COVID-19의 팬데믹 상황에서 백신 저장용기를 설계, 제작이 매우 중요해지고 있다.
화이자 백신은 –7°C 온도 범위에서 보관해야 하며, 다른 mRNA 백신 또한 최소 –30°C 이하에서 보관해야만 한다. 최근에는 제품의 적정온도 유지뿐만 아니라 제품의 상태를 모니터링할 수 있는 스마트한 기계 장치들이 선보이고 있다. 극한 환경 스마트 기계장비들은 제품의 위치와 온도, 습도, 동작 등을 실시간으로 추적 가능하다.

오늘 인터뷰에서 만나 보실 김석호 교수(창원대학교 기계공학부)는 극저온 냉동기, 초전도 기기 냉각 시스템, 열유체 기계 설계 등과 관련된 연구를 진행하고 있습니다.

또한 RLRC 선도연구센터 극한환경 스마트 기계부품 설계/ 제조혁신센터(Extrement Environment Design and Manufacturing Innovation Center: X-DEMIC) 센터장을 맡아 초고온/ 초고압/ 극저온의 극한 환경 소재 기초 연구 및 기계부품 열수력학적 기초 설계, 대유량 순환시스템용 극저온 블로어 시제품 제작에 참여 중이십니다. 교수님의 연구에 대한 자세한 이야기해보도록 하겠습니다.


1. RLRC 선도연구센터 극한환경 스마트 기계부품 설계/ 제조혁신센터(Extreme Environment Design and Manufacturing Innovation Center: X-DEMIC)에 대한 소개 부탁드립니다.

저희 지역혁신 선도연구센터는 과학기술정보통신부의 집단연구지원사업을 기반으로 2019년 9월 극한환경 스마트 기계부품 설계/제조혁신센터를 설립하였으며 동남권에 위치한 연구소, 기술중심 기업, 대학 연구시설을 포함한 산학연이 연계된 연구센터입니다. 창원대, 부산대, 경남대에서 총 9분의 교수님, ㈜ 수퍼제닉스 등 지역의 15개 기업, 지자체로서 경상남도, 창원시 그리고 지역내 연구소 등이 참여하고 있습니다.

동남권은 국내 기계부품 제조업의 전진기지로 최근 부진을 면치 못하고 있는 상황에서 고온과 극저온을 넘나드는 소재, 부품, 장비개발 연구를 통해 중소 기술기업과 기존 제조업의 부진을 타개하고 항공우주, 초전도 전력기기, 극저온 유체 기기 등 고부가가치와 4차산업에 대응할 수 있는 핵심기술 개발로 성장성 확보의 기여를 목표하고 있습니다.

또한 대학 연구시설의 연구 한계를 산학연 공동연계를 통해 실증적이고 활용 가능한 연구개발 진행으로 여러 대학연구실과 교수님들과 협업으로 실질적인 고급 인재양성과 기술력 향상을 통한 미래 산업의 기술 리더 배출을 위해 노력하고 있습니다.


2. 김석호 교수님께서 RLRC 센터를 이끌고 계시는데 교수님께서 초점을 두시고 진행하고 계신 연구에 대한 소개 부탁드립니다.

저는 창원대학교 기계공학부에서 저온공학 및 초전도 연구를 진행하고 있으며 주된 연구분야는 극저온 유체기기, 초전도기기, 극저온 냉각시스템과 같은 극저온 유체와 열전달에 관한 내용을 진행하고 있습니다.




극저온과 초전도라는 단어가 생소할 수 있습니다. 통상적으로 극저온이라고 하면 여러분들이 사용하고 계시는 LNG가 대기압에서 액화되는 온도(약 –160℃)이하의 온도를 말합니다. 이러한 환경을 유지하기 위하여 사용되는 유체기기나 시스템에 대해 설계 및 구조, 소재에 대한 제한사항이 뚜렷하기 때문에 열역학적으로 엄밀하고 최적화된 설계가 필수적입니다.

최근 각광받고 있는 수소에너지의 경우 현재 고압의 압축수소를 저장하는 단계지만 20 K(-253℃)의 상압으로 액화시켜 저장하면 월등히 높은 에너지밀도를 가질 수 있습니다. 이는 수소연료전지를 적용하는 모빌리티나 전력발전에 효율성 측면에서 핵심적인 기술이며 각국에서 다양한 시도를 하고 있습니다. 이와 같은 극저온 유체 시스템에는 액화를 위한 극저온 냉동기, 블로어나 펌프와 같은 회전기기, 저장을 위한 단열용기, 이송 파이프라인 등과 같은 부분에서 극저온 소재와 열역학적 설계가 필수적입니다.

또한, 극저온 환경이 필수적으로 요구되는 초전도기기는 상전도 소재(구리, 은, 금)와 달리 임계조건 하에서 직류 저항 특성이 사라지는 초전도선이 사용됩니다. 초전도선을 이용하면 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 모터, 발전기, 전력케이블 등과 같은 상용 전력기기의 에너지 효율 한계를 넘어 초고효율을 구현할 수 있습니다.

MRI, NMR, 자기부상열차 등과 같이 초고자장이 요구되는 의료장비, 분석 장비, 산업용 기기 등도 초전도선이 사용됩니다. 이러한 초전도기기는 응용분야에 따라 다르지만 대략 –269℃ ~ -196℃의 극저온 환경을 안정적으로 유지하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해 고효율 극저온 냉각 시스템 개발 연구를 진행하고 있습니다.


3. 교수님께서 연구하신 회전형 초전도 기기용 극저온 기체 냉매 순환 냉각 기술이 무엇인지 궁금합니다.

초전도 모터나 발전기는 다른 초전도 기기와는 달리 회전을 한다는 특징을 갖고 있습니다. 정지된 기기의 경우 극저온 냉동기 혹은 극저온 유체 등을 이용하여 비교적 쉽게 필요한 온도의 극저온 환경을 유지할 수 있습니다. 그러나, 회전하는 초전도 기기의 경우 냉각 시스템 자체를 함께 회전시키기가 매우 어렵기 때문에 정지된 냉각 시스템을 이용하여 회전하는 초전도 기기를 냉각해야 합니다.

만일 수냉식의 모터/발전기라면, 회전 커플링등을 이용하여 쉽게 냉수를 공급하고 회수할 수 있습니다만, 초전도기기는 극저온을 유지해야 하므로 물이 아닌, 극저온의 헬륨 네온 등을 액체 혹인 기체 상태로 공급하고 회수해야 하며, 단열을 위한 진공 배관 등을 사용해야 합니다.





본 연구에서는 대형 초전도 회전기에 적용될 수 있는 냉각 시스템으로서 기존에 소형 초전도 회전기에 적용되었던 네온 열사이펀 시스템과 기체헬륨 순환 냉각시스템을 결합하여 하이브리드 형태의 냉각 시스템을 개발하였습니다. 대형 초전도 회전기의 초전도 자석들은 주변에 설치된 냉각유로를 통과하여 흐르는 약 -243℃ (30 K)의 극저온의 기체 헬륨으로 냉각되도록 하였고, 이 기체 헬륨은 회전하는 –246℃ (27 K)의 액체네온과 열교환을 하도록 하였습니다. 이를 통하여 기존의 무거운 극저온 냉동기를 함께 회전시키거나, 기체 헬륨을 회전기 내부로 전달하기 위한 극저온 회전 커플링 등을 제거하여 냉각 효율 및 기기의 신뢰성을 높일 수 있습니다.


4. 극저온 블로워는 폐회로 열제어 시스템의 핵심부품이라고 하는데요. 폐회로 열제어 시스템 구축을 위해서 극저온 블로워 설계/ 제작 기술의 확보가 매우 필수적입니다. 연구하시는 극저온 블로어 시제품 제작 및 성능평가에 대해서 자세한 설명부탁드립니다.

극저온 블로워는 기체 헬륨, 기체 수소와 같은 극저온의 기체를 순환시키기 위한 장치로서 다양한 초전도 기기의 냉각 및 액화수소 시스템 등에 사용될 수 있습니다. 극저온 블로워는 상온에서 사용되는 일반적인 블로워와는 달리 상온으로부터 극저온으로의 열침입이 최소화되도록 설계해야 하며, 극저온에서 운전되는 특성상 고속회전하는 임펠러의 효율을 극대화하는 것이 매우 중요합니다.
또한, 회전기기의 특성인 고속 회전시 기계적 안정성, 극저온 환경 노출로 인한 열구조적 안정성, 지속적 운용에 대한 내구성 등을 고려하여 설계됩니다.




또한, 회전기기의 특성인 고속 회전시 기계적 안정성, 극저온 환경 노출로 인한 열구조적 안정성, 지속적 운용에 대한 내구성 등을 고려하여 설계됩니다.





마지막으로 개발된 극저온 블로워에 대해 극저온 유체를 직접 적용하여 차압 및 유량, 운전특성을 시험할 수 있는 성능평가장치를 독자적 개발을 통해 사용 중이며 관련 기술은 특허출원과 기술이전을 완료하여 상용화 단계를 대비하고 있습니다. RLRC 연구센터에 참여하는 기업과 학생, 연구원을 포함한 연구진에 의해 개발된 극저온 블로워는 철도기술연구원(KRRI), 기초과학연구원(IBS) 등에 설치된 초전도 자석 냉각시스템에 적용되어 현재 사용중에 있습니다.


5. 특허 중 2020년의 “상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프 제작”에 대한 설명 부탁드립니다.

해당 특허는 우주핵심기술개발 사업의 일환으로 “위성 및 우주비행체의 적외선 센서 냉각용 극저온 히트파이프” 연구의 대표적 결과 중 하나입니다. 우주경쟁시대의 도래와 인공위성을 비롯한 우주 비행체의 다목적화에 따라 대한민국도 전략적 대응을 위해 원천기술의 개발 요구와 노력이 지금도 진행되고 있습니다.

특히 인공위성기술 고도화와 정밀한 정보수집 기술은 기상, 교통, 통신, 군사 목적 등 국가 안보와 사회 전반적으로 필요한 기술로 분류할 수 있습니다. 위성에 적용되는 적외선 센서는 관측용으로 활용도가 매우 높으며 관측대상의 열분포 정보를 수집하는 민감한 센서로 안정적 데이터 수집을 위해 검출기의 안정적 온도 유지와 냉각기술이 필수적입니다.

대기권 밖 우주의 온도는 약 2.7 K(-271 ℃)로 절대영도에 가까운 점에 착안하여 센서가 작동될 때 발생하는 열을 루프형 히트파이프를 적용해 센서와 우주공간과 열교환하는 극저온 냉각 기술을 적용한 것입니다.





극저온 루프 히트파이프는 고압으로 충전된 질소를 응축부에서 액화시켜 공극률이 높은 윅(Wick) 구조에 액화질소가 공급되면 모세관 현상에 의한 차압으로 유체 흐름이 발생하며 냉매를 열원으로 공급합니다. 이후 열원에 공급된 냉매가 다시 기화하면서 열원을 냉각시키고 기화된 질소는 다시 응축부로 돌아가서 순환하게 됩니다.





이러한 원리를 적용하면 인공위성의 부가적 동력소모와 유지보수가 불필요하고 원거리에서도 효과적인 열전달이 가능하게 됩니다. 즉 무한한 우주공간이 극저온 냉각 시스템의 관점에서 훌륭한 히트싱크(Heat sink)의 역할을 하게 됩니다.


6. 지금까지 연구를 통해 가장 기억에 남는 특허가 있을까요?

다양한 연구성과가 있었지만 2020년 초 출원하여 현재 등록 절차가 진행 중인 “극저온 냉각시스템 및 이를 구비하는 발전시스템”이 있습니다. 대용량 초전도 풍력 발전기의 냉각을 위한 시스템으로 모터의 회전으로 전기를 생산하는 풍력 발전기 특성상 현재 사용되고 있는 전도냉각 방식보다 배관 구성을 통한 순환냉각 방식을 사용해야 하며 회전기기 적용을 위해 네온과 헬륨을 냉매로 사용하는 시스템을 구성하였습니다.

두 개의 폐회로 시스템에서 네온을 냉매로 하는 시스템은 기체 네온을 응축시켜서 액체로 상변화가 일어나면 수두에 의해 모터가 있는 액체 네온조로 이동하게 됩니다. 그리고 이 액체 네온조에는 기체 헬륨이 액체 네온에 의해 냉각되어 순환된 후 초전도 모터를 냉각할 수 있게 됩니다.

이 시스템의 경우, 지난 10년간 한국전력공사 전력연구원과 본교 박민원 교수님이 운영하시는 초전도 연구센터와 공동으로 장시간 연구를 진행하였습니다. 해당 시스템은 그동안 제가 연구를 수행한 네온 재응축 시스템, 극저온 블로어 등 여러 극저온 관련 연구성과의 집합체라고 할 수 있습니다. 또한 이 시스템 구성은 초전도 풍력 발전뿐 아니라 앞으로 본격적으로 연구가 진행될 액체수소와 초전도 모터를 기반으로 하는 회전체에 대한 해결방안으로 제시될 수 있기에 중요한 연구성과로 볼 수 있을 것 같습니다.


7. 선박, 항공, 우주까지 교수님의 연구가 활용되어 질 것 같습니다. 특히 어떤 분야에서 활용도가 높은지 궁금합니다.

특정 분야를 선택한다면 말씀하신 것들을 포함한 ‘모빌리티’가 아닐까 싶습니다. ‘이동수단’은 현재에도 다양한 방식으로 개발되어 사용되고 있습니다. 19세기 이후 선박, 항공우주, 철도, 자동차를 이끌어왔던 핵심기술은 ‘내연기관’이었습니다. 특히 해당 산업들은 대한민국 5대 산업에 포함되어 첨단산업으로 분류되어 왔습니다.

최근 기후변화로 인한 환경문제가 대두되고 기존 방식으로부터의 변화가 필요한 중요한 기점에서 친환경 운송수단에 있어서 저온공학 및 초전도 분야에 대한 기술개발은 기존 산업들의 지속가능을 위해 접목시킬 중요한 연구라고 생각합니다.





비단 제가 연구하고 있는 저온공학 및 초전도 분야뿐 아니라 저탄소 친환경 소재, 나아가 제조업에서 에너지 효율 혁신을 추구할 수 있는 적층제조 시스템, 가공/제작 시스템의 AI 기술적용 등이 상호 접목되어 시너지 효과를 기대할수 있는 핵심 기술로 볼 수 있습니다.

여기서 가장 활용 가능성이 높은 분야가 앞서 말씀드린 ‘모빌리티’라 생각됩니다. 수소에너지를 기반으로 한 초전도 모터, 빅데이터와 AI 설계 및 제조기술, 적용가능한 극한 신소재의 기술 바탕으로 충분히 달성이 가능한 분야라고 생각됩니다.


8. 기존 산업계의 What-to-make 기반 방식을 How-to-make로 전환을 유도하고 4차 산업시대 스마트 제조혁신을 반영하고자 하는데요. 현재 국내외 스마트 제조에 대한 상황들을 비교해주신다면?

What-to-make 산업기조는 20세기까지 이어져왔던 제조업 중심 산업의 특징으로 볼 수 있습니다. 즉 시장의 요구에 부합하는 제품의 개발, 생산 및 판매에 역량을 집중하였습니다. 하지만 How-to-make 방식은 그러한 이전의 패러다임 전환을 의미한다고 생각됩니다. 어떻게 만들것인가? 즉, 사용자나 생산자가 생각하고 있는 이상적인 다양한 제품을 기존의 전통적 제조방식에 의존하는 것이 아니라 효율적인 방법으로 최적화된 공정을 추구하는 것입니다. 이를 위해 수치해석 및 시뮬레이션 체계를 통해 검증된 설계를 도출하고 기존의 정밀가공에만 치중한 형태에서 3D 프린팅 방식의 적층가공과 부품 모듈화와 같은 공정 효율성 추구와 같은 제작, 소비자 플랫폼 활성화 및 적용으로 제품에 대한 평가와 활용양상에 대한 데이터 수집의 개선사항 도출을 포함하는 전방위적 특징을 내포하고 있다고 판단됩니다.

이는 제품 기획, 개발에서부터 양산의 전체 과정에서 단순한 자동화뿐 아니라 빅데이터와 ICT를 적용하고 규격화된 통신 표준에 맞춰 사용자의 의도와 필요성을 실시간으로 취득하여 제품에 적용하는 것이 중요하다고 볼 수 있겠습니다. 이를 스마트 제조라고 부를 수 있을 것입니다.

현재 국가적으로 스마트제조혁신추진단을 설립하여 스마트 제조공장을 기업규모에 제약받지 않고 구축할 수 있도록 각 지역 혁신센터를 통해 지원사업을 펼치고 있어 이제 막 태동하고 있는 단계라고 생각합니다. 이러한 지원과 구축될 인프라에 선제적 대비를 위한 인재 양성 또한 매우 중요한 점이라고 생각합니다. 본교에서도 스마트제조융합과정을 설립하고 본 센터의 연구와 연계하여 인재 양성을 위한 노력을 하고 있습니다.


9. 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

최근 국가적으로 관심이 증대되고 있는 수소모빌리티에 관심을 갖고 있습니다. 수소가 생산과정부터 바라봤을 때 과연 이산화탄소 발생이나, 에너지 변환 효율 관점에서 과연 미래의 친환경에너지원 또는 에너지저장 매체가 될 수 있는지에 대한 다양한 논의가 있을 수 있습니다. 그러나, 이러한 논란에도 불구하고 군용 무인항공기 및 산업용 드론 같은 특수 분야에서는 에너지 저장 매체로서 배터리를 대체할 수 있을 것으로 판단하고 있습니다.

물론 제 전공분야와 밀접한 액화수소를 적용하여 저장에너지 밀도를 더욱 높이고 차가운 수소를 직접 초전도기기에 적용하기 위한 시스템에 대한 관심을 갖고 있습니다. 이를 위해서 고효율 경량 액체 수소 저장용기, 액체/기체 수소의 이송제어를 위한 극저온 펌프/블로워, 배관 등 국내 산업계에서 절대적으로 기술력이 부족한 분야에 대한 개발 연구를 계획하고 있습니다. 대학에서 수행한 기초 설계 및 평가 기술을 바탕으로 관련 기업에 기술을 이전함으로써, 앞으로 더욱 본격화될 수소 에너지 사회에 기여할 수 있을 것으로 기대합니다.


10. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면?

저온공학은 일반산업계에 널리 쓰이고 있지는 않지만, 항공우주, 수소에너지, 초전도기기와 같이 미래 고부가가치 산업에 필수적인 비타민과 같은 학문입니다만, 저온공학은 온도에 의한 학문 분류이기 때문에 이를 연구하기 위해서는 열유체, 구조, 소재 및 전자기학 같은 다양한 분야를 함께 공부해야 하는 어려운 점이 있습니다.

최근 우리나라에서는 항공우주, 수소에너지, LNG 선박 등에 대한 산업분야가 확대되고 있으며, MRI, 자기부상열차, 핵융합로와 같은 다양한 초전도기기에 대한 연구도 활발히 진행되고 있습니다. 그러나, 이러한 신산업 분야에서 필수적인 저온공학에 대한 충분한 이해를 갖는 전문 인력이 매우 부족한 상황입니다. 최근 많은 인기를 끌고 있는 4차산업혁명관련 AI, 빅데이터 같은 분야도 중요하지만, 고부가가치 산업의 발전에 비타민과 같은 저온공학을 연구한다면, 다양한 분야에서 역량을 발휘할 수 있을 것입니다.