'프레온 가스 대신 공기로' 1시간 만에 영하 60도 냉각

에너지기술연구원, 신개념 냉동기술 개발
국내 최초로 프레온·수소불화탄소 대체
이론으로는 영하 100도까지 냉각 가능해

한국에너지기술연구원 이범준 박사팀이 새로 개발한 공기 냉각 시스템의 성능과 데이터를 살펴보고 있다. 에너지기술연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 이범준 박사팀이 프레온 가스나 수소불화탄소 대신 공기를 냉매로 쓰는 냉동 기술을 국내 최초로 개발했다. 이 기술로 만든 냉각 시스템은 1시간 만에 영하 60도 이하까지 냉각했다.

기존에 사용하는 냉각 가스는 오존층 파괴와 지구온난화의 주범이다. 에어컨이나 자동차, 반도체 공정 등에 사용하면 EU 등 해외 수출 규제라는 걸림돌이지만 이를 공기로 대체해 해결할 것으로 보인다.

22일 에너지기술연구원에 따르면, 연구진은 공기 냉동 방식에 사용되는 일체형 초고속 컴팬더를 개발하고 국내 최초로 공기 냉각 시스템을 제작하는데 성공했다.

이 냉각 시스템은 1시간 만에 공기를 영하 60도 이하로 냉각하는데 성공했다. 이 박사는 "특히, 영하 50도 이하의 냉열을 생성할 때는 기존의 증기 압축식 시스템보다 냉동 효율도 더 높다"고 설명했다. 또한 "이론적으로는 영하 100도까지 냉각이 가능한데 이때의 냉동 효율은 증기 압축식 대비 50% 이상 향상될 것"이라고 예측했다.

우선 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.

하지만 시스템을 설계하고 제작하는 기술의 난이도가 매우 높아 지금까지 냉동 시스템에 적용되지 못했다. 냉각 과정에서 설비가 초고속으로 회전하다보니 압축기, 팽창기를 포함한 기기 간의 간극과 축의 변위 등을 0.1㎜ 수준으로 정교하게 설계해야하기 때문이다.

연구진은 역-브레이튼 사이클 시스템을 구현하기 위해 압축기와 팽창기, 모터를 하나의 축으로 연결하는 컴팬더 시스템을 고안했다. 여기에는 하나의 축으로 연결된 압축기와 팽창기가 각기 최고 효율에서 동작할 수 있도록 하는 공력 설계 기술, 초고속 회전 속도에서도 안정적인 구동이 가능하도록 하는 축계 설계 등 고도의 터보머시너리 설계 기술이 적용됐다.

이 박사는 "현재 영하 100도 이하의 냉열을 생산 수 있도록 성능 개선을 진행하고 있으며, 초저온 냉열이 필요한 반도체 공정, 의약, 바이오 분야에 적용될 것"이라고 전망했다.

[e-mail] 김만기 기자