초저온 원천기술로 바이오부터 반도체까지 신산업 문 연다
(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(이하 기계연)이 초저온* 콜드체인의 핵심 기술인 스터링 냉동기를 개발했다. 스터링 사이클(Stirling Cycle)을 이용한 초저온 냉동기술은 기존 증기-압축 냉동 기술보다 에너지 효율은 2배 이상 높으면서, 더욱 정밀한 온도 조절이 가능하고 장치의 부피도 절반 이하로 줄일 수 있다. 또한, 냉매로 헬륨(He)을 이용하는 친환경 기술이라는 점도 큰 장점이다.
* 일반적으로 극저온 영역은 –150℃ 이하를, 초저온 영역은 –60부터 –150℃까지의 온도를 의미함
기계연 에너지기계연구본부 박성제 본부장 연구팀은 스터링 사이클을 이용한 초저온 냉동고용 스터링 냉동기 개발에 성공했다. 스터링 냉동기는 두 개의 피스톤이 움직이며 압축, 팽창 과정을 반복하면서 열을 펌핑하는 원리로 작동한다.
이 기술을 이용하면 최근 코로나19 바이러스 예방 백신 운송을 위한 기술로 주목받고 있는 초저온 콜드체인을 더욱 효율적으로 구축할 수 있다. 또한, 반도체 및 디스플레이 산업의 고도화로 인해 앞으로 수요가 발생할 초저온 냉각 기술로도 관심을 모으고 있다.
기존의 증기-압축 방식 냉동기와 비교하면 압축기와 열교환기, 팽창기, 오일분리기 등 여러 부품이 배관으로 연결된 방식인 것과 달리 스터링 냉동기는 하나의 유닛으로 소형화할 수 있고, 연속운전 제어가 가능하며 온도 제어의 범위도 훨씬 넓다.
또한, 지구온난화에 악영향을 미치는 냉매가스가 아닌 헬륨(He)을 냉매로 사용한다. 헬륨은 GWP가 0인 가스로 현재 냉동기 분야에서 적극적으로 적용이 검토되고 있는 Low GWP 냉매를 뛰어넘는 절대적인 친환경 냉매이다.
기계연 에너지기계연구본부는 지난 20여 년간 스터링 냉동기술을 연구하며 국내에서 독보적인 연구역량을 축적하고 있다. 스터링 냉동기술을 적용한 적외선 센서용 소형 스터링 극저온 냉동기, 가정용 열병합 발전용 스터링 엔진, 액체질소 냉각용 대형 스터링 극저온 냉동기 등을 개발한 바 있다.
이번에 연구성과는 스터링 냉각 기술 적용분야를 극저온에서 초저온 분야까지 확대하여 바이오산업과 반도체 산업 등 새로운 산업 창출을 모색할 수 있게 됐다는 점에서 더욱 의미를 갖는다.
기계연 박성제 에너지기계연구본부장은 “초저온 스터링 냉동기는 스터링 냉동기의 적용 영역을 넓혀 새로운 분야의 산업 창출을 모색할 수 있는 바탕이 될 것”이라며 “바이오산업은 물론 반도체 생산 공정용 초저온 칠러 등을 위해 냉각 용량 대형화 등 추가 연구개발에 최선을 다하겠다”고 말했다.
이번 연구는 산업통상자원부 산업기술혁신사업 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
참고자료
1 연구개요 및 용어설명
1. 연구개요
1) 과제명: 스터링 냉동기 적용 초저온 냉동고 개발 2) 연구책임자 : 박성제 에너지기계연구본부장 (책임연구원) 3) 과제정보 - 과제종류: 산업통상자원부 산업기술혁신사업 에너지기술개발사업 - 연구기간 및 연구비: 2018.5.~2021.4./총 35.4억(기계연 12.9억) - 참여기관 · 주관: ㈜일신바이오베이스(초저온 냉동고 개발) · 참여: 한국기계연구원(스터링 냉동기 개발)
2. 용어설명
1) 증기-압축 방식 냉동기 - 일반 가정용 냉장고/냉동고에 사용되는 냉동기 방식으로 냉매의 압축, 응축, 팽창, 증발 과정으로 냉각 사이클이 구성되어 냉매의 증발온도가 냉각온도로 결정되기 때문에 냉매 종류에 따라 냉각 온도가 제한되는 특징이 있음 - 일반 가정용 냉장고/냉동고는 한 가지 냉매로도 작동하지만, 초저온까지 냉각하기 위해서는 여러 가지 냉매를 혼합하여 사용해야 함 - 압축기 내부의 윤활을 위해 윤활유가 사용되기 때문에 초저온 영역에서는 오일응고로 인한 유로 막힘 문제가 발생할 수 있음
2) GWP (Global Warming Potential, 지구 온난화 지수) - 가스가 지구온난화에 미치는 영향을 나타내는 지수. 이산화탄소의 온난화효과를 1로 기준하여 상대적으로 표현하며, GWP가 높을수록 지구 온난화에 악영향을 미친다는 의미 - 증기-압축 방식의 냉동기에 사용되는 냉매는 일반적으로 GWP 1000 이상으로, 최근에는 low GWP를 추구하는 시대의 흐름에 따라 GWP 10 이하인 자연 냉매(에탄, 암모니아 등)로 대체되는 추세 - 헬륨은 GWP가 0으지구 온난화에 영향을 미치지 않으면서도 불활성으로 폭발의 위험이 없음
