메뉴

[인터뷰] 박성제 한국기계연구원 에너지기계연구본부장

“세계 최고수준 성능 확보…초저온 스터링냉동기 개발”
백신·바이오시약 보관·유통 초저온 냉동고 생산
반도체 생산공정용·소형 수소액화기용 개발 착수

URL복사
박성제 한국기계연구원 에너지기계연구본부장은 에너지, 우주, 국방, 초전도분야 및 반도체디스플레이 제조장비용으로 주로 활용되고 있는 극저온(–50℃ 이하)냉동 및 냉각기술을 연구하고 있다. 

최근에 발표된 탄소중립 시나리오 초안과 관련 액체공기(약 –90℃) 에너지저장 및 활용기술과 수소액화(–53℃)기술분야 등도 주요 연구분야 중 하나다.

박성제 본부장 연구팀은 최근 초저온 콜드체인 핵심기술인 ‘스터링냉동기’를 개발했다. 스터링사이클을 이용한 초저온 냉동기술은 기존 증기–압축 냉동기술과 비교해 에너지효율은 2배 이상 높으며 더욱 정밀한 온도조절이 가능한 것이 특징이다. 특히 부피도 기존대비 절반 이하로 줄일 수 있어 콤팩트한 설계가 가능하다.

박성제 본부장을 만나 코로나 백신운송기술로 주목받고 있는 초저온 콜드체인을 보다 효율적으로 구축할 수 있는 스터링냉동기 개발 배경 및 향후 사업(연구)방향에 대해 들었다.

▎스터링냉동기는 어떤 제품인가
바이오제품 유통을 위한 핵심기술인 초저온 냉동고용 스터링냉동기를 개발했다. 특히 코로나19 감염병에 의한 전 세계적인 위기에 대응하기 위해 m–NA 백신(Pfizer, moderna)의 안정적인 보관용 초전도 콜드체인의 필요성이 증가함에 따라 –0℃(Pfizer)와 –0℃(moderna)에서 보관이 가능한 냉동고용 초저온 스터링냉동기를 개발했다. 

스터링냉동기는 기존의 증기-압축방식 냉동기보다 에너지효율이 2배 이상 높아 에너지사용량을 줄일 수 있으며 연속운전제어가 가능해 더욱 정밀한 온도제어가 가능하다.

윤활유를 사용하지 않는 선형 압축기 구동방식이기 때문에 초저온에서 높은 신뢰성을 확보할 수 있으며 지구온난화에 전혀 영향을 미치지 않는 헬륨을 냉매로 사용해 친환경적인 냉동기다.

▎기존 마이크로-HP와 차이점은
마이크로 열병합발전(CHP)은 주로 연소열 또는 폐열을 활용해 가스 및 증기터빈, 왕복기관, 연료전지 및 마이크로터빈 등의 작동 시 발생하는 열(난방, 온수)과 전기를 공급하는 시스템이다. 스터링엔진을 이용한 마이크로 CHP는 전기 발생기관으로 스터링엔진을 이용하는 열병합발전시스템이다. 지구온난화에 전혀 영향을 미치지 않는 헬륨을 사용하기 때문에 온실가스 규제에 대응할 수 있는 가장 효과적인 방안 중 하나로 여겨지고 있다.

스터링엔진은 스터링냉동기의 역사이클로 외부 연소기로부터 열을 흡수하는 고온 열교환기, 고온부와 저온부 사이에 위치해 통과하는 작동기체와 열교환을 통해 열을 공급 혹은 저장하는 재생 열교환기, 외부로 열을 방출하는 저온 열교환기와 2개의 피스톤 혹은 피스톤과 변위기로 구성된 외연기관이다.

스터링엔진은 다종연료 사용이 가능하고 저진동, 저소음 특성으로 실내 설치가 가능하다. 장시간 간격의 유지보수 및 저공해, 고효율, 고신뢰성의 특성을 가지고 있어 가정용 마이크로 열병합발전용으로 적합한 엔진이다.

▎스터링냉동기 운전개념은
스터링냉동기는 2개의 피스톤과 재생기, 열교환기로 구성되며 질량–스프링시스템의 공진주파수로 운전된다. 선형모터의 코일 또는 자석운동에 의해 압축피스톤을 구동해 압력변화에 따라 자유 팽창피스톤을 작동함으로써 냉각이 발생한다.

선형모터는 선형코일로 구성돼 있는 stator와 자석으로 구성돼 있는 mover로 구성돼 있으며 축상으로 대칭구조(axissymmetric)이며 전자기력에 의해 구동된다.

자유팽창피스톤 하부에서는 상온열교환기를 통해 온도를 상온으로 유지하고 자유팽창피스톤 상부에서는 내·외부열교환기를 통해 냉각을 발생한다. 재생기는 자유 팽창피스톤의 상·하부를 왕복하는 헬륨 냉매의 온도구배를 형성하는 역할을 하며 주로 비열이 높은 재료를 사용한다.

▎기존 냉동기와 차별화된 특성은
기존의 초저온 냉동고용 초저온냉동기는 주로 2원 증기압축냉동기를 사용하고 있으며 2개의 압축기에 응축기는 공기냉각 fin tube 열교환 구조다. 

증발기는 초저온 냉동고를 냉각하도록 copper tube를 사용하고 있으며 팽창밸브, 오일분리기, 건조기 등으로 구성돼 있다. 중간 열교환기는 1원 증기 압축냉동기(고온 사이클)의 증발기와 2원 냉동기(저온 사이클)의 응축기 역할을 하며 매우 복잡한 구조로 돼 있다.

반면 스터링냉동기를 적용한 초저온냉동고는 일체형 구조의 스터링냉동기와 열사이펀(thermosyphon)으로 구성돼 매우 간단한 구조다.

▎글로벌 기술력과 비교하면
기계연구원에서 개발한 초저온 냉동고용 스터링냉동기는 모든 부품이 국산개발품으로 이뤄져 있으며 냉동능력은 272W@ –00℃, 159W@ –50℃이며 냉동기효율의 척도인 냉동기 성적계수(COP: Coefficient of Performance)는 0.47@ –00℃, 0.18@ –50℃로 세계 최고수준의 미국 Ultracold사와 동등 또는 이상의 수준을 가지고 있다. 초저온 냉동고에 적용 시 온도 안정성 및 균일성 등은 더 우수한 성능을 보이고 있다.

▎향후 사업화 및 R&D 방향은
이번 연구는 산업통상자원부 산업기술혁신사업 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며 주관기업과의 협력을 통해 코로나19 백신 및 바이오시약 등의 안정적인 보관, 유통을 위한 초저온 냉동고 생산에 활용할 계획이다.

또한 추가적인 연구개발을 통해 더 큰 냉각용량이 필요한 반도체와 디스플레이 생산 공정과 초정밀 가공분야, 소형 수소액화기용 스터링냉동기 개발에 착수할 계획이다.