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미래 기술을 향한 도전, 가스터빈/스텔스 원천기술 국산화에 기여
조형희 교수(연세대학교 기계공학부)/hhcho at yonsei.ac.kr/

가스터빈 고온부품과 스텔스 기술은 첨단 에너지/국방 기술로 수출 제한 품목이기에 국내 연구개발이 반드시 필요합니다.

이번 서면 인터뷰에서 만나 보실 조형희 교수(연세대학교 기계공학과)는 국방, 항공, 에너지 분야의 탁월한 연구자로 가스터빈 핵심(블레이드, 연소기 등) 열설계 기술의 국산화에 성공하고, 세계 최초로 적외선, 레이더, 시각 동시 회피 복합 스텔스 기술을 개발하셨습니다. 또한 연세대 국방피탐지감소기술 특화연구센터장(2009~2017)과 연세대 항공우주전략연구원장(2019~2023), 연세대 무인기용 고효율 터빈기술 특화연구센터장(2018~현재) 맡아 가스터빈 고온부품 열설계 기술을 확보하고, 스텔스 기술의 불모지였던 대한민국에서 스텔스 메타물질의 원리를 규명하고 실증하는 데 힘써 왔습니다. 

 

연구에 대해 자세한 이야기해보도록 하겠습니다.



1. 현재 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

연세대학교 기계공학과에서 1995년부터 열전달 연구실을 운영하고 있습니다. 연구실에서는 지금까지 박사 36명과 석사 130여명을 배출하였고, 현재 27명의 박사/석사과정생들이 국방·항공·에너지 분야에서 다양한 열전달 관련 연구를 수행하고 있습니다. 대표적으로는 발전/항공 분야의 핵심인 첨단 가스터빈엔진의 열설계 및 냉각기술 개발 연구와 국방 분야의 핵심인 차세대 스텔스 기술 개발 연구를 수행하고 있습니다.






2. 2022년 대한민국 올해의 10대 기계기술로 ‘차세대 항공기를 위한 시각, 레이더, 적외선 동시 회피 복합 스텔스 기술 개발’이 선정되었는데요. 관련 기술에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

차세대 복합 스텔스 기술은 기존 무기체계에 적용된 시각 및 레이더 스텔스 성능을 유지하면서 적외선 신호를 저감하고, 다양한 파장 대역을 사용하는 최신 무기의 탐지기로부터 아군 무기체계를 보호하기 위한 회피(스텔스) 기술입니다. 연구팀에서는 2009년부터 국방피탐지감소기술 특화연구센터, 항공피탐지감소기술 특화연구실 사업을 통한 연구 결과로 세계 최초 차세대 복합 스텔스 기술을 구현하였습니다.





차세대 복합 스텔스 메타물질은 레이더 및 적외선 대역, 시각 및 적외선 대역에서 적의 무기로부터 동시에 회피가 가능한 기술입니다. 유연 적외선-레이더 복합 위장 구조체는 유연성을 가지면서 레이더파(수 밀리미터)와 적외선(수 마이크로미터)의 약 1000배의 파장 차이를 극복할 수 있는 하나의 물질을 설계 및 제작하였습니다.

레이더 스텔스를 위해 타겟 탐지에 활용되는 레이더파(S, C, X 밴드, 2~12 GHz)를 흡수하고 배경 신호와 구별되지 않도록 적외선 신호를 저감하는 복합 스텔스 메타물질을 구현하였습니다. 또한, 시각-적외선 동시 위장을 위해서는 주변 배경과 시각 위장무늬 및 적외선 신호를 유사하게 하여 동시에 시각과 적외선 탐지기를 속일 수 있는 복합 스텔스 메타물질을 개발하기도 하였습니다. 기존 시각 위장무늬를 그대로 유지하면서 적외선 신호를 줄일 수 있어 이미 시각 위장이 적용된 기존 무기체계에도 적용할 수 있을 것으로 생각합니다.





그림에서와 같이 적외선, 레이더, 시각 탐지기를 각각 기만하는 위장 표면을 계층적으로 통합하여 차세대 스텔스 성능을 갖는 메타물질을 개발하였습니다. 시각 및 레이더 스텔스 기술의 경우 지난 수십년 간의 연구개발을 통해 체계에 적용될 기술 수준이고, 최근에 적외선 신호를 추적하는 탐지 기술이 발전하여, 이를 회피하기 위한 적외선 스텔스 기술이 주목받기 시작하였습니다.

적외선 스텔스 기술은 아직 초기 연구 단계로 체계에 적용하기 위한 성능개선 및 실용화를 위한 기술 개발이 필요한 실정입니다. 따라서 복합 스텔스 기술의 성능 향상을 위해서 적외선 스텔스 성능을 개선하고 체계적용이 가능하도록 물질의 유연화 및 내마모성을 확보하는 기술 개발이 필요합니다.





적외선 스텔스 기술을 연구하기 위해서는 적외선 탐지기의 특성을 먼저 알아야 합니다. 적외선 탐지기는 항공기에서 나오는 적외선 신호 중 대기에서 흡수되지 않고 탐지기로 전달되는 3~5µm 및 8~12µm 대역의 신호를 탐지합니다. 따라서 탐지 대역으로 방사되는 신호는 줄이고, 대기가 흡수하는 5~8µm 대역(비탐지 대역)으로 에너지를 방사시켜 연속적인 발열원인 항공기 내부에 열이 쌓이는 것을 방지해야 합니다. 연구팀에서는 비탐지 대역으로 열에너지를 최대한 소산시켜 항공기의 열 안정성을 확보하기 위해서, 다중 직경 금속패턴 및 금속-유전체 층의 적층을 통해 구현된 광대역 및 고방사가 가능한 적외선 스텔스 메타물질을 제작하였습니다.





개발된 적외선 스텔스 메타물질을 항공기 등 무기체계에 적용하기 위해서는 유연성 및 내구성을 확보하는 것이 필수적입니다. 유연성 확보를 위해 유연소재 및 취성 유전층 분절 기술을 활용하여 유연하게 구연한 유연 적외선 스텔스 메타물질 및 코팅 기술을 적용한 내마모성을 갖는 적외선 스텔스 메타물질을 개발하였습니다.

유연 적외선 스텔스 메타물질의 경우 매우 얇고 유연한 특성 때문에 곡면형상을 기본으로 하는 비행체에 부착할 수 있는 장점이 있습니다. 수십 나노미터 두께의 얇은 코팅을 통해 초음속 상황 및 항공기 표면 청소 모사 상황에서도 구조물이 잘 유지될 수 있는 내마모성 스텔스 메타물질 또한 개발하였습니다. 이와 같이 차세대 항공기를 위한 시각/레이더/적외선 동시 회피 복합 스텔스 기술은 시각/레이더 스텔스 표면에 적외선 스텔스를 추가적으로 적용 가능한 메타물질을 구현하는 기술로써, 기존의 전투기와 무인기 체계에도 적용이 가능하여 우리 군의 생존성을 크게 높일 수 있는 기술입니다.



3. 가스터빈은 큰 발전량과 높은 에너지 효율을 얻기 위해 초고온 환경에서 운전되고, 수만여 개의 정밀 부품으로 구성된 첨단 기술력의 집합체입니다. 가스터빈 원천 기술의 확보는 매우 중요한데요. 최근에 대형가스터빈 국산화에 성공하였습니다. 자세한 설명 부탁드립니다.

‘기계공학의 꽃‘이라고도 불리는 가스터빈은 고온·고압·고속의 극한 환경에서 구동하기 때문에 열역학, 유체역학, 고체역학, 동역학, 재료 등 여러 분야가 집약된 결정체입니다. 가스터빈은 크게 압축기-연소기-터빈으로 구성되며, 특히 연소 가스를 팽창시켜 동력을 발생시키는 터빈부가 핵심이 됩니다. 

 

터빈부는 연소기에서 분사되는 1400℃ 이상의 연소 가스에 노출되어서 해당 부분을 구성하는 베인/블레이드, 연소기 라이너 등 고온 부품 내열설계 기술의 확보가 최우선이라 할 수 있습니다. 또한, 열역학적 관점에서 연소 가스의 온도가 상승할수록 가스터빈의 효율과 출력, 즉 성능이 향상되기 때문에 가스터빈의 국산화와 향후 시장에서의 경쟁력 확보를 위해서는 고온부품 냉각기술, 내열소재 및 열차폐 코팅과 관련된 원천기술 확보가 매우 중요합니다.





연구실은 2000년에 “고온기기 부품 냉각기술 개발” 국가지정연구실(NRL)로 선정되었고, 2013년부터 10년간의 “차세대 가스터빈 고온 부품”- GET-Future 연구실 사업을 통해, 국내 운전 특성을 고려한 한국형 고효율 가스터빈 열설계 기술을 확보하는데 주력해왔습니다. 정밀한 실험 기법과 수치해석을 통해 내부유로 및 충돌제트 냉각, 막냉각과 같은 고온부품 냉각 원천기술의 확보와 성능 향상을 위한 응용 연구를 수행하였고, 이를 바탕으로 가스터빈 고온 부품(베인/블레이드, 연소기 라이너)에서 발생하는 복잡한 열동 현상 및 문제점 분석, 최적 냉각기술 도출, 구조수명 예측 등 종합적인 고온부품 열설계 프로세스를 확립하였습니다. 또한, 오랜 기간 축적된 연구 결과를 바탕으로 한국형 가스터빈 고온부품 표준 열설계 모델을 개발하고, 국내 기업체와의 공동연구를 통해 개발된 원천기술의 기술이전/사업화를 수행하여 가스터빈 국산화에 기여하였습니다.

2011년도부터 발전용 대형가스터빈 국산화를 위한 기획에 참여했고, 두산중공업(현, 두산에너빌리티)이 주관하는 발전용 대형가스터빈 개발에 참여하였습니다. 1조원이 넘는 연구개발 비용이 투입되어 지난 2022년 국산화에 성공했으며, 개발된 가스터빈은 실증을 위해 김포 열병합발전소에 설치되어 2023년 3월에 첫 점화에 성공한 데 이어 5월에는 전력계통에 연결해 첫 발전을 개시하였습니다. 이로써 우리나라는 세계에서 5번째로 대형가스터빈 엔진 설계, 제작 및 조립기술을 보유한 국가가 되었습니다.



4. 솔직히 가스터빈 기술 개발은 정부나 발전사의 도움 없이는 불가능하다고 하는데요. 교수님의 견해는 어떠신지...

우리나라가 대형 발전용 가스터빈 보유국이 되었지만, 국산화에 성공한 가스터빈은 선진국과 비교하면 아직 부족한 부분이 있습니다. 이를 개선하기 위해서는 더 많은 연구개발 투자로 기술 경쟁력을 가져야 합니다. 성능 향상을 위해서는 가스터빈의 작동을 온도를 높여야 하고, 이를 위한 고온부품 냉각기술, 내열소재 및 주조기술 등 핵심기술 개발을 위한 산업 생태계(Supply-chain)를 구축하는 것이 중요합니다.





완전한 국산화에는 제작사(OEM) 뿐만 아니라, 가스터빈 구성품 및 부품을 제작/공급하는 국내 협력사(Supply-chain)들의 기술력 향상이 중요합니다. 더불어 실증 및 신뢰도 구축을 위해서 많은 시간 운전 경험(track record)을 할 수 있는 발전사들의 협력도 필요합니다. 또한 이와 같은 기술 개발을 위한 핵심 전문 인력 양성 또한 필요합니다. 따라서 가스터빈 선진국으로 도약하기 위해서는 범국가적인 지원과 산·학·연의 긴밀한 협력이 필수적이라고 할 수 있습니다. 제가 센터장으로 있는 무인기용 고효율 터빈기술 특화연구센터(UTRC)는 이러한 산·학·연·정 협력의 대표적인 사례입니다.




5. 현재 가동 중인 가스터빈은 외산이며 구입비용보다 유지보수비용이 더 크다고 하는데요. 가스터빈 개발 후 유지 보수면에서 매우 중요한 것 같습니다. 교수님의 가스터빈 개발 이후에 대해 어떤 견해가 있으신지 궁금합니다.

발전용 가스터빈 고온부품은 2~3년 주기로 정비 및 교체가 필요하며, 발전설비 운영비의 대부분을 차지하고 있습니다. 이 때문에 고온부품 정비/교체 Aftermarket은 가스터빈 제작사의 주된 수입원이기도 합니다. 22년 3월 기준 국내 복합화력 발전용 가스터빈은 약 161기로, 교체되는 고온부품은 대부분 해외 제조사가 공급하고 있습니다. 발전사가 매년 고온부품 교체 비용으로 1,290억원, 경상정비 비용 1,550억원으로 약 3,000억원 규모를 지출하고 있어 가스터빈이 도입된 후 지출된 유지비용은 4조 2,100억원 입니다. 더욱이 국내 복합발전은 기저부하가 아닌 첨두부하 상황에서 운전하기 때문에 잦은 일일 기동 정지(DSS, Daily Start & Stop) 운전을 주로 수행하기 때문에 고온에 노출되는 가스터빈 부품의 수명이 매우 짧아, 고온부품 유지보수 비용이 국내 복합발전소 운영비용의 대부분을 차지하고 있습니다. 따라서, 이와 같이 높은 해외 제작사 고온부품 수입 비용을 줄이기 위해서는, 국산화 개발 사업을 통한 가스터빈 베인/블레이드, 슈라우드 블록 등의 고온부품 개발 노력이 지속되어야 합니다.

가스터빈 고온부품 제작 국산화를 위해서 주조, 가공 및 코팅 기술 고도화를 위한 노력 중에 있습니다. 특히 더 높은 온도에 견디기 위해 신뢰성 있고 수율 높은 일방향 및 단결정 주조기술의 고도화가 필요합니다. 고온부품 냉각유로 설계, 교체주기 및 수명평가를 포함한 열설계기술 또한 더 많은 연구가 필요합니다. 가스터빈 블레이드/베인/슈라우드 블록 등 고온부품의 냉각유로 설계 기술은 해외 가스터빈 제작사의 특허로 보호되어 기술이전이 불가능하고, 현재도 관련 기술을 선점하기 위해 공격적으로 특허를 출원하는 등 신제품 개발을 위해 많은 투자를 하고 있습니다. 소수의 특정 제작사가 독과점하고 있는 고온부품 시장진입 및 기술의 한계를 극복하기 위해 고온부품 열설계 기술의 독자 연구개발에 기업뿐만 아니라 국가 차원의 지속적인 지원이 필요합니다.



6. 미국의 GE, 독일의 Siemens, 일본의 MPW(미쓰비시 파워), 이탈리아의 안살도 등 전 세계에서 가스터빈을 생산할 수 있는 업체는 극소수인데요. 국내 상황과 국외 상황을 구체적으로 비교해주신다면 어떤 실정인가요.

국내 상황을 해외와 비교하기 위해서는 단순히 기술적 측면의 비교가 아니라, 현재 글로벌 상황에 대한 이해가 함께 되어야 한다고 생각합니다. 산업혁명 이후 지난 200년 동안 화석연료의 무분별한 사용으로 인해 현재는 지구온난화(global warming)를 넘어서 지구열대화(global boiling) 시대에 진입하였습니다. 더 이상의 지구 온도 상승 및 기후변화를 막기 위해, 지난 3~4년 동안 세계의 많은 국가들이 2050년까지 탄소중립(Net-zero CO2)을 선언하였습니다. 이러한 흐름에 발맞추어 우리나라도 2030년까지 2018년(CO2배출량 727.6백만톤) 대비 탄소 배출량을 40%까지 감축(2030년 배출량 436.6백만톤)하겠다는 목표를 국제사회에 공표하였고, 탄소중립 기본법이 통과되면서 2050년까지 탄소중립 달성이 법제화되었습니다.

선진국들은 발 빠르게 화석연료의 사용을 줄이고 있습니다. EU는 2020년에, 미국은 2022년에 신재생에너지의 발전량이 화석연료의 발전량을 추월하였으며, 신재생에너지의 발전 비중이 점차 증가하고 있습니다. 하지만 우리나라의 자연환경은 태양광, 풍력 등의 재생에너지 발전에 매우 불리합니다. 호주의 경우 연간 일사량이 1833kWh/m2로 태양광 발전 설비 평균 이용률은 33%에 이릅니다. 반면, 국내 연간 일사량은 985kWh/m2로 태양광발전 설비 이용률도 약 15%로 매우 낮으며, 풍력발전 환경 및 건설 여건도 어렵습니다. 이처럼 재생에너지 발전량은 자연환경에 의존도가 높기 때문에 전력생산 목표를 달성하기 위한 국내 발전 설비용량은 재생에너지 여건이 좋은 국가에 비교해서 훨씬 더 많을 수밖에 없습니다. 국내 태양광발전의 경우 요구되는 발전량을 얻기 위해서 7배 많은 발전설비를 구축해야 합니다.

또한 재생에너지는 경제성 문제 이외에도 기상·기후변화에 따라 발전량이 크게 변하는 것이 특징입니다. 이와 같은 재생에너지의 간헐성은 기존의 LNG 및 석탄화력발전기의 운영에도 큰 부담을 줍니다. 재생에너지 발전은 발전량을 원하는 대로 조절하기 어려우므로 기존 발전기의 가변 운전성을 증가시켜 기동·정지의 횟수가 늘어나게 됩니다. 잦은 기동·정지는 발전기의 고장 확률을 증가시켜 정비 주기를 단축시키고, 운영 관리비를 증가시키게 됩니다. 탄소중립을 달성하면서 이러한 재생에너지 발전의 간헐성을 극복하려는 방안으로 분산형 무탄소(수소 또는 암모니아) 가스터빈 발전이 대안으로 대두되고 있습니다.

현재까지의 가스터빈 시장은 GE, Siemens, MPW 등의 외국 선진사의 독과점 체계였습니다. 앞으로의 가스터빈 시장은 무탄소 가스터빈을 중심으로 재편될 것으로 보입니다. 현재까지 수소 터빈 개발은 “기술개발 → 실증 → 상용화 → 상업운전”의 개발단계 중 주요국 대부분은 “실증”완료 단계에 있다고 평가됩니다. 2020년 발전용 가스터빈 발주량의 50% 이상이 혼소(수소와 LNG 연료 혼합 사용)가 가능한 모델이며, 신규 개발 가스터빈 기종은 모두 수소 혼소가 가능하도록 개발하고 있습니다. 따라서 수소 혼소 가스터빈 기술은 실증 완료 및 상업화 전단계이며, 장기적으로는 수소 전소 가스터빈을 목표로 개발이 진행되고 있습니다.

우리나라도 탄소중립으로 진행되는 속도에 맞추어서 현재의 LNG용 가스터빈 복합화력발전을 순차적으로 무탄소 가스터빈 발전으로 전환하는 것을 목표로 두고 있습니다. 정부의 온실가스 감축 로드맵(2021년 10월 발표한 A안 기준)은 무탄소 가스터빈을 0%에서 21.5%로 확대하는 것으로 설정하였습니다. 국내 기업에서도 기존 가스터빈을 개조해서 수소를 혼합 연소하는 발전 방식과 100% 수소를 사용하는 가스터빈 엔진을 개발하고 있습니다. 국내 현재 전력 상황과 지정학적 환경에 따른 미래 전망을 고려하면, 빠른 시일내에 국내 독자의 무탄소 가스터빈 기술 개발이 반드시 이루어져야 합니다.



7. 첨단 항공 가스터빈 엔진 개발 및 무인기용 고효율 터빈기술 특화연구센터 연구에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

“첨단 항공가스터빈 엔진” 개발은 미래 전투 환경에서 요구되는 유·무인기 복합 운영체계에 필요한 것으로, 국가적 역량을 결집해 확보해야 할 핵심 분야입니다. 선진국들은 항공용 가스터빈 엔진의 추력 강화, 연비 향상, 경량화, 다목적화를 위해 민간 및 군용 항공 엔진을 고도화하였고, 이를 국가전략물자/기술로 분류하였습니다. 이로 인해 수출입 허가 및 기술이전 등이 제한되어 첨단항공엔진 국산화의 필요성이 대두되고 있습니다. 또한, 첨단항공엔진 개발은 항공기 수요와도 밀접한 관련이 있습니다. 국내 공중 전투임무기의 도태 및 추가 도입에 따른 항공 엔진의 급격한 수요 증가와 미래 전투 환경에서의 유·무인기 복합체계로의 발전 방향에 따라 새로운 무인기 시장의 비약적 성장이 예상되며, 따라서 첨단항공엔진 소요가 증가할 것으로 전망됩니다.

이에 발맞춰 정부는 첨단항공엔진 개발을 위한 추진방향 및 목표 설정과 함께 관련 부처의 정책 수립을 통해 개발 계획을 수립하고 있습니다. 방위사업청에서는 21년 8월 ‘첨단 항공엔진 연구개발 추진방안 연구’ 용역 기획과제를 통해 항공 가스터빈엔진의 산업 환경, 국내개발 필요성, 국내기술 수준 및 개발환경, 개발 목표를 분석하여 항공 가스터빈 엔진 연구개발 로드맵을 제시하는 작업에 착수하였습니다. 이어서 22년 3월 제1회 첨단기술사업 관리위원회를 개최하고 ‘미래전장에 혁신을 가져올 게임체인저 8대 기술 개발’을 위한 미래도전국방기술 추진방향으로 ‘고추력 항공기 엔진 국내 자체개발’을 제시하였습니다. 또한, 과학기술정보통신부는 22년 10월 국가과학기술자문회의 전원회의에서 『국가전략기술 육성방안』 12대 국가전략기술 분야, 50대 세부 중점기술에서 우주항공·해양 기술로 “첨단 항공가스터빈 엔진·부품”을 선정하였습니다. 이와 같은 정부의 계획은 ‘첨단 항공가스터빈 엔진’ 개발을 위해서 단계적인 기술 축적을 통한 핵심원천기술 확보와 국내 산학연의 모든 역량을 집결하고자 하는 추진 의지를 보이며, 첨단 항공가스터빈 엔진개발 성공의 열쇠가 될 것입니다.





무인기용 고효율 터빈기술 특화연구센터(주관: 연세대학교, 센터장: 조형희)는 터빈 연구에 관련한 국내 많은 대학, 연구소, 기업이 무인기에 적용되는 코어 엔진에 필요한 핵심기술을 개발하기 위해 협력 연구를 수행하는 산·학·연 공동연구센터입니다. 특화연구센터에서는 차세대 가스터빈 고온부품 냉각설계, 공력성능 및 시험평가를 통한 개선안을 도출하는 동시에 최적화를 수행하고 있습니다.

크게는 3개의 연구실로 이루어져 있으며, 제1연구실에서는 고온부품 세부 요소들에 대한 냉각성능 평가 및 개선, 제2연구실에서는 공력성능 평가 및 개선, 제3연구실에서는 각 실에서 제시된 결과를 반영한 통합 설계 프로그램을 개발하고, 이를 실증하기 위한 중·고온용 시험리그를 구축하고 시험하는 연구를 수행하고 있습니다. 특히 특화연구센터에서 구축한 중·고온 환경에서 작동하는 시험리그는 향후 실제 차세대 첨단항공엔진에 적용될 가스터빈 고온부품을 검증하는 역할을 수행할 수 있을 것으로 사료됩니다. 특화연구센터는 국내 산·학·연 각각 독립된 연구기관들이 차세대 항공가스터빈 엔진 개발을 위해 협력할 수 있는 체계와 기반을 마련하고 있다는데 큰 의의가 있습니다.





연구실에서는 차세대 항공용 가스터빈에 적용될 수 있는 고온부품 냉각기술에 관련한 연구를 수행하였습니다. 블레이드의 경우 팁 간극이 공력성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소이며, 이 간극 주변에서 매우 복잡한 유동 구조가 형성되어 열부하가 크게 증가하게 됩니다. Fig 8의 결과는 이런 열부화를 해소하고 공력성능을 높이기 위해 블레이드 팁 내부 벽면에 슬롯 형태의 막냉각을 적용하여 냉각성능을 크게 개선한 사례입니다. 또한, 차세대 항공터빈 고온부품 내부 벽면쪽에 적용될 수 있는 충돌제트 형상에 성곽 구조를 적용해 열전달 성능 및 균일도를 증가시키기 위한 연구도 진행되었으며, 베인 외부 벽면의 형태를 변화시켜 고온가스로부터 받는 열부하를 크게 감소시킨 연구도 진행하였습니다. 이와 같은 차세대 항공용 첨단엔진 고온부품 개발을 위한 기초연구 성과들을 기반으로 국내에서도 지속적으로 원천기술 개발을 수행해 간다면, 추후 첨단항공엔진 국산화 뿐만 아니라 세계를 선도할 수 있는 기술을 보유하게 될 것입니다.



8. 탄소중립으로 무탄소 가스터빈 발전에 대해 기대하는 바가 큰데요. 기존 가스터빈을 개조해 수소를 혼합 연소하는 발전과 100% 수소를 사용하는 가스터빈 엔진에 대해서 자세한 설명 부탁드립니다.

가스터빈의 연료로 수소를 사용하는 방법은 저·고농도 혼소 및 수소 전소로 구분됩니다. 저농도 혼소는 기존 가스터빈에 허용 가능한 범위(최대 30%)의 수소를 기기 변경 없이 천연가스와 혼합 연소하는 방법으로 단기적으로 확보가 가능한 저비용 혼소 발전 기술입니다. 고농도 혼소는 50% 이상의 수소를 혼합 연소하는 방법으로 기존 가스터빈의 연소 시스템의 개조가 필요한 방법입니다. 100% 수소 연소를 구현하는 수소 전소는 신규 연소기 및 가스터빈의 개발을 통해 가능한 방법으로, 분산형 발전 위주의 중소형 수소 발전기 개발 전략이 필요합니다.

LNG와 비교하여 연료를 수소로 전환 시, 크게 3가지의 이슈를 고려하여야만 합니다. 첫 번째는 늘어나는 체적 유량입니다. 메탄(CH4)은 수소(H2)에 비해 3배 높은 체적 저위발열량(L.H.V.)을 가지고 있어서 동일한 발전 에너지를 제공하기 위해서는 3배의 부피를 가진 수소를 연소해야 합니다. 두 번째는 빠른 화염 속도입니다. 수소는 메탄보다 낮은 분자량을 가지고 있기 때문에 5~10배 빠른 화염 속도를 가집니다. 이로 인해 연소기에 심각한 손상을 일으킬 수 있으며, 역화(Flashback) 현상이 일어날 수도 있습니다. 세 번째는 높은 화염 온도로 인한 질소산화물(NOx) 배출입니다. 수소는 단위 무게당 발열량이 메탄에 비해 크기 때문에 수소 연소로 인한 높은 화염 온도는 NOx 생성을 증가시켜 오히려 환경문제를 일으킬 수 있습니다.

따라서 수소 혼소 혹은 100% 수소 연소 방식을 채택하는 경우 그에 따른 연소기 및 고온부품의 설계변경은 불가피합니다. 가스터빈 제작사에서는 마이크로 믹서(Micro mixer) 연료 노즐 적용을 통한 해결책을 모색하고 있으며, 라이너/TP의 냉각 설계 최적화와 소재 측면의 재검토를 수행하고 있습니다. 또한, 증가된 체적 유량에 대응하기 위한 터빈 신규 설계 적용과 수소 화염의 연소 진동을 억제하기 위한 연소 제어시스템의 개발도 진행하고 있습니다. 특히 많은 양의 수소를 공급하기 위한 수소 이송과 저장 문제도 꼭 해결해야 할 사항입니다.



9. 최근 가스터빈 기술에 대한 개발 현황과 향후 전망에 대해서 궁금합니다.

최근 3D 프린팅 (또는 적층 제조) 기술 활성화에 따른 제조 기술의 혁신으로 가스터빈 엔진 분야에서도 이를 적용하는 사례들이 발표되고 있습니다. 가스터빈 엔진 분야에서 3D 프린팅 기술 도입 초창기의 주요 목적은 폴리머 소재 기반의 쾌속 조형(Rapid prototyping)을 통한 설계 형상 검토였지만, 최근 금속 3D 프린팅 기술이 발전되면서 이를 제품 설계 및 생산에 응용하는 연구가 증가 추세입니다. 특히, 미국 연방항공국(FAA ; The Federal Aviation Administration)에서 GE 社 등의 해외 주요 항공 엔진 제조사들을 대상으로 3D 프린팅을 이용한 가스터빈 부품 제작을 허가함으로써 가스터빈 고온부품에 대한 새로운 제작방식의 도입 가능성을 시사하였습니다. Rolls-Royce 社, Siemens 社, GE 社와 같은 해외 주요 가스터빈 제작사들은 PBF (Powder Bed Fusion) 제작방식을 이용한 제품 생산을 위해 금속 3D 프린터 기반의 스마트 팩토리를 구축하기 시작하여 적층 제조를 적극적으로 활용하고자 하는 방향으로 연구를 진행하고 있으며, 실제로 최근 발표된 문헌에 의하면 3D 프린팅 기술을 통해 제작된 고온부품을 이용하여 운전 실증과 성능 개선 사례들도 보고되고 있습니다.

3D 프린팅 기반의 적층 제조는 정밀주조의 제품 제작을 위한 금형 설계 및 제작, 내부 냉각 유로 공동 생성을 위한 세라믹 코어 설계 및 제작 등의 공정이 불필요하여 전체적인 제품 제작공정을 간소화할 수 있다는 장점을 갖고 있어 가스터빈 고온부품 제작 기간 단축 및 제조 단가 절감 효과를 기대할 수 있습니다. 3D 프린팅 제작 방식은 기존 정밀주조 방식에 비해 높은 형상 자유도를 갖기 때문에 새로운 냉각 형상을 고온부품에 적용 시 현재 사용 중인 가스터빈보다 높은 터빈 입구 온도에서 운전이 가능할 것입니다.





최근 가스터빈 분야에서도 AI (Artificial Intelligence)와 디지털 트윈(Digital Twin)을 적용하려는 연구가 진행되고 있습니다. 미국 GE 社는 2016년 세계 최초의 산업용 클라우드 기반 오픈 플랫폼인 프레딕스(Predix)를 공개하며 항공우주 산업 분야에서는 실제 물리적 요소와 디지털 요소를 연계한 디지털 트윈의 도입을 선언하였고, 2020년에는 기존 설계 기간을 30~50% 단축하는 것을 목표로 AI나 머신러닝(Machine Learning) 기법을 가스터빈 엔진 설계에 적용하였습니다. 미국의 보잉 社는 디지털 트윈을 통해 부품 품질 면에서 40%의 개선율을 달성하였으며 신제품의 결함 및 수명을 예측하는 시스템을 도입하고 있습니다. 디지털 트윈과 실험 DB를 기반의AI 기법을 활용한 예측모델을 개발한다면 효율적으로 최적 고온부품 냉각설계안을 도출할 수 있을 것으로 예상합니다.



10. 이런 연구에 힘입어 앞으로 계획 중인 연구나 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.

연구실에서는 열전달 분야와 관련된 가스터빈 열설계 기술과 IR 스텔스 기술 개발에 대해서 주된 연구를 수행하여 왔습니다. 가스터빈 분야와 관련하여서는 작년에 대형 발전용 가스터빈 국산화를 성공하면서 연구실에서 지난 30년 동안 연구한 많은 열설계 연구결과가 활용될 수 있는 기회가 있었습니다. 또한 현재 첨단 항공가스터빈 엔진 국산화 개발을 위한 기획이 진행되고 있습니다. 따라서 앞으로 우리가 연구하는 많은 고온부품 냉각기술 연구결과가 활용될 수 있는 기회가 주어질 것으로 사료됩니다. 더불어서 향후 탄소중립 시대에 필요한 무탄소(수소 및 암모니아) 가스터빈 개발을 위한 핵심기술 개발 연구가 필요합니다.

적외선 스텔스 기술 개발과 관련하여서는 2009년부터 국방피탐지감소기술 특화연구센터, 항공피탐지감소기술 특화연구실 연구개발 사업을 통해 적외선과 레이더/시각을 동시에 사용 가능한 복합 스텔스 기술 개발과 관련된 기초연구 및 응용 연구를 수행하여 왔습니다. 이를 기반으로 세계 유수 저널에 다수의 논문 게재와 국내외로 많은 특허도 보유하고 있습니다. 하지만, 궁극적으로 항공기, 무인기 등 무기체계에 적용되기 위해서는 기초연구 단계에만 머물러서는 안 되고 실용화를 고려하여 한 단계 더 나아가야 합니다.

 

연구실은 올해 국방기술진흥연구소의 무기체계 패키지형 핵심기술 과제인 ‘최신 탐지 위협 대응 무인기용 메타구조 스텔스 융합 기술’ 응용연구 과제에 선정되어, 레이더, 안테나, 적외선 스텔스 메타구조를 실제로 무인기 기체 구조에 적용하는 연구를 진행하여 적외선 스텔스 기술이 실용화 단계로 나아갈 수 있도록 노력하고자 합니다. 이 과제가 성공적으로 완료될 경우, 무인기 뿐만 아니라 국내 KF-21 초음속 전투기를 비롯한 다양한 항공기에 확대 적용 가능하여 초음속 스텔스 전투기 개발에도 기여할 수 있을 것이라 생각됩니다. 지금까지 적외 메타물질을 실제 무기체계에 적용한 사례는 국내·외 어디에서도 공개된 적이 없는 도전적인 연구입니다. 이 연구가 성공적으로 수행되면 국내 항공기뿐 아니라 열적으로 탐지되는 전차, 차량, 군함 등 다양한 무기체계들에도 이러한 적외선 메타물질을 적용할 수 있게 될 것이고, 궁극적으로는 우리 군의 생존성을 크게 증가시킬 것으로 생각합니다.
 

가스터빈과 스텔스 기술 관련 연구는 우리가 직면한 탄소중립 시대에서의 에너지 위기 극복과 주변국의 위협으로부터 우리나라를 보호하기 위한 국방기술 개발에 중추적인 역할을 할 것으로 사료 되므로, 여러분들의 노력으로 우리나라가 원천기술을 확보할 수 있도록 적극적인 연구와 기술 개발에 도전하기 바랍니다.



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