수소경제 활성화, 핵심 부품 극저온 환경 신뢰도 확보 필요

결합·베어링·밸브 신뢰성 확보 필요, 벌크 소재 연구 중요

국내 극저온 환경용 코팅기술, 표면 소재 수요 증가

■극저온 코팅기술

1.3 극한환경 소재기술 관점에서 기술의 중요성

수소 경제는 에너지원을 석탄과 석유에서 수소로 전환하며 나타나는 산업구조로 수소의 생산, 저장, 운송, 활용 전 분야에 걸쳐 새로운 산업과 일자리 창출이 가능한 것으로 보고되고 있다. 수소 경제가 태동하기 시작한 현재 시점에서 세계시장 선점이 매우 중요한데 우리나라는 전통 주력산업인 자동차, 조선, 석유화학과 연계하여 수소 등 극저온 환경에서의 경제를 선도해 나갈 수 있는 기반산업을 보유하고 있다.

▲ <그림 1>수소 경제 개념도

수소 관련 국제협의체인 수소위원회(Hydrogen Council)에 따르면 `50년 수소는 최종 에너지 소비량의 18%를 차지하고 글로벌 시장이 약 2,940조 원 규모에 이를 것으로 예상했다. 국내 시장은 70조 원 규모를 형성하고, 고용 창출, 차량, 발전량, 및 환경규제 대응에 따른 CO2 감소 효과를 포함할 것으로 예상했다.

현재 우리나라는 사용 에너지의 95%를 수입에 의존하는 에너지 빈국이지만, 수소 경제를 통한 에너지 자급 시 안정적 경제성장과 더불어 에너지 안보가 가능해질 것이다. 정부의 수소 경제 활성화 로드맵에 따르면 핵심기계 부품의 ‘극저온 환경’ 신뢰도 확보가 중요 안건으로 상정된 만큼 극저온 분야 연구가 활발해질 것으로 전망된다.

▲ <그림 2>2050년 수소시장 전망 및 아시아 태평양 극저온 장비 시장 전망

혁신성장전략 중 수소 모빌리티(수소차, 충전소 등 인프라)를 활용한 생산, 저장, 운송의 활용 증대는 수소 경제를 뒷받침할 수 있는 핵심열쇠로 보고하고 있어 이들 시스템의 고효율화가 필요한 상황이다.

정부의 수소 인프라 및 충전소 구축 방안에 따르면 `22년 수소차 6.7만대 보급 목표를 달성한다면 연간 약 3만 톤의 수소 수요가 예상되며, 이에 따라 `22년까지 일반 충천소와 버스전용 충전소를 주요 도시에 250기, 고속도로 및 환승센터 등 교통거점에 60기를 합하여 총 310기 구축을 목표로 하고 있다고 한다.

▲ <그림 3>저온 및 극저온 환경 하에서 핵심기계 부품에 요구되는 기술적 요소

수소 모빌리티 중 충전소에서 필요로 하는 극저온 및 저온 환경 하 핵심 부품류의 배열과 요구사항은 첫째, 기체연료의 기밀유지(sealing)를 위한 결합(couplings) 신뢰성 확보, 둘째, 피로 파괴 방지를 위한 베어링의 신뢰성 확보, 셋째, 극한 환경 하에서 미끄럼 접촉부 또는 충격 접촉부의 저마찰과 고신뢰성을 요구하는 밸브의 신뢰성 확보로 요약할 수 있다.

이를 위해 벌크(bulk) 소재 관점에서는 기존의 SUS 304, 알루미늄(Al), 인바(invar) 소재의 활용과 함께 극저온용 고망간강 등 신소재 개발을 수행하고 있으나, 현재까지 미흡한 실정이며 기구의 접촉과 핵심 기능이 되는 기계부속품에서의 극저온용 표면처리 기술은 거의 없는 상황이다. 아울러, 극저온용 저가 모재(SUS 계열) 선정 후 표면처리를 통한 고급소재 대체 및 심각한 마모 현상에 대한 극복을 위해 연구는 반드시 필요하며 상당한 기술적 중요성을 가진다.

▲ <그림 4>극저온용 벌크(bulk) 소재 개발 현황 파악을 통한 극저온 코팅기술 한계 돌파 방안

2. 연구개발 동향

2.1 극저온 환경, 기체(gas) 및 고압 환경 하 기계금속 선정 연구

1) 국내 동향

극저온 환경은 초저온(cryogenic) 영역(-150℃) 이하의 온도영역을 지칭하고, 극저온 환경 기술은 초고순도 가스정제, 급속냉각, 고진공, 항공우주, 식품 급속동결, 통신, 유전공학, 생명보존, 의학, 반도체 등의 첨단과학 산업 전반에 기초기술로 광범위하게 활용되고 있다.

국내의 경우 한국표준연구원(KRISS)에서 1980년대 후반부터 6년에 걸쳐 시험장치 개발(인장시험 및 파괴인성시험)을 통해 벌크 소재에 대한 기계적 물성 기초연구가 진행됐으나 현재까지 지속되고 있지는 않는 것으로 보고되고 있다. 특히, 극저온 코팅 기술과 관련한 국내 동향을 찾기는 더욱 어려운 상황이다.

▲ <그림 5>액체 질소(左) 및 온도에 따른 금속별 연신율 변화 거동(右)

최근 국내 대기업 연구소와의 기술 교류를 통하여 극한환경에서 사용하기 위한 재료 선정 또는 방법론 구현을 위해 시행착오(trial & error)의 단계적 접근을 통한 해결 방법을 시도하고 있다. 현대중공업 중앙기술원의 경우 친환경 LNG 극저온 기술 상용화를 위해 선박용 고효율 엔진용 기계부품류의 시험 테스트 기반을 국내 최초로 구축했으며, LNG 연료 추진선 및 벙커링선과 관련하여 핵심 기자재의 상용화를 목표로 극저온 코팅에 대한 기술적 해결방안을 찾고 있다.

이렇듯 극저온 환경에 관련한 소재, 부품은 벌크 소재의 변화를 통한 접근을 하고 있으나 미흡한 실정이며 더욱이 표면 소재의 물성 변화 등에 대한 연구는 거의 찾아볼 수 없어 시장의 요구에 맞출 수 있도록 빠른 기술개발이 요구되고 있다.

2) 해외 동향

가. 일본

일본에서 가장 활발하게 극저온 환경에서의 고기능성 및 저마찰 특성을 연구하고 있는 기관은 규슈대학교(Kyushu Univ.)로 기체 환경, 저온 및 고압 환경에 사용 가능한 기계금속 재료에 대한 선정연구를 수행 중이다. 환경적 요소에 의해 결정된 주요 재료의 종류를 경도를 기준으로 연성 소재에서 고경도 소재로 분류하고, 이들의 원재료에 포함된 주요 성분의 함량이 트라이볼로지 특성에 미치는 영향에 대한 환경적 요소 연구를 수행하고 있다.

연구 대상 재료는 극저온 환경에서 가장 널리 사용 중인 SUS 계열, 하스텔로이(hastelloy) 계열로 주요 성분은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 탄소(C) 등으로 구분했다.

접촉 기구의 경우 폴리머·메탈 롤링(polymer·metal rolling) 접촉, 폴리머·메탈 슬라이딩(polymer·metal sliding) 접촉과 마찰, 마모 및 프레팅(fretting) 마모, 산화 등과 같은 접촉면에서 발생하는 현상과 피로(fatigue) 강도의 현저한 감소로 기계 및 구조설계의 주요 고려 항목으로 선정했다. 그러나, 수소가스, 고압 및 극저온 환경에서는 일반 대기 중에서의 현상과 달리 마찰, 마모 메커니즘이 매우 복잡하므로 소재 구성에 변화를 주는 방향, 즉 균열, 변형 결정구조 변화에 따른 연구를 통하여 문제해결에 접근 중이다.

▲ <그림 6>규슈대학교 극저온 트라이볼로지연구센터 발표자료(재구성)

또한, 재료의 미세구조 제어를 통해 결정구조 변화에 따른 소재의 균열 방지를 위한 기술개발과 재료의 표면 산화층이 제거되면 수소가 쉽게 재료로 흡수되어 수소취성이 심각하게 발생하는 점을 개선하기 위한 표면 산화층의 유지방안 확보 등을 위한 기술개발이 이루어지고 있다.

이는, 일반 대기 중 금속 표면에서는 자연 산화막이 생성되기 쉽고, 자연 산화막은 접착력 감소와 마찰 마모를 제어하는 보호막 역할을 수행하지만, 수소, 고온 및 고압 조건에서는 산화물이 감소하여 보호 경계 막의 손실로 인한 마찰·마모가 증가하기 때문이다. 규슈대학에서는 이 현상의 원인을 밝혀내었으며 사용 환경에 맞는 원소를 선정하여 시스템 고효율화를 모색하고 있다.

▲ <그림 7>규슈대학교 극저온 트라이볼로지연구센터 소개

2.2 극저온 환경용 기계부품용 코팅기술 연구

1) 국내 동향

극저온 환경용 코팅기술에 대한 국내 동향은 시작단계로 기업체의 기술 요구와 신재생 에너지 사용에 따른 새로운 표면 소재 수요가 증가하고 있다. 실례로 국내 대형 조선사는 니켈 소재 밸브에 대한 국산화를 희망하고 있는데 현재는 일본 D사로부터 관련 부품 전량을 수입 사용하는 조건과 더불어 해당 부품에 대한 도면을 별도로 구매하는 조건으로 기계 설계에 반영하고 있다.

게다가 이 부품은 수명이 대략 1년(3,000hrs)으로 그 후에는 교체 문제가 발생하는데 부품 비용으로 인한 부담뿐만 아니라 고장 시 수리를 위해 일본까지 찾아가야 하는 점과 부품 수급에 대한 어려움이 있다.

극저온 환경에서 대표적인 마모 유형은 충격 마모, 프레팅(fretting) 마모 및 피로파괴에 의한 기밀 저하로 인한 마모로 이는 연료 누설에 따른 효율 저감을 일으킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 국내 대기업에서는 극저온 저가 모재(SUS계)를 선정한 후 극저온 코팅기술을 통하여 고급소재를 대체해 심각한 마모 현상을 극복하는 것이 국내의 기술 수요 동향이다.

이를 위해, 한국재료연구원에서는 극저온 코팅기술과 관련하여 기존 상온 및 고온 환경에서 사용 중인 사면체 비정질 카본(tetrahedral amorphous carbon, ta-C) 코팅막을 활용하고 환경변수(극저온, 고압 및 다양한 마모 유형 고려) 맞춤식 공정개발연구가 진행되고 있다. 특히, ‘1.2 기술의 원리’에서 언급한 것과 같이 극저온 환경에서의 코팅은 기존에 사용되고 있는 코팅막을 활용할 경우, 열 수축·팽창에 대한 대비와 윤활 특성 등이 함께 뒷받침되어야 하므로 <그림 8>과 같은 코팅 공정설계 로드맵을 준비해 대비하고 있다.

▲ <그림 8>한국재료연구원 극저온 코팅 개발 방향

재료연은 모재와의 열팽창 특성 맞춤을 위해 구리(Cu)와 같은 열팽창 계수 특성이 모재와 유사한 성분과 최적의 성분비를 찾는 연구도 수행 중이다. 또한, 극저온 코팅막에 대한 기계적, 트라이볼로지적 특성 해석은 아직까지 규정된 부분이 전무하여 이와 관련한 해석기술의 개발도 함께 진행 중이다.

▲ <그림 9>극저온 환경 하 사용을 위한 금속 첨가(metal doped) ta-C 코팅

한국생산기술연구원 하이테크베어링기술센터에서는 국내 최초로 최저온도 -40℃ 환경 하 왕복동 마찰시험기를 구축해 `21년도부터 극저온 코팅기술의 마찰 및 마모 평가검증을 위한 시험연구를 시작하였다. 그러나 온도의 가용 범위가 최저 -40℃로 극저온 환경모사를 위한 환경적 요인에 제약이 존재해 한국생산기술원과 한국재료연구원은 공동연구를 통해 저온 환경에서의 마찰 및 마모시험 시 개선해야 할 부분을 모색하며 업그레이드하고 있다.

▲ 한국생산기술연구원 하이테크베어링기술센터 보유 왕복동 시험기(TE77, Phoenix Tribology)