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기계연, 초저온 콜드체인 핵심기술 스터링 냉동기 개발
기계연, 초저온 콜드체인 핵심기술 스터링 냉동기 개발
  • 박남수 기자
  • 승인 2021.06.30 08:54
  • 댓글 0
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에너지연구본부 박성제 본부장 연구팀
효율은 2배 이상, 크기는 1/2 이하로
반도체 생산 시 필요한 냉각 분야 적용
한국기계연구원 에너지기계연구본부 박성제 본부장(오른쪽)과 고준석 책임연구원( [사진=기계연]
한국기계연구원 에너지기계연구본부 박성제 본부장(오른쪽)과 고준석 책임연구원( [사진=기계연]

[정보통신신문=박남수기자]

한국기계연구원(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 의미한다.

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.

한국기계연구원 에너지기계연구본부 박성제 본부장이 개발한 초저온 냉동고용 스터링 냉동기 (가운데) 기존 증기-압축 냉동 방식이 복잡한 부품과 배관이 연결되어 있는 것과 달리 밀폐된 하나의 구조로 만든 초저온 스터링 냉동기. 내부 피스톤 움직임에 의해 헬륨 가스가 압축, 팽창을 반복하며 상단부가 초저온으로 냉각된다. [사진=기계연]
한국기계연구원 에너지기계연구본부 박성제 본부장이 개발한 초저온 냉동고용 스터링 냉동기 (가운데) 기존 증기-압축 냉동 방식이 복잡한 부품과 배관이 연결되어 있는 것과 달리 밀폐된 하나의 구조로 만든 초저온 스터링 냉동기. 내부 피스톤 움직임에 의해 헬륨 가스가 압축, 팽창을 반복하며 상단부가 초저온으로 냉각된다. [사진=기계연]

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.

초저온 영역까지 냉각된 냉동기 상단부의 모습. [사진=기계연]
초저온 영역까지 냉각된 냉동기 상단부의 모습. [사진=기계연]

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 확대해 바이오산업과 반도체 산업 등 새로운 산업 창출을 모색할 수 있게 됐다는 점에서 더욱 의미를 갖는다.

박성제 기계연 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.



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