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이상호

국민대학교, 건설시스템공학부

물 부족 위기 극복 위한 차세대 수처리·담수화 및 수자원 관리 기술 개발

공적 요약

차세대 수처리 및 담수화 기술을 비롯해 스마트 기술을 접목한 선도적인 수자원 기술 개발에 앞장서 물 부족 위기 극복과 수출산업화에 이바지.

구체적 내용

<막증발 모듈 및 공정 설계 최적화 기술 개발>
막증발 공정은 해수담수화 뿐 아니라 산업폐수 처리에도 모두 사용될 수 있는 잠재력을 갖추고 있지만, 막모듈과 공정 설계 기술의 부족으로 인하여 아직까지 상용화 단계에 진입하지 못하고 있다. 본 연구에서는 이러한 기술적 한계를 극복하기 위하여 1) 전산유체역학을 이용한 막모듈 해석 및 설계 최적화 2) 중공사 모듈 기반 막증발 공정 설계기술 개발 3) 막오염 및 스케일 제거를 위한 전처리 및 물리적 막세정 기술 개발 등이 진행되었다. 그 결과 기존 대비 플럭스와 에너지 효율을 높일 수 있는 모듈 설계기술을 확보하였으며, 시뮬레이션 기반의 공정설계 최적화 기술과 플랜트 유지관리를 위한 핵심기술을 확보하였다. 개발기술의 실용화를 위해서 300 m3/일 규모의 막증발 실증플랜트를 설계·제작·운영하였으며, 막증발 기술의 상용화를 위한 기반을 구축할 수 있었다.
<해상이동형 해수담수화 플랜트 기술 개발>
본 연구에서는 기존의 해수담수화 플랜트 기술의 한계를 돌파하는 신개념의 해상이동형 담수화 플랜트(담수화 선박)를 설계·구축·운영하는 기술을 개발하고 있다. 이를 위한 요소기술로서 역삼투 공정의 간헐·가변운전기술, 담수화 장치 경량·소형화 기술, 저흘수 담수화 전용선박 설계기술, 신재생 에너지 연계기술 등이 개발되었다. 본 연구과제의 성과로서 2022년 2월에는 하루 300 m3 규모의 세계 최초 자항식 담수화 선박 제작에 성공하였으며, 2022년 12월과 2023년 1월에는 극심한 가뭄에 시달리는 전남 소안도의 주민들에 직접 물을 공급하는 시범운영을 진행하였다. 본 연구를 통해서 물부족에 시달리고 있는 국내 도서지역 주민들에게 깨끗하고 안전한 물을 공급할 수 있을 뿐 아니라 개발기술을 해외에 수출하여 국내 환경산업의 신성장동력을 창출할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 노후화된 국내 도서지역 담수화 시설의 개보수 비용을 절감할 수 있으며, 물 생산단가도 10% 이상 절감할 것으로 예상된다.

주요경력
2011.03. ~ 현재 국민대학교 건설시스템공학부 조교수/부교수/정교수
2016.06. ~ 2018.02 한국과학기술연구원 학연교수
2006.03. ~ 2011.02. 과학기술연합대학원 수자원환경공학과 겸임교수
2003.03. ~ 2011.02. 한국건설기술연구원 선임/책임/연구위원
1999.06. ~ 2003.02. 미국 노스웨스턴대 선임연구원
주요학력
1995.03. ~ 1999.02. 서울대학교 공업화학 공학박사
1993.03. ~ 1995.02. 서울대학교 공업화학 공학석사
1989.03. ~ 1993.02. 서울대학교 공업화학 공학사

322일은 UN이 정한 세계 물의 날입니다. 도시화와 산업화, 그리고 전 세계적인 기후위기로 물 관련 위험이 해마다 증가하는 가운데, 세계기상기구(WTO)2050년 물 사용에 어려움을 겪는 사람이 50억 명에 달할 것이란 어두운 전망을 내놓은 바 있습니다. 우리나라도 지난겨울, 가뭄으로 인해 일부 도서 지역에 제한급수를 단행하는 물 부족 사태로 많은 어려움을 겪고 있어 차세대 석유로 불리는 수자원 관리에 정부와 국민의 특별한 관심이 요구됩니다. 3월의 이달상 주인공은 지난 30년 간 환경기술 발전에 헌신하여 담수화 기술을 비롯한 선도적인 수자원 기술 개발로 학술적, 실용적, 산업적 성과를 이끈 국민대학교 이상호 교수입니다. 물이 없이는 아무도 살 수 없고, 아무 것도 만들 없다라는 단순한 진리를 찾으며, 수자원 관리기술의 고도화와 수출산업화를 위해 노력하는 이상호 교수를 소개합니다.

이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다.

이달의 과학기술인 상을 수상하게 되어 정말 큰 영광입니다. 한국연구재단 및 과학기술정보통신부 그리고 심사위원들께 진심으로 감사드립니다. 또한 좋은 연구결과를 달성할 수 있도록 항상 노력하는 연구실 학생들과, 같이 연구를 수행하고 지원해주시는 공동연구자분들께도 감사의 말씀을 드립니다. 이번 수상을 계기로 수처리, 해수담수화, 수자원분야 기술의 도약과 혁신을 이룰 수 있도록 최선을 다하고자 합니다.

세계적인 기후위기에 수자원 관리의 중요성도 강조되고 있습니다. 해수담수화를 비롯해 수자원분야의 다양한 R&D를 통해 환경기술 혁신을 이끌어 오셨습니다. 교수님의 주요 연구주제에 대해 소개해 주세요.

우리 연구실에서는 오염 물질을 제거하여 깨끗한 수돗물을 만들기 위한 막여과 고도정수처리 기술과 바닷물에서 염분을 제거하여 생활용수와 산업용수 등을 생산하는 해수담수화 기술을 연구하고 있습니다. 또한 사물인터넷, 디지털트윈, 인공지능 등 첨단 정보통신 기술과 수자원 관리를 결합하는 스마트워터그리드 기술도 연구하고 있으며, 반도체 제조공정과 에너지 생산 플랜트를 위한 초순수 및 산업폐수 재이용 기술도 연구하고 있습니다.

대학과 대학원에서 공업화학을 전공하셨는데요. 그 중에서도 수자원에 관심을 갖게 된 계기가 있었나요?

과거에는 물은 너무 당연하게 가질 수 있는 자원이었으나 기후위기 시대를 맞은 21세기에는 물을 확보하고 관리하는 것이 점점 어려워지고 있습니다. 최근 수자원 관리 기술은 수량 뿐 아니라 수질 측면에서도 안정적이고 안전한 물을 확보하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해서는 물속에서 일어나는 여러 가지 화학반응과 현상을 이해하고 관련된 문제를 해결할 수 있는 기초지식을 필요하며, 이는 화학과 밀접한 연관성이 있습니다. 저는 공업화학을 전공한 연구자로서 화학을 응용하여 환경문제를 해결하는 것에 흥미와 관심을 가지게 되었고, 제가 하는 일이 사회에 도움이 될 수 있다는 생각에 연구자로서 보람을 느낍니다.

수자원 연구에 천착하시며 다양한 성과를 창출하셨습니다. 특히 지난해에는 차세대 담수화 기술인 막증발 공정의 원천기술로 많은 주목을 받으셨습니다.

해수담수화는 기후변화에 의한 물 부족 문제 해결을 위해 꼭 필요한 기술이지만 현재 사용되는 증발법이나 역삼투법은 에너지 소모량이 상대적으로 높아서 전 세계적으로 중동 등 일부 지역에서만 사용되었습니다. 막증발 공정은 기존 해수담수화 기술이 가지는 에너지 문제를 해결하기 위하여 태양열이나 산업체 폐열 등을 이용하여 담수를 생산하는 기술인데요. 우리나라는 그동안 자체 기술을 개발하지 못했습니다. 우리 연구실은 중대규모에 적용가능한 중공사 모듈 기반의 막증발 공정기술을 국내 자체기술로 개발하고, 세계 최대규모(300 m3/day)의 실증 플랜트를 설계·제작, 운영하였습니다. 또한 막증발 공정의 성능 향상을 위한 여러 가지 설계, 운전, 유지관리 관련 요소기술을 개발하였습니다.

막증발 공정에서 발생하는 고질적인 문제인 무기염에 의한 막오염을 억제하는 기술도 개발하셨는데요. 기대효과도 설명도해주세요.

막증발 공정을 운전하는 과정에서 탄산칼슘, 황산칼슘, 실리카 등의 무기염이 막 표면에서 석출되어 효율을 저하시키는 스케일(Scale) 문제가 발생하게 됩니다. 우리 연구실에서는 이를 해결하기 위하여 스케일 형성 예측기술, 물리적 막세정 기술, 전산유체역학 기반의 막모듈 설계 기술 등을 개발하였습니다. 이들 기술이 적용된다면 기존의 막증발 공정이 좀 더 안정적으로 운전되고, 유지관리 비용 절감과 막 수명 연장 효과 등이 발생할 것으로 기대됩니다.

대학원 시절부터 약 30년 간 환경과 수자원 분야에서 선도적인 연구를 추진해 오셨습니다. 가장 기억에 남는 도전과 성과는 무엇인가요?

연구라는 것이 기존에 없었던 새로운 것을 찾거나 만드는 과정이다 보니 그동안 여러 어려움이 있었습니다. 너무 많은 도전적 과제가 있었기 때문에 모두 말씀드리기는 어렵지만 기억에 남는 것 중 한 가지는 앞서 설명드린 막증발 실증 플랜트를 만들었던 일이었습니다. 전 세계적으로 사례가 없었던 시도이다 보니 기술적 문제가 생겨도 해결책을 찾기 어려웠고, 현장연구의 특성상 예상하지 못했던 문제가 발생하기도 하였습니다. 그렇지만 실증플랜트를 완성하고 성공적으로 운전하며 큰 보람을 느꼈고, 더불어 여러 가지 학술적·기술적 성과도 거둘 수 있었습니다.

세계 최초 해상이동형 해수담수화 플랜트 선박 '드림즈호'를 통해 소안도에 실제 물을 공급하는 등 연구를 통해 사회문제 해결에도 많은 기여를 하셨습니다. 교수님의 연구성과가 국민들의 삶, 나아가 우리 사회에 어떤 영향을 미치길 기대하시나요?

연구의 성과로서 우수한 논문을 쓰고 특허 등을 확보하는 것이 중요하지만, 연구성과가 국민들이 체감할 수 있는 형태로 제공되는 것도 매우 중요하다고 생각합니다. 그런 측면에서 작년 12월과 올해 1월 담수화 선박 ‘드림즈호’를 활용한 소안도 물 공급은 국민 체감형 R&D의 사례로서 큰 의미가 있다고 생각합니다. 앞으로 이와 같이 국민들에게 좀 더 직접적으로 다가갈 수 있고, 현안을 해결할 수 있는 연구가 더욱 활성화되기를 바랍니다. 이를 통해서 연구의 성과가 국민들의 삶의 질 향상에 반영되는 시간을 단축시킴과 동시에 연구성과의 활용도를 높이는 효과를 발생시킬 수 있을 것으로 기대합니다.

해상이동형 해수담수화 플랜트 연구단 과제의 연구단장으로서, 다양한 과제를 성공적으로 이끌어 오신 노하우도 궁금합니다.

저희 과제는 연구단 과제로서 다양한 산·학·연 기관이 공동으로 연구를 추진하고 있습니다. 또한 담수화 기술과 선박 기술의 하이브리드 기술이기 때문에 서로 다른 기술 분야의 연구자들이 서로 이해하고 긴밀하게 협력해야만 원활한 연구가 진행될 수 있습니다. 그러다 보니 연구과제를 추진하면서 연구기관들의 역할을 조율하는 것에 어려움이 발생하기도 합니다. 그렇지만 각 기관의 입장을 최대한 고려하면서 연구단 전체의 목표를 달성하기 위하여 많은 노력을 했으며, 타 분야 기술을 이해하기 위한 공부도 계속하였습니다. 아직 제게 부족한 점이 많이 있지만 다행히 연구단에 참여해주신 연구자분들도 적극적으로 이해하고 도와주셔서 과제를 성공적으로 이끌 수 있었던 것 같습니다.

연구자인 동시에 인재를 양성하는 스승이십니다. 국민대 스마트물환경연구실을 이끌며 학생들에게 강조하는 연구자로서의 자세와 태도는 무엇인가요.

우리 연구실은 스마트 수처리·담수화·수자원 기술을 개발하기 때문에 ‘스마트물환경연구실’이라고 이름을 붙였지만, 여기에는 학생들이 스마트한 연구자가 되기를 바라는 마음도 같이 포함되어 있습니다. 스마트하다는 것은 사전적으로는 ‘똑똑한, 영리한’의 의미이지만, 연구자로서 스마트하다는 것은 자기의 시간과 자원을 최적으로 활용해서 최대의 성과를 거둘 수 있으며, 자기 발전도 같이 이루는 것을 의미한다고 생각합니다. 또한 여러 분야에 대하여 개방적인 마음가짐을 가지고 응용하거나 융합할 수 있는 능력을 갖춰야 하며, 대인관계에서도 항상 좋은 모습을 보여야 한다고 생각합니다. 저는 학생들을 지도할 때는‘청출어람’을 늘 강조합니다. 제가 지도한 학생들이 저를 뛰어넘어 과학기술과 사회의 발전에 기여할 수 있는 인재가 되기를 바랍니다.

교수님이 궁극적으로 도전하고 싶은 연구 목표는 무엇인가요?

기후위기 대응과 탄소중립은 모든 과학기술의 공통적인 목표 중 하나이며 물관리에서도 예외가 될 수 없습니다. 저는 담수화와 수자원 관리 분야에서 이러한 목표 달성을 위한 방법론으로 좀 더 적극적인 디지털 기술의 적용이 추진되어야 한다고 생각하며, 앞으로 이러한 방향의 연구로서 디지털 기반의 탄소중립 담수화 기술 등의 연구를 추진할 계획입니다. 또한 기술개발을 통해서 우수한 학문적 성과를 달성하는 것도 중요하지만, 연구성과의 실용화와 사업화를 위한 산·학·연 공동연구를 같이 추진하고자 합니다. 그리고 이러한 성과가 국내 기업의 발전에 기여하고, 이와 동시에 국민들이 체감할 수 있도록 노력하겠습니다.

미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 조언 또는 당부의 한 말씀 부탁드립니다.

저는 학생들에게 연구분야를 결정할 때 흥미와 관심이 가장 많은 분야를 선택하라고 이야기합니다. 물론 미래 유망 기술을 선택하여 연구를 하는 것도 중요하지만 정말 연구를 재미있고 보람있게 하려면 가장 좋아하는 분야를 선택해야 한다는 것이 제 생각입니다. 저 역시 연구 분야를 선택할 때 가장 좋아하는 분야를 택했고, 그 선택에 한 번도 후회를 해본 적이 없습니다.

수처리, 담수화, 수자원 등의 물관리 분야는 비록 반도체나 디스플레이, 스마트폰 등에 비해서는 덜 주목받고 있으나 기반 산업으로서 그 중요성은 매우 높습니다. 실제로 물이 없이는 아무도 살 수 없고 아무 것도 만들 수 없습니다. 이미 물관리 분야의 연구를 하고 있는 학생이라면 지금 하고 있는 연구에 보람과 자긍심을 가져도 충분할 것으로 생각합니다. 좀 진부한 말이지만 미래는 지금부터 만들어가는 것이고, 그 미래는 물관리를 연구하는 학생들에게 달려있습니다.

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