주목받는 기업  그린텍아이엔씨㈜

㈜그린텍아이엔씨, 정수장 수질 효율적 운영관리 위한
‘ICT 기반 실시간 입자계수 모니터링시스템’ 사업화 성공
                        (Water Particle Counting Monitoring System)                                  

수돗물 생산 최종공정인 여과지에 적용…수중 미세입자 수량·분포 등 정밀 계측
2011년 최대 8개 센서 모니터링 가능한 ‘멀티플렉서 시스템’ 개발해 특허 획득
                                 (Multiplexer System)

초창기 환경 분야의 전문가 소수가 모여 설립된 ㈜그린텍아이엔씨는 서울 영등포구에 첫 뿌리를 내린 지 4년만인 2006년, 벤처기업 인증과 함께 자체연구를 통한 초음파 유량계 국산화로 환경부신기술 지정(제165호), ISO9001(품질경영인증시스템) 인증을 획득하는 등 단기간 고속 성장을 이뤄냈다.

‘실시간 입자계수기 모니터링 시스템’ 개발

㈜그린텍아이엔씨의 대표 제품 중 하나인 ‘실시간 입자계수기 모니터링 시스템(Water Particle Counting Monitoring System) ’은 수중 미세입자의 크기별 수량과 분포를 측정·분석할 수 있는 센서와 신호분석 장치, 다수의 미세입자센서를 동시에 감시·관리할 수 있는 시스템으로, 정수장 수질의 효율적인 운영관리를 위해 개발됐다.

현재 우리나라의 수돗물 생산과정은 각종 취수원의 취수로 시작해 정수장의 여과와 침전 등의 공정으로 이뤄져 있으나, 병원성 미생물에 의한 오염, 조류 발생에 따른 정수처리 장애와 이로 인한 경제적 손실, 국민들의 수돗물 불신 등이 안정적인 정수생산의 저해요소로 작용하고 있다.

정수장에서 염소처리, 탁도 등의 항목을 관리하고 있지만, 탁도 계측만으로는 미세입자의 분포, 수량 파악과 정수장 내 응집지, 여과지 등 시설의 미세변화 감지가 불가능해 성능 확인 및 평가가 부족한 실정이다. 이에 정밀계측을 통한 철저한 관리가 가능한 실시간 수질 모니터링의 도입 필요성이 제기되는 상황이다.

수중 미세입자센서, 대부분 해외 제품에 의존

우리나라에서 입자계수기를 운영하고 있는 정수장은 서울시의 영등포·뚝도·암사·광암·구의·강북 등 6개 정수장과 경기 남양주시의 와부 및 덕소 정수장, 대전광역시의 송촌 및 월평 정수장 등 총 10개소이다. 

그러나 운영현황을 분석한 결과, 주로 여과지의 유입부와 유출부에 입자계수기가 설치되어 있었으며, 입자계수기의 핵심기술인 미세입자센서는 국외제품이 대부분이었다. 이들은 주로 미세입자 트렌드 확인에 사용되고 있었는데, 운영 시 문제점이 발생할 경우 신속한 대응은 불가능했다. 또 여과지별 설치 및 감시시스템은 따로 구축해야 했으며, 이는 초기·유지비용이 많이 소요된다는 한계가 있었다.

이처럼 당시 우리나라의 수중 입자계측 분야는 아직 미활성화 단계였다. 1990년 이후 관련 연구개발이 추진되었으나, 2017년 기준 주요 부품은 미국(Nasec사), 독일(Pamas사) 등 전량 수입에 의존하고 있었다. 국내 수중 입자계수기 분야는 ㈜그린텍아이엔씨를 포함한 3개사가 주요 업체였으며, 나머지 2개 업체마저도 해외제품의 수입 판매처로 운영되는 실정이었다.

비록 당시까지만 해도 입자계측 분야가 미성숙 상태였지만, ㈜그린텍아이엔씨는 정부의 정수장 고도화 사업, 노후 상수도 현대화 사업(115개 지자체, 총 465개소) 등 관련 사업의 추진으로 진출 분야가 확대될 것으로 예측했다.

또 여과방식에 멤브레인이 도입되면서 기존의 탁도만으로 여과지에 대한 정확한 성능을 평가하는 데 어려움이 따르자, 입자계수 측정·분석·모니터링 분야의 시장은 더욱 확대될 전망이라고 판단했다.

게다가 해당 분야는 공공 상수도를 대상으로 하고 현재는 외국제품이 대부분이라는 점을 감안할 때, 상품화 성공 시 수입대체효과가 클 것이라고 예상했다. 실제로 2016년 상수도통계에 따르면 국내 정수장은 총 499개소로, 지방자치단체가 운영하는 정수장은 462개소, K-water에서 운영하는 정수장은 37개소로 파악됐다. 즉, 향후 활성화 시 전국의 정수장이 잠재적 시장고객이 되는 셈이다.

이 입자계측 기술은 물환경, 계측, 신호처리 등 다방면의 기술의 집약체로, 만약 기술개발에 성공하면 진입장벽이 높아 향후 안정적인 수익창출이 가능할 것으로 예상되는 분야이다. 특히 국내 입자계측 시장은 2017년 기준 932억 원의 시장 규모로 파악됐으나 입자계수기의 국외의존도가 높고, 세계시장은 매년 11.7%의 높은 성장률을 보이고 있어 진출 분야의 가치성도 높다.

이에 ㈜그린텍아이엔씨는 시제품 제작 및 국내 성능검증을 통해 국내 보급에 우선적으로 주력하여 경험과 제품보완을 우선 시행하고, 향후 국외상품 대비 성능 차별화 이후 세계시장에 진출하는 것을 목표로 잡았다.

입자계수기 관련 법령·정부 규제 부재

또 당시에는 관련 법령 또는 정부의 규제가 없었다. 2014년 환경부의 수돗물 수질관리 지침에 따르면 먹는물 검사항목 및 검사주기 중 매일 검사항목으로는 탁도가 전부였으며, 탁도기준 준수 여부에 따라 병원성 미생물 제거율 충족 여부에 대한 간접 평가가 이뤄졌다. 또 상수도 시설기준의 온라인 수질계측 항목은 알칼리도, 탁도, 잔류염소 등이 기본 항목으로 설정되어 있었으나, 병원성 미생물 제거와 여과지 성능평가 등의 활용에는 한계가 있었다.

입자계수기에 대한 직접적인 법령과 정부의 규제 또한 없었으며, 탁도에 대한 보조, 병행수단으로서의 활용만 제시됐다. 그러나 점차 먹는물의 맛, 냄새 등 심미적 요소에 대한 사회적 요구가 확대됨에 따라 수도사업 선진화 정책 및 사업을 통해 정수장에 활성탄 처리시설 등 고도정수시설이 도입됐으며, 일부 정부지침에 분말활성탄 누출 점검 등을 위한 방안으로 입자계수가 제시되기 시작됐다.

지난 2009년 경기도 보건환경연구원은 경기 북부지역 시·군의 상수원수 7개소와 상수정수 18개소 등 총 25개소를 대상으로 수질개선 연구사업을 실시했는데, 이때 입자계수의 중요성이 부각됐다. 연구 결과, 입자계수는 탁도로 발견이 불가능한 미세입자의 동태를 파악하고 분석·예측하는 데 중요한 인자이므로 탁도와 함께 수돗물 수질평가항목에 포함되어 관리될 필요가 있다고 밝혀졌으며, 이에 따라 입자계수기의 도입 필요성이 제기됐다.

이러한 가운데 ㈜그린텍아이엔씨는 대상요소기술의 개발 및 기능 보완, 정밀도 향상 등 지속적인 연구개발 끝에 ‘ICT(정보통신기술) 기반 실시간 입자계수 모니터링 시스템’ 개발에 성공했다. 이는 수중 미세입자의 크기별 분포 및 개수를 실시간으로 측정·분석하여 정수장의 여과지, 침전지 등의 실시간 모니터링과 성능평가, 적정 약품투입량 산정에 필요한 자료를 제공하는 ICT 기술 기반의 모니터링 및 운영관리시스템이다.

이 시스템은 미세입자 측정을 위한 미세입자센서, 미세입자 크기별 입자의 수를 분석하는 센서 출력값 분석 알고리즘과 측정·분석 데이터 저장 및 전송장치(미세입자계수기 및 시스템), 신호처리보드(펌웨어), 이를 운영하기 위한 소프트웨어(통신·서버 설계 소프트웨어)로 구성되어 있다.

먼저 미세입자를 측정하는 미세입자센서는 수중 미세입자의 크기별 수량과 분포를 측정·분석할 수 있는 센서와 신호분석장치, 다수의 미세입자센서를 동시에 감시·관리할 수 있는 시스템으로, 레이저 다이오드(LD)와 포토 다이오드(PD)가 기본 구조로 적용되어 있다.

그러나 기존의 미세입자센서는 원형측정 노즐 구조로 측정 불감대가 발생하는 문제점이 발생해 사각측정 노즐로 개선한 결과, 측정 불감대를 없앴다. 특히 국외제품과 자체 비교한 결과, 수입제품과 동등한 수준의 측정성능을 보유하게 됐으며, 이로써 ㈜그린텍아이엔씨는 자체연구를 통해 수중 미세입자 측정 및 신호분석 기술의 국산화에 성공했다.

이처럼 기존의 문제점을 개선한 미세입자센서를 이용해 ㈜그린텍아이엔씨는 미세 입자계수기 및 시스템을 개발했다. 먼저 미세입자센서의 입자 크기별 모든 측정 신호값을 입자크기별로 카운팅하는 측정신호 분석장치를 개발하고, 실시간 입자 데이터 확인이 가능한 모니터링 모듈을 개발했다. 이 모듈은 LCD(액정표시장치) 및 마이크로컴퓨터를 사용해 데이터의 전송, 저장 및 분석이 가능하다.

또 아날로그 신호 증폭 및 노이즈 제거회로를 설계했으며, 마지막으로 LCD부·중앙처리부·메모리부·통신부 등 관련 하드웨어의 상세 설계를 완료했다. 여기서 LCD부는 입자크기별 카운트 결과를 확인하는 곳이고, 중앙처리부는 제어부 및 연산부로 미세입자별 분류가 이뤄진다. 메모리부와 통신부는 각각 데이터를 저장하고 전송하는 기능을 담당한다.

아울러 ㈜그린텍아이엔씨는 펌웨어 설계 및 코딩 단계에서 프로토콜(protocol)을 정의 및 개발했다. 이에 따라 프로토콜은 중앙처리부, 통신부, 메모리 제어부, 데이터 처리부 등으로 구성됐다. 마지막으로 ICT 기반의 통신·서버 구성 및 소프트웨어 개발 단계에서는 멀티플렉서와 상황실 간 데이터 통신·서버를 운영하고, 입자계수 운영관리시스템의 기능 설계 및 소프트웨어가 개발됐다.

수중 미세입자 측정·신호증폭 등 핵심기술 적용

이처럼 ㈜그린텍아이엔씨의 ‘ICT 기반 실시간 입자계수 모니터링 시스템’은 △미세입자센서 △센서 출력값 분석 알고리즘과 측정·분석 데이터 저장 및 전송장치(미세입자계수기 및 시스템) △신호처리보드(펌웨어) △운영 소프트웨어(통신·서버 설계 소프트웨어)를 대상기술로 하여 수중 미세입자 측정기술, 신호증폭기술 및 AD 회로기술, 미세입자계수 기술 등의 핵심기술을 적용하고 있다. 미세입자센서에는 수중 미세입자 측정기술이 적용돼 있다. 이 기술은 미세입자를 측정하는 부품에 발광소자 레이저다이오드(LD)와 수광소자 포토다이오드(PD)를 적용해 센서의 처리속도와 감지능력을 향상시키는 기술이다.

한편, 신호처리보드에는 신호증폭기술 및 AD 회로기술과 미세입자계수 기술이 적용돼 있다. 발광소자 레이저다이오드에서 측정수(水)를 향해 레이저 투과가 이뤄지면, 수광소자 포토다이오드(PD)에서 수중입자의 그림자를 수신하여 아날로그 신호로 전송한다. 이때 신호증폭기술이 PD에서 보낸 아날로그 신호를 증폭하고, 아날로그 신호는 디지털 신호로 변환된다. 또 PD에서 발생한 아날로그 펄스를 구분하기 위한 신호증폭회로와 아날로그 신호증폭 시 함께 증폭되는 노이즈 제거를 위해 AD 회로가 개발되어 안정적인 신호를 디지털 신호로 변환하게 된다.

미세입자계수 기술은 실시간으로 수중의 입자 모니터링 및 모니터링 결과를 전송하는 기술이다. 수중 미세입자센서에서 발생하는 신호는 대상입자의 모든 크기가 동시에 측정된 결과로서, 측정값을 입자크기별로 구분하고 카운트하여 분석한다.

멀티플렉서 시스템, 최대 8개 여과지 모니터링 가능

특히, 다수의 센서 운영이 가능한 ‘멀티플렉서 시스템(Multiplexer System)’은 최대 8개 여과지를 모니터링 하도록 구성된 최적의 입자계수기 시스템으로, 운영 소프트웨어(멀티플렉서 소프트웨어)를 통해 입자계수기로 들어가는 샘플은 물론, 샘플시간, 샘플순서, 세정주기, 세정빈도, 실시간 또는 과거의 입자계수 데이터 기록 등을 제어한다.

이 시스템은 크게 입자계수기, 샘플링 라인, 세정 시스템, 운영 소프트웨어로 구성된다. 입자계수기는 입자의 크기별로 개수를 나타내는 기계로, ㈜그린텍아이엔씨의 입자계수기는 2∼400㎛(마이크로미터) 범위의 레이저 다이오드(laser diode) 센서가 입자 크기와 수를 결정하는 데 흡광기술을 이용한다. 이때 센서는 형체 감지 센서(volumetric sensor)를 사용해 센서 셀(cell)을 통과하는 모든 측정수(水)의 입자크기 및 개수를 측정하므로 입자계수기의 산업표준을 능가하는 우수한 분해능을 가진다.

원래 입자계수기는 정수생산 공정의 최종 단계인 여과지에서의 유출수를 감시하기 위해 도입된 것으로, 주로 지아디아(giardia), 크리토스포리디움(Cryptosporidium) 등 병원성 미생물을 감시하는 데 쓰인다. 그러나 이 밖에도 여과지의 효율 측정(% 효율, 로그 제거 측정), 역세척 주기 결정, 적정 응집제 투입량 결정, 실시간 미세수질 변화 감시(탁도 등 다수 항목 연계), 현미경에 의한 입자계수 대체 등의 용도로 활용된다.

㈜그린텍아이엔씨의 입자계수기는 유량센서(오리피스)가 내장되어 있어 유량변화에 관계없이 정확한 값을 측정할 수 있고, 동일측정 결과가 요구되는 중요한 장소에서 센서 교체가 가능하다는 것이 최대 강점이다. 또 내구성이 있는 견고한 구조로 오랜 수명을 자랑하고, 가장 많은 설치 실적에도 불구하고 셀 고장이 없다. 온라인 측정으로 시간과 유지관리, 에러 발생이 적다는 장점도 있다.

실제 운영 시 멀티플렉서 시스템은 여과지에 들어가 3∼15분(사용자 설정 가능) 주기로 측정이 이뤄지며, 이에 대한 정보 분석 결과는 통신서버, DB(데이터베이스) 서버, 운영자 PC 등이 있는 상황실에서 확인할 수 있다.

먼저 통신서버는 근거리·원거리 클라이언트와의 통신서버로 멀티 통신(다중 멀티플렉서)이 지원되어 다양한 통신 방식이 가능하다. DB 서버의 경우 기본 정보에 대한 관리가 이뤄진다. 계측기의 수집 데이터와 함께 오·결측 보정데이터, 이상감지 및 해제 상태 정보 등이 저장된다.

아울러 운영자 PC에서는 실시간 수집데이터 모니터링을 바탕으로 트렌드 조회·분석 및 여과지별 상태 분석이 가능하다. 또 정수장의 종합 상태 분석, 오·결측 데이터 관리, 이상조치 처리 등을 바탕으로 분석 보고서를 만들어낸다.

한편, 멀티플렉서 소프트웨어는 모니터링, 데이터 수집 및 저장, 운영지원 등으로 구성된다. 우선 침전수와 여과수의 동시 모니터링을 통해 미세입자의 크기별 개수를 측정한다. 이때 여과지는 최대 8개까지 동시에 측정할 수 있다.

또, 모니터링 결과를 바탕으로 여과지의 성능효율 및 성능평가를 실시하고 입자제거율을 분석한다. 탁도, pH, 온도 등 외부인자의 관리도 여기에서 이뤄진다. 이후 여과지별 입자계수 작업일보를 자동 저장하며, 일별·주별·월별 통계값을 그래프나표 등으로 비교해 준다.

㈜그린텍아이엔씨의 ‘입자계수기 멀티플렉서 시스템(Water Particle Counting Multiplexer System)은 정수장의 여과지, 활성탄지, 통합수 등에 적용해 수중 미세입자의 크기와 크기별 분포, 분포 변화 등을 정확하게 확인할 수 있고, 다수 여과지별 제거효율, 성능비교를 한눈에 파악할 수 있다는 것이 큰 장점이다. 특히, 하나의 시스템으로 최대 8개의 여과지를 관리하기 때문에 설치면적, 운용비용 등을 최소화하고 관리가 쉽다.

또 응집제 투여량 및 역세시기가 결정되기 때문에 약품량이 절감되고 역세주기가 최적화될 수 있다. 이와 같은 기술의 우수성으로 ㈜그린텍아이엔씨는 지난 2011년 특허청으로부터 멀티플렉서 시스템에 대한 특허(제10-1033542호)를 획득, 제품의 기술성과 효과를 인정받았다. 현재 멀티플렉서 시스템은 서울 강북정수장, 인천 공촌정수장, 대전 월평정수장 등 국내 10개 정수장에 설치되어 운영 중이다.

한편, ㈜그린텍아이엔씨는 오는 3월 20일부터 23일까지 일산 킨텍스(KINTEX)에서 열리는 ‘2018년 워터 코리아(2018 WATER KOREA)’ 에 참가해 ‘ICT 기반 입자계수기 멀티플렉서 시스템’과 ‘상수관망 최적운영관리시스템’을 전시할 예정이다.  

[동지영 기자]

[『워터저널』 2018년 3월호에 게재]