우리 연구진이 반도체 제조공정 중 열을 식히는 대용량 산업용 '칠러'를 개발했다. 친환경성과 대용량 냉각성능을 동시에 확보하고, 가로·세로 1.6m, 높이 2.1m 크기 산업용 칠러로 제작해 성능시험까지 마쳤다.
한국기계연구원(원장 류석현)은 고준석 탄소중립기계연구소 에너지저장연구실장 연구팀이 영하 120도 이하에서 15킬로와트(㎾) 냉각성능을 구현하는 터보-브레이튼 극저온 냉각시스템을 개발했다고 2일 밝혔다.
반도체 식각 공정에서는 발생 열을 효과적으로 제거하기 위해 영하 100도 수준의 냉각유체를 공급하는 극저온 칠러가 필요하다. 그러나 기존 증기압축 방식의 칠러는 지구온난화지수(GWP)가 높은 냉매를 사용하는 경우가 많고, 냉각용량을 늘리는 데도 기술적 한계가 있었다.
연구팀은 질소 기체를 압축·팽창시키는 과정에서 냉각효과를 얻는 터보-브레이튼 방식을 적용했다. 냉매로 사용한 질소는 GWP가 0으로, 지구 환경에 해를 끼치지 않으면서 안전하다. 또 냉각시스템의 운전 압력을 10기압 이하로 설계해 안전성을 더욱 높였다.
핵심부품인 터보기계에는 윤활유 없이 회전축을 지지하는 자기베어링 기술을 적용했다. 터보기계는 분당 6만 회전(rpm)의 초고속으로 회전하는데, 극저온에서는 윤활유가 얼기 때문에 장비 고장이나 성능 저하를 일으킬 수 있다.
연구팀은 무급유 터보기계를 자체 개발해 이러한 문제를 해결하고, 냉각 온도와 용량을 폭넓게 조절할 수 있도록 했다. 아울러 시스템 구조를 단순화하고 소형화 설계를 적용해 산업현장의 설치 공간을 최소화했다.
자체 성능시험 결과, 개발한 칠러는 운전 시작 후 30분 이내에 영하 120도 이하에 도달했으며, 60분 이내에 목표 냉각용량인 15㎾의 부하 운전에 성공했다. 정격운전 조건에서 소비전력은 90㎾였으며, 소비전력 대비 냉각성능을 나타내는 시스템 성능계수(COP)는 0.167을 기록했다. 터보-브레이튼 방식의 대용량 극저온 칠러를 제품화 가능한 수준으로 개발하고 운전성능까지 검증한 것은 국내 최초다.
관련 기술은 반도체 칠러 제조기업인 차고엔지니어링에 이전됐으며, 2027년 제품 출시를 목표로 하고 있다.
고준석 실장은 “2024년 산업용 칠러 개발을 목표로 제시한 이후 연구진의 노력으로 이를 제품화 가능한 수준까지 발전시킬 수 있었다”며 “이번 성과를 바탕으로 반도체 제조현장뿐 아니라 다양한 미래 유망 산업 분야에서 활용할 수 있는 산업용 극저온 냉각기술을 지속적으로 개발하겠다”고 밝혔다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
