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[기획] 첨단기술로 각광받는 ‘초저온 기술’반도체 및 의료용 등 수요확대…기술 국산화 증대 필요
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승인 2012.03.05  
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초저온(cryogenics)이란 -150℃(123K) 이하의 온도 영역을 말한다. 상온에서 기체 상태로 존재하는 대부분의 가스들이 -40℃ 이상의 온도에서 액화되지만 초저온가스(혹은 영구적인 가스)라 불리는 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 네온, 공기, 메탄 등은 -150℃ 이하로 온도가 떨어져야만 액화가 된다. 고체의 물리적 성질, 즉 열응력, 열팽창, 충격강도, 연성 및 탄성 등도 상온에서 -150℃까지의 온도영역에서 주도적인 변화가 나타나고 초저온의 온도영역에서는 변화의 정도가 현저히 작아진다. 따라서 초저온의 온도 영역 구분은 자연스럽게 이루어졌다 할 수 있다.

지구상의 대부분의 물질들이 초저온과 상온의 온도영역에서 뚜렷하게 구분되는 물성을 보이는데 초저온 공학(cryogenic engineering)은 이러한 초저온 기술, 공정 및 장비들을 연구 개발하는 학문 분야이다. 액화가스 저장탱크, 펌프, 이송배관설비 등과 같은 초저온 산업장비들은 상온과 초저온 사이의 열전달을 방지하기 위한 단열방법, 열 수축을 극복하기 위한 열응력 그리고 초저온에서 충격강도 및 연성 등의 기계적인 물성 등을 고려해 설계 및 제작된다. 또한 상온과 초저온 사이의 열적 사이클에 대한 내구성 및 매우 작은 열 침입으로 인해 증발해 버리는 초저온 액화가스의 성질 등이 고려된다.

이러한 초저온 분야와 관련해 이번호에서는 초저온 분야의 기술개발 및 현황에 대해 살펴보기로 한다.
<편집자 주>

기술개발 및 발전과정

초저온 기술은 기초적인 기술로써 산업전반에 걸쳐 광범위하게 활용되고 있다. 고에너지(입자물리) 연구, 기초연구, 극저온 실험 등 기초적인 학문 분야와 초고순도 가스정제, 급속냉각, 고진공, 항공우주, 식품동결, 통신, 유전공학, 생명보존, 의학, 반도체 등의 첨단과학 산업 분야에서 응용되고 있다.

초저온Cryogenic)이라함은 일반적으로 영하150℃ 이하의 온도영역을 지칭하는 것으로서 초저온 공학Cryogenic engineering)은 첨단 과학기술의 기초 기술에 해당한다. 초저온 기술은 초고순도 가스정제, 급속냉각, 고 진공, 항공우주, 식품 금속 동결, 통신, 유전공학, 생명보존, 의학, 반도체 등 첨단 과학 산업 전반에 기초적인 기술로써 광범위하게 활용되고 있다.

국내에서는 1970년대 후반부터 반도체 산업에 필요한 산업용 가스(산소, 질소, 아르곤)와 의료기관에 필요한 의료용 가스를 대규모로 공급하게 되면서부터 서서히 초저온 기술에 대한 관심이 증폭됐다. 그러나 기초적인 기술이 워낙 취약했을 뿐 아니라 초저온 장비에 대한 수요가 적은 탓에 1990년대 초까지만 해도 거의 모든 기술을 선진국에 의존해 왔다.

특히 당시 산업용가스를 생산하는 업체들(에어프로덕츠, 프렉스에어, 린데, 에어리퀴드 등)이 선진국 자본과 공동 투자된 상태이고 선진국에서는 이미 대규모의 연구소를 운영하고 있기 때문에 굳이 국내에서 기술개발을 위한 중복투자가 필요치 않았다. 하지만 당시 국내 토종 산업용가스 제조업체인 대성산소(現 대성산업가스)는 국내의 초저온 기술을 발전시키고 초저온 기술에 대한 국내 수요에 대해 신속하게 대처할 필요성을 인식, 독자적으로 초저온연구소를 설립하고 초저온 및 가스와 관련된 장비 개발을 시작했으며 지난 2010년에는 대성산업가스가 그동안 전량 수입에 의존해 왔던 산소 제조용 ‘심랭식 공기분리장치(초저온으로 액화에 산소, 질소 생산)’ 개발에 성공하기도 했다.

1994년 이래 초저온 기술은 초저온 액화가스 이송라인의 진공단열배관, 초저온 진공 자켓 밸브, 기-액 분리기, 초저온 저장탱크, LNG 저장탱크 등 산업현장에서 가장 보편적으로 사용하는 장비에 있어서 괄목할 만한 성장을 이뤘다. 특히 기초과학지원연구소의 KSTAR 프로젝트와 고온초전도체의 상용화가 G7 연구개발 과제로 선정됨에 따라 초저온 기초기술에도 많은 발전을 기대하게 됐으며 항공우주연구소에서 추진한 액체산소를 보조 연료로 사용하는 추진로켓의 성공적인 시험발사는 국내의 초저온 공학 기술이 한 단계 도약하는 계기가 되기도 했다.

분야별 기술현황

초저온 기술을 분야별로 구분하면 초저온 액화가스 생산, 이송라인, 저장탱크, 초저온 응용, 극저온 생성 및 고진공의 5개 분야로 구분할 수 있다. 초저온 액화가스 생산 분야에는 공기분리장치, 수소, 네온, 헬륨 및 천연가스 액화장치를 들 수 있다. 공기분리장치는 공기를 액화한 후 비등점을 이용해 산소, 질소, 아르곤을 성분별로 분리하는 장치로 국내에서는 대성산업가스가 연구개발을 통해 상용화에 성공했다. 하지만 수소, 네온, 헬륨 및 천연가스 액화장치는 국내에서는 이론적인 연구는 진행되고 있지만 수요가 한정돼 있어서 개발이 되지 않고 있는 상황이다.

이 가운데 액화가스 이송라인과 초저온 액화가스 저장 탱크 분야는 액화가스를 사용하는 산업현장에서 가장 보편적으로 필요한 장비들을 말하며 국내에서는 초저온 분야 중 가장 발전된 기술을 갖고 있는 분야라 할 수 있다. 특히 액체의 이송과 저장에 가장 기본이 되는 진공단열배관, 저장탱크 및 소형 이동용 저장 탱크(LGC) 등의 기술 수준은 선진국과 비교해 손색이 없다. 산소, 질소, 아르곤, 탄산가스, 아산화질소 및 천연가스(메탄)등 임계온도가 영하 50℃ 이하의 액화가스를 액체 상태로 운반, 저장하고 내장된 기화기나 별도로 설치된 기화기로 기화시켜서 기체 상태의 가스를 소정의 압력 온도유량으로 공급하기 위해 사용되는 초저온용기 분야에서는 현재 국내 최대의 초저온용기공급업체로 성장한 한비(주)가 국내 유일의 국산기술을 뽐내고 있다.....
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