영하 100도까지 냉각 가능, 반도체 등 활용 기대
이제 모든 냉각은 공기로 대체하는 시대가 온다.
한국에너지기술연구원(에기연, KIER)이 지구온난화의 주범 중 하나의 물질인 냉매를 퇴출하는 기술을 처음으로 공개했다.
지구온난화를 부추기는 프레온 가스, 수소불화탄소 등이다.
에기연에 따르면, 지금까지 냉매를 대신할 물질인 찾던중 공기로만 가지고 있는 성질을 이용해 냉동 기술을 국내 최초로 개발했다고 밝혔다.
연구진은 공기 냉동 방식에 사용되는 일체형 초고속 컴팬더를 개발하고 공기 냉각 시스템을 제작하는데 성공했다. 개발된 시스템을 사용하면 공기를 냉매로 활용해 영하 60도의 온도환경을 만들 수 있다.
기존의 냉동·냉각 시스템은 주로 증기 압축식 사이클 방식이 사용됐다. 증기 압축식 사이클 방식은 액체 냉매가 증발하면서 열을 흡수해 냉각이 이뤄지는 방식으로 구조와 설계가 간단해 여러 분야에서 폭넓게 사용된다.
하지만 지구온난화를 촉진하는 불화온실가스를 냉매로 사용한다는 단점이 있었다. 연구진은 주목한 부분은 공기를 냉매로 하는 역-브레이튼 사이클의 냉각 시스템을 구현하는데 초점을 맞췄다.
액체를 증발시키는 기존 방식과 달리 기체를 압축하고 열교환과 팽창을 거쳐 저온의 기체를 만드는 방식이라 액체 냉매 없이도 냉각이 가능하다.
물론 어려운 난관은 있었다.
시스템을 설계하고 제작 기술의 난이도가 매우 난해했다. 냉각 과정에서 설비가 초고속으로 회전하다보니 압축기, 팽창기를 포함한 기기 간의 간극과 축의 변위 등을 0.1밀리미터 수준으로 정교한 설계가 필요했다.
에기연 연구진은 역-브레이튼 사이클 시스템을 구현하기 위해 압축기와 팽창기, 모터를 하나의 축으로 연결하는 컴팬더 시스템을 고안했다. 하나의 축으로 연결된 압축기와 팽창기가 각기 최고 효율에서 동작하는 공력 설계 기술, 초고속 회전 속도에서도 구동 가능한 축계 설계를 끝냈다.
바로 고도의 터보머시너리 설계 기술이다. 이번 개발된 컴팬더를 적용한 냉각 시스템은 한 시간 만에 공기를 영하 60도 이하로 냉각시키는 성공했다. 영하 50도 이하의 냉열을 생성할 때 기존의 증기 압축식 시스템보다 냉동 효율도 더 높다.
이론적으로는 영하 100도까지 냉각이 가능한데 이때의 냉동 효율은 증기 압축식 대비 50% 이상 향상될 것으로 예측됐다.
에너지기술연구원 연구책임자인 이범준 박사는 "환경 규제로 인해 지구온난화 지수가 높은 냉매를 주로 활용하는 냉동 시스템이 친환경 냉매 사용으로 발 빠르게 전환되고 있다."고 말했다. 이 박사는 "지금까지 테스트한 결과, 영하 100도 이하의 냉열을 생산가능한 성능 개선을 진행중으로 초저온 냉열이 필요한 반도체 공정, 의약, 바이오 분야에 적용할 날도 멀지 않았다."고 밝혔다.[환경데일리 = 고용철 기자]
