에 동식물과 사람의 중요한 질병의 전파 매개 수단으로 여겨지고 있다. 이러한 바이오 에어로졸의 생성, 이동, 전달에 대한 이해는 공기로 감염되는 질병 예방과 병해충 방지 및 미생물 농법을 위한 신기술 개발로 연결될 수 있다.
본 과제에서는 에어로졸을 통한 세균과 오염물질 이동을 실시간 감지하고 방지할 수 있는 시스템을 개발하려고 한다. 우선 열유체 공학, 광학, 이미지 처리 기법을 이용하여 환경 변화에 따른 에어로졸과 에어로졸 내 세균의 특성 변화를 측정할 수 있는 시스템을 개발한다. 이를 통해 에어로졸을 통한 병원균 이동 현상을 설명하고 예측할 수 있는 모델을 개발하여 에어로졸을 통한 세균의 생존율과 전염성을 평가할 수 있다. 에어로졸을 통한 세균과 오염물질 이동을 감지하고 방지할 수 있는 시스템을 개발하여 인류의 건강과 농업 생산성 향상에 기여한다.
본 과제는 연구목표를 위해 총 5차년 동안 다음의 연구를 수행할 계획이다.
* 1차년도: 공기 중에 확산되는 에어로졸 입자를 확대하여 볼 수 있는 광학 시스템을 개발하고 디지털 이미지화 할 수 있는 시스템을 개발한다. 확보한 이미지를 컴퓨터를 통한 이미지 처리를 통해 공기 중 에어로졸 입자의 개수와 이동 속도를 분석할 수 있는 프로그램을 개발한다. 이를 주변의 온도, 습도, 풍속의 변화에 따른 에어로졸 입자의 크기, 개수, 이동 방향과 속도 변화를 예측할 수 있는 모델 개발에 이용한다.
* 2차년도: 공기 중에 확산되는 에어로졸 속의 미생물의 개체 수를 형광법을 이용하여 실시간 측정할 수 있는 이미지 처리 기법을 개발한다. 실시간 측정을 위해 광학 시스템을 이용한 세균 확대 기술을 개발하고 고속 촬영 기법을 적용한다. 얻은 세균을 포함한 에어로졸 이미지를 분석할 수 있는 프로그램 개발.
* 3차년도: 공기 중에 확산되는 에어로졸 속의 미생물의 개체 수를 형광법을 이용하여 실시간 측정할 수 있는 이미지 처리 기법을 개발한다. 실시간 측정을 위해 광학 시스템을 이용한 세균 확대 기술을 개발하고 고속 촬영 기법을 적용한다. 얻은 세균을 포함한 에어로졸 이미지를 분석할 수 있는 프로그램 개발.
* 4차년도: 1~3년 차에 개발된 세 가지 모델을 동, 식물 전염병을 일으키는 세균에 적용하여 병원균 별 에어로졸을 통한 전달 효율을 측정하고 예측 모델을 개발한다. 전달 효율에 따른 동, 식물 발병률을 측정하여 병원균 별 전달 효율에 따른 발병 가능성과의 관계를 도출하여 예측 모델을 개발한다.
* 5차년도: 1~4년 차 결과를 실제 시스템 개발에 적용한다. 선행 개발에서 얻은 에어로졸 발생 기법으로 고체 표면, 물속, 대기 중의 세균을 에어로졸 화 한다. 에어로졸 화 된 세균은 개발된 이미징 장치와 분석 프로그램을 통해 정량화하고 생존율과 발병 가능성을 예측 모델을 통해 평가한다. 이를 통해 실시간 생존율과 전염 가능성을 평가하고 예측할 수 있는 시스템을 개발한다.
전기영동증착 나노코팅 원단과 카본 소재 프레임을 활용한 비 젖음 방지, 세균 증식 억제 및 강풍 저항성 강화 초경량 고강도 발수·항균 우산 시제품 개발
중소기업기술정보진흥원
본 프로젝트는 전기영동증착 나노코팅 기술과 카본 소재 프레임을 활용하여 발수성, 항균성, 강풍 저항성을 갖춘 초경량 고강도 우산 시제품을 개발하는 데 목적이 있습니다. 전기영동증착 기술을 통해 원단 표면에 나노코팅을 균일하게 형성하여 물의 흡수 및 잔류를 방지하고, 세균 및 오염 물질의 증식을 억제하는 기능을 제공합니다. 이러한 특성은 기존 우산 제품에서 해결하기 어려웠던 젖음 방지와 위생 문제를 동시에 해결합니다. 또한, 카본 소재를 활용한 프레임 설계를 통해 우산의 경량화와 고강도 특성을 확보하여 강풍 저항성을 크게 향상시킵니다. 카본 프레임은 기존 금속 프레임보다 가벼우면서도 높은 내구성을 제공하며, 복잡한 하중과 충격 상황에서도 안정적으로 형태를 유지할 수 있습니다. 이와 함께 나노코팅 원단의 발수 성능은 비와 강풍이 동반된 극한 환경에서도 우수한 방수 효과를 발휘합니다. 본 프로젝트의 결과물은 생활 편의성을 높이는 것은 물론, 위생과 내구성을 강화한 차세대 우산 제품으로 자리 잡을 것입니다. 이러한 혁신적인 제품 개발은 단순 소비재를 넘어선 첨단 기술 기반의 산업적 가치를 창출하며, 지속 가능한 소재와 기술의 활용을 통해 환경에도 기여할 수 있는 가능성을 열어줄 것입니다.
대면적 화상 치료를 위한 습윤, 항균, 접착성이 강화된 하이드로겔 패치 (LINC3.0 산학공동 기술개발 시제품 제작 지원과제)
한국연구재단
하이드로겔 패치는 화상 치료를 위한 혁신적인 솔루션으로, 습윤 환경을 제공하여 피부 재생을 촉진하고, 항균 특성을 통해 감염을 예방하며, 뛰어난 접착력을 바탕으로 화상 부위에 안정적으로 부착될 수 있습니다. 특히, 진물을 흡수하면서도 접착력이 적절히 조절되어, 화상 부위에 불필요한 자극을 주지 않고도 패치를 쉽게 교체할 수 있습니다. 또한, 투명한 특성 덕분에 레이저 및 광원을 활용한 치료 과정에서도 효과적으로 사용 가능합니다.개발된 하이드로겔 패치는 이러한 다기능적 특성을 통해 대면적 화상 치료에 최적화되어 있으며, 화상뿐 아니라 다양한 상처 치료에도 폭넓게 활용될 수 있어 의료 분야에서의 혁신적 역할이 기대됩니다.
테라헤르츠 고민감 센싱 시스템을 활용한 미세먼지-병원체 바이오 에어로졸의 공기 중 감염성 질병 전파 메커니즘 규명
한국연구재단
본 연구는 테라헤르츠 고민감 센싱 시스템을 활용하여 미세먼지-병원체 바이오 에어로졸이 공기 중 질병 전파에 미치는 영향을 규명하고자 함. 미세먼지의 성분과 병원체의 복합적 상호작용을 분석하여 감염성 질병 전파의 메커니즘을 규명하고, 실시간 모니터링 및 예측 시스템을 개발하는 것이 핵심. 1차년도에는 미세먼지와 에어로졸 특성을 분석하고, 펨토초 레이저 기반 테라헤르츠 시간 영역 분광법(THz-TDS)을 이용한 에어로졸 모니터링 시스템을 설계함. 2차년도에는 바이오 에어로졸 제작 기술과 광대역 테라헤르츠 신호 분석 알고리즘을 개발하고, 에어로졸의 물리적·화학적 특성을 평가. 3차년도에는 에어로졸 내 입자 거동과 미생물 활성 변화 분석을 통해 실시간 에어로졸 분석 시스템을 확립함. 이를 통해 미세먼지와 병원체의 복합 입자가 공기 중 질병 전파에 미치는 영향을 규명하고, 환경, 보건, 과학기술 분야에서 활용 가능한 실질적 대책과 기술적 혁신을 도모하며, 감염성 질병 예방 및 대기질 관리에 기여할 것으로 기대됨.
제로에너지 건축물 구현을 위해 하이드로겔 전해질막과 전기영동법 기반의 투명, 유연 태양전지 기술 개발을 목표로 함. 기존 실리콘 태양전지의 고온 공정 문제, 액체 전해질 누설 문제, 제작비용 상승 문제 등을 해결하기 위한 핵심 기술로 전기영동 코팅 및 하이드로겔 전해질막 적용 기술을 제시함. 목표는 효율 10% 이상, 투명도 80% 이상, 곡률 반경 0.5cm 이하를 구현하여 상용화 기술 확보를 추구함. 해당 기술은 세계 최초의 하이드로겔 태양전지를 기반으로 하며, 대면적 모듈 양산 기술 개발, BIPV 인증 획득, 글로벌 시장 선점 가능성이 높음. 기존 시장의 한계를 극복하고 태양전지 산업의 자립과 함께 국내외 수출시장 개척 가능성이 기대됨.
나노버블 생성 노즐 기술과 산업용 원심분리기 기술을 활용한 악취 절감 시스템 개발 (LINC3.0 산학공동 기술개발 시제품 제작 지원과제)
한국연구재단
본 기술은 나노버블 생성 노즐 기술과 산업용 원심분리기 기술을 융합하여, 절삭유, 폐유, 오·폐수 등의 유체에서 발생하는 악취를 효과적으로 줄이는 혁신적인 시스템입니다. 기존 원심 분리 작업 후, 유체를 저장하는 탱크 내부에서 발생하는 부패 현상으로 인해 악취가 유발되고, 절삭유의 변색 및 방청성 감소와 같은 문제가 발생하는 상황을 개선하고자 합니다. 이를 해결하기 위해 유체 내 용존 산소량 증가, 멸균 효과, 점도 변화 등의 기능을 제공하는 나노버블 생성 노즐을 원심분리기에 적용한 차세대 시스템을 개발할 계획입니다. 본 시스템은 나노버블의 물리적·화학적 특성을 활용하여 유체의 품질을 유지하며, 환경 친화적이고 효율적인 악취 절감 효과를 기대할 수 있습니다. 이 기술은 절삭유 및 폐유 처리, 산업용 오·폐수 관리 등 다양한 산업 분야에서의 활용 가능성을 열어주며, 생산 공정의 지속 가능성과 비용 절감에도 기여할 것입니다.
에어로졸을 통한 병원균 이동 실시간 감지 및 전염성 예측 시스템 개발이 목표임. 에어로졸은 공기 중 오랫동안 떠다니며 병원균을 빠르게 확산시키는 주요 매개체로, 이러한 특성을 활용해 실시간 병원균 감지와 전염성 평가를 목표로 함. 본 연구는 광학, 열유체공학, 시각화 기술을 융합하여 에어로졸 내 병원균의 농도와 생존율을 분석하고, 다양한 환경 요인과의 상호작용을 평가하는 시스템을 개발함. 이를 통해 병원균 전염 가능성을 예측하는 모델을 제시하며, 결과적으로 의료 및 농업, 환경 기기 개발에 응용 가능할 것으로 기대됨. 사회적으로는 공공보건 및 농업 생산성을 향상시키고, 대기 환경 개선을 통한 인류 삶의 질에 기여하는 파급효과가 예상됨.
전기영동법을 적용한 기능성 하이드로겔 마스크팩 개발 (LINC3.0 산학공동 기술개발 시제품 제작 지원과제)
한국연구재단
본 프로젝트는 하이드로겔 마스크팩, 의료용 패치, 상처 치료제 등 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있는 고성능 하이드로겔 개발을 목표로 합니다. 또한, 하이드로겔의 물리적 특성을 개선함으로써 기존 제품의 단점을 보완하고, 소비자들에게 더욱 안전하고 효과적인 제품을 제공할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 이를 통해 본 기술은 화장품 산업뿐 아니라 의료 및 바이오 산업에서도 지속 가능한 혁신을 이끌어갈 핵심 기술로 자리잡을 것입니다.
나노코팅 기반 고효율 냉방 및 CO2 복합공급 기술 개발은 스마트 온실의 냉방 효율을 극대화하고, CO2 복합공급 시스템을 통해 농업 생산성을 향상시키기 위한 차세대 솔루션을 목표로 함. 본 연구는 나노표면처리 기술을 활용하여 냉방 및 제습 효율을 개선하고, 온실 재배환경에서 에너지 절약 및 지속 가능한 농업을 지원하기 위한 자동화된 통합 제어 시스템을 개발. 태양에너지 및 자연냉각 기술을 적용하여 온실 내 온도 및 습도를 최적화하고, 작물 생육에 적합한 환경을 제공하며, 이산화탄소 공급을 통합하여 생장률을 증진시킴. 본 연구의 성과는 국내 스마트팜의 기술 수준을 끌어올리고, 글로벌 농업시장에 적합한 혁신형 스마트팜 모델을 제시하며, 농업인의 수익 증대 및 에너지 비용 절감에 기여할 것으로 예상됨.
스마트 넷-제로 에너지 빌딩을 위한 하이드로겔 전해질 필름과 전기영동증착 전극 기반 1. 고신뢰성 2. 반투명 3. 대면적 4. 유연 태양전지 셀 상용화 기술 개발
(재단)과학기술일자리진흥원
스마트 넷-제로 에너지 빌딩을 위한 고신뢰성, 반투명, 대면적, 유연 태양전지 셀 상용화 기술 개발 목표임. 전기영동증착법을 활용해 나노 전극 물질의 정밀 코팅 기술 확보 중이며, 염료-광촉매 복합체 제조와 하이드로겔 전해질막 개발로 내구성과 효율성을 높이는 데 집중하고 있음. 목표 성능으로는 투광도 30% 이상, 발전효율 10% 이상, 내구성 1,000시간 이상, 곡률반경 50cm 이하 설정됨. 이러한 기술은 대면적 고효율 제품 개발로 BIPV 시장에서 경쟁력을 높이고, 스마트 에너지 시장의 기술 선점 및 확대 가능성을 기대.
본 프로젝트는 전기영동 증착(Electrophoretic Deposition, EPD) 기술을 활용하여 고기능성 대면적 필터를 경제적이고 효율적으로 생산할 수 있는 시스템을 개발하는 것을 목표로 합니다. EPD 기술은 전기장을 통해 나노 입자 또는 고분자 물질을 균일하게 증착시켜 필터 표면의 기능성을 향상시키는 공정으로, 기존 제조 방식 대비 높은 정밀도와 유연성을 제공합니다. 이 프로젝트는 다양한 필터링 요구에 대응하기 위해 항균, 방오, 초발수, 초친수 등 다기능 표면 처리가 가능한 대면적 필터를 개발하고, EPD 시스템의 설계와 최적화를 진행합니다. 특히, 공정 안정성과 대량 생산 가능성을 확보하기 위해 전기장 제어, 증착 균일성, 필터 소재와의 접합력을 최적화하는 기술 개발에 초점을 맞춥니다. 이 기술은 공기 정화, 물 처리, 산업용 필터 등 광범위한 응용 분야에서 혁신적인 가치를 제공할 것으로 기대됩니다. 본 연구 결과는 필터 제조 비용 절감과 고성능 필터 제품의 상용화 가능성을 높이며, 다양한 산업 분야의 환경 문제 해결과 자원 효율성 증대에 기여할 것입니다. 이를 통해 지속 가능한 필터링 솔루션의 새로운 표준을 제시하며, 글로벌 시장에서의 기술 경쟁력을 강화할 것입니다.