- 질소 냉매 활용해 지구온난화지수 0…가동 30분 영하 120℃ 도달
- 차고엔지니어링에 기술이전…2027년 상용제품 출시 목표

[세계뉴스 = 탁병훈 기자] 국내 연구진이 반도체 제조공정에서 발생하는 열을 영하 120℃ 이하로 냉각할 수 있는 대용량 산업용 냉각장치을 개발했다.

한국기계연구원(기계연)의 개발 성과는 탄소중립기계연구소 에너지저장연구팀이 영하 120℃ 이하에서 15kW(킬로와트)의 냉각성능을 구현하는 '터보-브레이튼 극저온 냉각시스템'이다.

이번 기술은 질소 기체를 압축하고 팽창시키는 과정에서 발생하는 냉각효과를 이용한다. 냉매로 사용한 질소는 지구온난화지수(GWP)가 0으로, 기존 냉매의 환경 부담을 줄일 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 냉각시스템 운전압력도 10기압 이하로 설계해 안전성을 높였다.

반도체 식각 공정은 웨이퍼 표면을 정밀하게 가공하는 과정으로 공정 중 발생하는 열을 효과적으로 제거하기 위해 영하 100℃ 수준의 냉각유체가 필요하다. 기존 증기압축식 냉각장치는 지구온난화지수가 높은 냉매를 사용하는 경우가 많고, 냉각용량을 확대하는 데도 기술적 제약이 있었다.

연구팀은 극저온 환경에서도 안정적인 작동이 가능하도록 핵심 부품인 터보기계에 자기베어링 기술을 적용했다. 윤활유 없이 회전축을 지지하는 방식으로, 분당 6만 회전(rpm)의 초고속 운전을 구현했다.

자체 성능시험 결과, 개발 장치는 가동 30분 이내에 영하 120℃ 이하에 도달했으며, 60분 이내에 목표 냉각용량인 15kW의 부하 운전에 성공했다. 정격운전 조건에서 소비전력은 90kW, 시스템 성능계수(COP)는 0.167로 측정됐다.

개발 장치는 가로·세로 각각 1.6m, 높이 2.1m 규모의 산업용 제품 형태로 제작됐다. 연구팀은 핵심 부품부터 시스템 설계·제작·운전·제어에 이르는 기술을 확보했으며, 관련 기술을 반도체 냉각장치 제조기업인 차고엔지니어링에 이전했다. 2027년 상용제품 출시를 목표로 하고 있다.

기계연은 향후 냉각성능을 영하 250℃와 영하 269℃까지 단계적으로 높여 초전도와 우주, 수소, 양자, 핵융합 등 극저온 기술이 필요한 미래 산업 분야로 활용 범위를 확대할 계획이다.

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