KITECH 생산기술 전문지

최근 국내외에 대두되고 있는 저탄소 배출 저감에 대한 대응방안으로 에너지 효율 향상과 산업 공정 최적화르 통한 탄소 저감 기술의 필요성이 확대되고 있다. 특히, 대규모 열교환 장치를 포함하는 산업 공정에서는, 공정 중 발생하는 폐열(미활용에너지와 혼용되어 사용)을 회수·재활용하여 시스템 효율을 높이는 방안이 중요한 이슈로 부각되고 있다[1 - 3]. 폐열은 주로 대규모로 발생하는 석탄 또는 열병합발전소와 같은 발전산업 등 대규모 산업의 분야에서 발생하는 부분과 중·소규모로 발생하는 염색공정이나 하수처리장 등에서 발생하는 폐열을 히트펌프로 이용하여 재사용하는 방법이 연구되어 산업에 적용이 되고 있다[1 & 3]. 발전소 폐열의 경우, 주로 해안이나 농지 인근에 위치하는바 히트펌프를 이용한 발전소 하우스 농장 농작물의 난방에 이용되는 연구가 개발되어 적용되고 있으며, 염색 공정 중에서 중·소 규모로 발생하는 폐열을 이용하는 연구가 개발되어 적용되고 있다[1 - 2]. 최근에는 하수처리 폐열을 히트펌프로 이용하여 지역난방에 적용하는 기술이 개발되어 활용되고 있다[3]. 일반적으로 히트펌프와 흡수식 냉동기 등에는 열교환기가 많이 사용되고 있다. 열교환기의 설계와 공정 조건 설정을 위해 전문가가 요구조건을 해석하고, 다양한 설계안을 수작업으로 작성한 후, 각각에 대해 열전달 해석 및 성능 검증을 수행하여 최적안을 도출하는 방식이 일반적으로 사용되었다. 이러한 방식은 해석과 설계 변경을 반복해야 하므로 많은 시간과 비용이 소요되고, 설계 품질이 담당자의 경험과 직관에 크게 의존하여 재현성과 일관성 확보에 한계가 있다[4, 5, 6,7]. 또한, 열교환기의 구조 설계와 공정 조건 설정은 서로 밀접하게 연관되어 있어, 두 요소를 동시에 최적화하는 것은 매우 복잡한 문제로 인식되고 있다. 종래 기술에서는 설계와 공정 조건을 분리하여 순차적으로 조정하는 경우가 많아, 조건 간 적합성을 확보하기 어려우며, 설계 변경 시 전체 해석 과정을 반복해야 하는 비효율이 발생하였다. 본 해설서는 이러한 산업 공정용 열교환기 최적화 시스템 및 방법을 인공지능 기법을 적용한 구매자 요구를 반영한 구성장비 해석, 냉매와 냉동류 제어/제조 및 검증 시스템을 설명하여, 최적화된 열교환기 적용하는 연구에 기여하고자 한다.

히트펌프, 폐열, 열교환기

박테리아 셀룰로오스(Bacterial Cellulose, 이하 BC)는 Komagataeibacter, Acetobacter, 및 Gluconacetobacter속을 포함한 다양한 초산균에 의해 합성되는 대표적인 세포외 생체고분자(Extracellular biopolymer)이다. BC는 기본적으로 식물성 셀룰로오스와 동일한 화학적 구조((C6​H10​O5​)n​)를 공유하고 있으나, 물리적·기계적 특성 측면에서는 식물 유래 소재와 차별화되는 탁월한 물성을 보유하고 있다 (그림 1), [1]. 우선, BC의 가장 큰 학술적·산업적 가치는 그 압도적인 순도(Purity)에 있다. 리그닌(Lignin), 헤미셀룰로오스(Hemicellulose), 펙틴(Pectin) 등 복잡한 정제 과정을 요구하는 불순물이 포함된 식물성 셀룰로오스와 달리, BC는 미생물 배양액으로부터 직접 합성되므로 별도의 가혹한 화학적 처리 없이도 97% 이상의 높은 순도를 유지할 수 있다 [1,2]. 구조적 측면에서 BC는 식물성 섬유 대비 약 100배 가느다란 나노 피브릴(Nanofibrils)로 구성되며, 이들이 정교한 3차원 네트워크 구조를 형성하고 있다. 이러한 나노 구조는 극대화된 비표면적과 높은 기공률을 제공하며, 동시에 높은 결정화도(Crystallinity)와 중합도(Degree of polymerization)를 바탕으로 우수한 인장 강도와 탄성 계수를 나타낸다 [1]. 또한, BC는 고유의 나노 네트워크 구조 덕분에 자체 중량의 300배에 달하는 수분을 보유할 수 있는 보수력(Water holding capacity)을 지닌다. 이에 더해 뛰어난 생분해성과 생체 적합성(Biocompatibility)을 갖추고 있으며, 무독성 및 비알레르기성 소재로서의 안전성이 입증됨에 따라 의료, 식품, 화장품 등 고부가가치 산업 분야에서의 활용 가능성이 매우 높게 평가되고 있다 [2].

Bacterial Cellulose, 박테리아 셀룰로오스, Komagataeibacter, Acetobacter

전세계는 온실가스 증가로 인한 기후변화의 결과로 지구온난화와 이상 기온 현상 등의 예상치 못한 현상을 격고 있는 상황이다. 각국에서는 기후변화의 위기를 인식하고, 이 기후변화와 지구온난화의 근본적인 원인으로 대두되는 온실가스 문제를 해결하고자 다양한 논의를 시작하였다. 국제적인 기후변화 대응에 대한 체계적인 논의와 기틀 마련한 시기가 바로 1997년 기후변화협약 제3차 당사국총회에서 채택한 교토의정서(Kyoto Protocol)이다. 여기에는 온실가스 의무 감축국의 온실가스 저감활동 비용 부담을 완화 등의 방안이 제시되기도 하였다[2024 박사 EU]. 이후 2015년 기후변화 대응을 위한 신기후체제인 파리협정이 체결되었지만, 각국의 온실가스 배출제한을 위한 실질적인 진전이 아직까지는 미흡한 실정이다. 2018년 제48차 기후변화에 관한 협의체 총회에서 ‘2030년까지 이산화탄소 배출량을 최소 45% 이하로 감축하고, 2065년경에는 온실가스 전체에 대한 순배출 제로를 달성할 것을 권고’하는 내용을 포함하고 있는 ‘지구온난화 1.5℃ 특별보고서’를 회원국의 만장일치로 승인하였다[1]. 미국, 영국을 포함한 선진국에서는 국가에너지 기본 계획에도 탄소중립 목표를 달성하기 위한 대응 방안을 모색하고 반영하기 시작하였다. 미국의 경우, 2021년에‘에너지 어스샷 이니시티브’를 통해 수소, 원자력, 이차전지 등 청정에너지 기술 혁신을 가속화를 추진 중이며, 영국의 경우 2023년에‘탄소중립 연구혁신 프레임워크’에서 태양광, 조력, 소형원자로 등의 재생에너지와 원자력에너지를 믹스한 에너지 계획을 추진 중에 있다. 일본의 경우, 2020년에 ‘2050년 탄소중립에 따른 녹색성장전략’에 재생에너지와 수소·암모니아연료, 원자력 등을 믹스한 에너지 계획을 추진 중에 있다. 국내에서는 2023년에 '분산에너지 활성화 특별법'이 제정되었으며, 이는 지역 내에서 에너지를 생산 및 소비하는 것을 촉진하여 독립적이고 자급자족 가능한 지역에너지 시스템을 구축하기 위한 중요한 법적 기반이 되고 있다[2]. 2024년 말에 발표된 ‘제5차 에너지기술개발계획’에서 원자력, 재생에너지, 수소 등 무탄소에너지 확대와 분산전원 및 지능형 배전을 포함한 유연하고 안정적인 에너지망 구축 등의 4개의 전략을 추진 중에 있다[3]. 분산(형) 전원은 중앙집중식 전원과 구분되는 것으로서 ‘전력 소비지역 부근에 분산하여 배치 가능한 전원’즉, ① 40 MWe 이하의 소규모 발전설비와 ② 적정 규모 (500 MWe 이하)의 수요지 인근 발전설비로 정의하였다[4]. 세계 전력시장의 방향을 과거 공급자 중심의 집약적 전원에서 소비자 중심의 분산형 전원으로 변화하고 있다. 향후 분산형 전원인 재생에너지는 향후 2040년에는 총 전력공급의 40%를 담당할 것으로 전망되고 있다[4]. 이 분산형 전원을 해결하기 위한 방안으로 최근 소형모듈원자로(Small Modular Reactor, SMR) 개발이 대두되고 있다. 따라서, 본 연구는 이러한 현실을 반영하여 소형모듈원자로의 국내외 연구 동향을 분석 파악하여, 관련 연구 개발하는 연구자에게 유익한 정보를 제공하고자 한다.

소형모듈원자로, 교토의정서, 대형원전, 소형경수로

본 연구에서는 청정수소 인증제의 국제 표준 체계와 국가별 적용 기준을 비교하고, 수소 생산 경로에 따른 온실가스 배출 특성을 확인하였다. 국제적으로는 IPHE의 기술 중립적 접근과 ISO 표준 기반의 배출 산정 체계가 병행되고 있으나, 국가별 임계값 및 시스템 경계 설정의 차이로 인해 인증 기준 간 정합성이 저해되는 것으로 나타났다. 이러한 한계를 극복하기 위해 전과정평가를 활용하여 온실가스 배출량을 정량적으로 산정하고, 표준화된 평가 절차에 기반한 청정수소 인증을 통해 국제 거래에서의 신뢰성과 투명성을 확보할 필요가 있다. 따라서 본 연구는 청정수소 인증제의 실효성 확보를 위해 기술 중립적 기준 설정, 시스템 경계의 표준화, 전력원 추적성 확보, 그리고 국제간 상호인정 체계 구축의 필요성을 제안한다. 이러한 접근은 글로벌 수소 시장에서의 인증 통합과 국내 수소 산업 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다.

탄소중립, 수소, 국제 표준, 전과정평가, 통합 인증

최근 Chat GPT의 등장에 따라 실상활에서 AI(인공지능)를 활용한 다양한 서비스가 제공되고 있고, AI의 유용성을 확인할 수 있었다. 미국의 빅테크(Big Tech)회사에서는 LLM(Large Language Model)을 활용한 오픈 AI의 Chat GPT ,메타의 라마(Lama), 구글의 제미나이(Gemini), 테슬라의 그록(Grok), 앤트로픽의 크로드(Claude)등 다양한 AI서비스를 제공하고 있습니다. AI는 데이터(Data)의 학습에 기반을 두고 있어, 데이터 학습에 최적화된 GUP(Graphics Processing Unit)기반의 H/W가 필요하게 되었고, AI의 성능은 GPU의 성능에 따라 결정되고 있어 GPU 제작사인 엔비디아(Nvidia)가 주목받고 있습니다. GPU는 병렬 연산을 하는 반도체로 많은 데이터를 효율적으로 처리하기 위해 데이터를 연산 및 저장을 위한 메모리 반도체(HBM High Bandwidth Memory)를 하나의 반도체로 패키징(Packaging)한 시스템 반도체인 SOC(system-on-chip)로 제작되고 있습니다.AI의 등장과 함께 반도체의 중요성이 강조되고 있어, 본 문헌에서는 표 1의 반도체 제조공정의 8대 공정 분류에 따른 기술을 소개하고 이에 따른 신기술 개발 동향을 분석하여, 반도체 개발 연구자에게 유익한 정보를 제공하고자 한다

반도체, 제조공정, 패키징 공정, 시스템 반도체, 메모리 반도체

탄소 중립 사회로의 전환이 가속화됨에 따라 수소 인프라 보급이 지속적으로 확대되고 있다. 이에 따라, 수소 사고 발생 가능성도 증가할 수 있으며, 이러한 잠재적 위험을 효과적으로 제거하기 위한 안전 설계의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 수소의 물리적 특성을 고려하여 수소 사고의 구조적 흐름을 분석하였으며, 대표적인 수소 사고 사례를 기반으로 수소 설비의 안전 설계 방향을 제시하였다. 수소 사고는 일반적으로 누출, 확산, 혼합, 축적, 점화 그리고 폭발 순으로 발생되며, 단일 요인보다는 복합적인 구조적 메커니즘에 의해 전개된다. 따라서 수소 안전은 특정 위험 인자의 저감에 국한된 접근을 넘어, 사고로 이어질 수 있는 구조적 조건 자체를 설계 단계에서 선제적으로 제거하는 시스템적 관점에서 다루어져야 한다. 본 연구를 기반으로 향후 수소 인프라 구축 시 통합된 안전 구조와 설비 간 상호 연계를 기반으로 사고의 발생 및 확산을 체계적으로 차단할 수 있는 설계가 요구된다.

수소, 사고, 구조, 안전, 설계

기후변화로 전 세계 평균기온이 지속적으로 상승함에 따라 국내 폭염 일수 또한 꾸준히 증가하고 있다. 최근 연평균 폭염 일수는 약 30일 수준에 이르며, 이에 따른 온열질환자와 사망자 수 역시 매년 증가하는 추세이다. 특히 실외 작업 비중이 높은 건설업에서는 작업 중단이 어려워 최근 5년간 온열질환 산업재해 사망자의 약 70%가 건설 노동자로 나타났다. 고온 환경에서는 단순 기온만으로 인체 영향을 평가하기 어려우며, 높은 습도가 동반될 경우 생명에 위협이 되는 수준의 열 스트레스가 발생할 수 있어 체감온도의 실시간 모니터링과 대응이 중요하다. 이에 정부는 2025년 산업안전보건법을 개정하여 폭염이 예상되는 작업장에 온·습도 모니터링 장치 설치를 의무화하고, 체감온도를 산출·기록하여 보관하도록 규정하였다. 그러나 법 시행 초기 단계로 현장 내 기기 설치와 운영 절차는 아직 충분히 정착되지 못한 실정이다. 본 연구에서는 국내 폭염 현황과 온열질환 산업재해 사례를 분석하고, 습도 모니터링의 중요성과 사업장의 체감온도 관리 전략을 제시함으로써 실외 근로자의 안전 확보를 위한 실질적 관리 방안을 제안하고자 한다.

온열질환, 실외근로자, 작업장안전, 산업안전보건법, 체감온도관리

열교환기는 발전소 및 산업 플랜트의 핵심 설비로 폭넓게 적용되고 이때 해수를 냉각수로 사용할 경우 내부 튜브의 오염으로 인해 열전달 성능 저하와 압력 손실이 발생한다. 본 연구에서는 열교환기를 해체하지 않고 세정할 수 있는 스펀지 볼 순환 방식 세정시스템의 운전 효율을 향상시키기 위해 열교환기 세정효과를 향상시키기 위한 Sensor condenser와 Debris filter의 내부 유로 최적설계를 수행하였다. 먼저 전산유체역학(CFD)을 활용하여 각 구성품의 내부 유동 특성을 분석하였으며, 반응표면기법(RSM)을 도입하여 최적의 형상을 도출하였고 Sensor condenser의 경우 안내깃(Guide Vane)의 길이, 폭, 각도를 조절하여 튜브 내 유동 균일성을 올리고 Debris filter는 Screen Height 호퍼(Hopper) 높이를 최적화하여 압력 손실을 최소화하고자 하였다. 수치해석 결과, 최적 설계된 Sensor condenser는 기존 형상 대비 유동 편심을 완화하여 각 튜브로 유체를 균일하게 분배하였으며, Debris filter는 내부의 유동의 급격한 방향 변화와 와류를 개선하여 하여 보다 안정적이고 연속적인 유동 흐림을 확인하였다. 본 연구를 통해 확립된 CFD 및 최적화 기법 기반의 최적 설계조건을 도출하여 향후 열교환기 세정시스템의 설계 고도화 및 운전 효율 향상을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

열교환기 세정시스템, 전산유체역학(CFD), 반응표면기법(RSM), Sensor condenser, Debris filter, 최적설계