▲ 대성초저온연구소전경.

‘20대의 모험정신이 회사를 살린다’

경기도 안산시 소재 대성산업가스(대표이사 사장 김형태, 김신한) 반월공장 내에 있는 대성초저온연구소(소장 문흥만, DCRI, Daesung Cryogenic Research Institute)에 들어서면 이런 표어 하나가 걸려 있다.

이것은 국내에서 아무도 몰랐고, 아무도 도전하려 들지 않았던 초저온 연구를 처음 시작했던 당시 대성초저온연구소의 의지를 담고 있다.

대성산업가스가 설립되던 1979년만 해도 초저온과 산업용 가스(산소, 질소, 아르곤)에 관한 국내기술은 거의 전무했다.

그 당시는 초저온에 관련된 모든 기술이 외국에서 들어왔고, 또한 많은 사람들이 이것을 당연시 여기고 있었다.

이러한 풍토 속에서 심랭식공기분리장치(ASU, Air Separation Unit)의 국산화와 산업용 가스 산업의 기술토착화에 남다른 열정을 갖고 있었던 대성그룹 고 김수근 회장과 당시 CTO였던 손무룡 박사는 자체 연구소 건립의 필요성을 절감하고 1989년 12월 경기도 안산에 대성초저온연구소를 설립했다.

유럽에서는 이미 100여년전부터 초저온과 산업용 가스에 대한 기술적 중요성을 인식해 막대한 연구비를 투자해가면서 연구를 지속해 왔다. 이에 많은 연구자들이 이 분야 연구를 통해 노벨상도 받았고, 수많은 기업과 대학 연구소가 생겨났다.

반면에 국내 실정을 보면 처음으로 선진 가스기술이 도입된 것이 1970년대로 그나마 대부분의 산업용 가스회사가 외국계 직접 투자회사인 까닭에 국내에서의 연구에는 무관심했다. 이러한 상황에서 대성산업가스만이 대형 가스회사 중 유일하게 자체 연구소를 설립해 지금까지 운영해 오고 있다.

대성초저온연구소의 설립초기에는 아무도 가르쳐주지 않는 초저온·가스기술을 습득하기 위해 소수의 연구원이 밤낮으로 가스에 관한 기초연구에 몰두했다.

그 결과 가스물성계산식과 ASU 공정설계 프로그램이 자체 개발됐고, 가스분석, 초저온 재료물성, 진공, 단열, 가스흡착 등에 대한 기초가 정립됐다. 초창기 10년간 기초 다지기 과정을 거친 후 2000년 ASU의 핵심인 콜드박스(Cold Box)의 국산화에 성공하면서 본격적인 연구성과가 나타나기 시작했다.

지금까지 100여건의 가스기술을 자체 개발했고, 또한 세계 수준의 가스분석기술을 보유해 이 분야에서 국내 최초로 국제공인시험검사기관(KOLAS) 인정을 받았다.

대표적으로 2006년에 O₂ 및 N₂ 각 100N㎥/h 동시 생산 가능한 소형 ASU 장치를 개발했고, 올해에는 COG가스에서 순도 99.999%의 수소 5,000N㎥/h를 생산할 수 있는 현대제철의 수소플랜트를 개발했다.

2014년에는 CO₂ 지중저장을 위한 지상시스템 개념 및 기본 설계, 투르크메니스탄 소형ASU, 사우디 대형정제기, 그린에어(주) ASU, 대성산업가스(주) 구미 P6E, 동인산업가스, 대성산업가스(주) 구미2공장, 대성산업가스(주) 울산2공장, 대성산업가스(주) 청주8공장 CDA,대성산업가스(주) 반월2공장, POSCO광양 ASU PLANT 분석시스템 등 플랜트 적용 가스분석시스템 설계 및 제작지원을 하기도 했다.

이외에도 △ESG 분석방법 연구 △사우디 SKPC N₂ 정제기 설치완료 △OXY-PC용 ASU 및 CO₂회수장치 공정개발 △이온전도성 분리막(ITM) 이용 O₂제조 통합 시스템 개발 △초고순도 H₂ 제조 기술개발 △고순도 SF₆ 정제장치 증설 △ GeH₄ 합성 및 정제 Pilot 장치 △LN₂를 이용한 토양동결 △NO가스 제조 국산화 기술개발 연구 △삼성SDI, O2-VSA 제작 및 설치완료(92%, 1,000N㎥/h, 1기) △인도네시아 PT ANTAM社 P3FP Project ASU 설계 및 시운전 완료 등을 성공적으로 완수한 바 있다.

■ 저온 연구실 ASU 14기 자체 기술 제작 성과

대성초저온연구소는 현재 4실1부제로 운영되고 있는데 그중 저온 연구실은 액체질소온도(-196℃)에서 작동하는 모든 장비에 대한 개발을 수행한다.

초저온에서는 상온과 달리 단열, 구조, 열응력 등에 대한 특별한 기술이 요구된다. 이 연구실은 초저온 공정설계기술을 바탕으로 많은 제품을 개발해왔다.

대표적인 품목으로 ASU를 꼽을 수 있다. ASU는 2002년 질소 1,500N㎥/h의 상용화 1호기가 제작된 이래 지금까지 총 14기의 ASU가 자체 기술로 제작됐다.

이중 8기는 국내에 설치됐고, 6기는 해외로 수출됐다. 그동안 질소생산용 ASU를 제작해 왔는데 작년에는 산소와 질소를 동시에 생산하는 첫 번째 상용 ASU가 개발돼 현재 인도네시아에서 가동 중이다.

이 외에도 SF₆ 액화정제장치, 초저온 수소 및 헬륨정제기, 기타 다양한 종류의 초저온공정을 개발했다.

국가 R&D 프로젝트에도 적극 참여해 한국전력연구원과 순산소 석탄화력 시스템개발 연구를 수행했고, 현재는 남부발전과 이산화탄소 액화 정제플랜트 개발을 진행 중이다.

또한 고려대와 공동으로 해저터널 굴착을 위한 액화질소 이용 급속 토양동결공법을 개발하고 있다.

▲ 국내 최초로 개발된 산소/질소 겸용 ASU(인도네시아 턴키 수출, 2015).

■ 각종 가스공정 연구 수행

공정개발실은 상온 및 고온 영역에서 가스공정을 연구하고 있다.

1994년 한국에너지기술연구원과 공동으로 질소 PSA(Pressure Swing Adsorption)기술을 개발한 이래 산소, 수소, 메탄, 이산화탄소 등 다양한 종류의 PSA를 개발했다.

최근에는 제철공장에서 발생하는 COG(Coke Oven Gas)를 원료로 고순도 수소를 제조하는 대형 수소 PSA 개발에 성공했다.

또한 초고순도 가스정제기술도 확보해 고압 및 저압정제기 제작에 사용하고 있다. 이 외에 세계 최대규모의 고순도 질소정제기를 개발해 국내외 LCD 제조회사에 납품했고, 해외 석유화학 공장에도 설치 운영 중이다.

국가 R&D 프로젝트로 이산화탄소 지중저장연구에도 참여하고 있다. 정부는 온실가스 감축을 위해 화력발전소에서 포집된 이산화탄소를 지하 1,000m 깊이로 저장하는 프로젝트를 추진 중에 있다.

이를 위해 미래부는 포항 장기분지에 육상저장을, 산업부는 포항 영일만에 해상저장을 시도하고 있는데 연구소는 두 과제에 모두 참여해 초임계 이산화탄소 주입기술을 개발하고 있다.

▲ COG를 이용한 수소PSA 공장(2016).

30명 전문인력, 신규 공정·가스·시스템 개발 구슬땀

100여건 기술 자체 개발·50여건 특허·KOLAS 인정

■ 첨단 가스기술 개발

가스응용실은 산업용 가스 및 반도체용 특수가스 분석에 관한 모든 기술을 개발하고, 이와 함께 첨단가스기술의 개발을 담당한다.

현재 ICP-MS를 비롯한 70여종의 첨단 가스분석장비와 우수한 분석전문요원을 갖추고 회사에 필요한 모든 가스분석기술 및 가스분석시스템을 개발, 제공하고 있다.

또한 가스분석에 필요한 표준가스도 중량법에 의해 제조, 관리해 품질관리의 기준을 확보해 나가고 있다.

1996년 가스분석분야의 KOLAS(Korea Laboratory Accreditation Scheme) 인정을 받아 운영하고 있으며 산업용 가스 분야에서는 국내 최고 수준의 분석기술을 보유하고 있다.

또한 자체 프로젝트 혹은 대학과 협업을 통해 다양한 특수가스의 합성, 정제에 관한 연구를 진행하고 있으며, 촉매와 분리막 등 여러 기술을 응용하여 신규 가스 개발 및 국산화를 추진하고 있다.

국가 R&D 프로젝트로 한국에너지기술연구원과 고온에서 산소를 제조하는 신기술인 ITM(Ion Transport Membrane) 개발을 추진했으며, 현재는 국가핵융합연구소와 핵융합발전소 건설을 위한 삼중수소 분리연구를 진행하고 있다.

▲ 자체 개발한 자동가스분석시스템(2016).

■ 분석장비 국산화 앞장

연구소에서 개발되는 모든 장비의 자동화를 담당하는 부서는 제어계측팀으로 초저온 산업용 가스 기기자동화에 많은 실적을 자랑하고 있다.

가스장비는 안전이 최우선이기 때문에 안전하면서도 안정감 있는 작동을 위해 독자적인 콘트롤 시스템을 개발해 사용하고 있다.

또한 분석장비의 국산화를 위해 산소분석기를 개발했고, 최근에는 CCS(Carbon Capture & Storage) 관련 산업의 확대를 염두에 두고 적외선비분산법(non-dispersive infrared, NDIR)을 채용한 저가 보급형 소형 이산화탄소 전용분석기를 개발해 판매하고 있다.

▲ NDIR 방식의 이산화탄소 분석기(2016).

■ 품질 전담분석요원으로 전문적·체계적 관리

품질보증부는 대성산업가스 모든 사업장의 가스품질업무를 총괄하고 전문적, 체계적 관리를 위해 2008년 전담부서로 연구소 내에 신설된 부서다. 연구소 외에 각 지역별 특수가스공장에 전담분석요원을 두어 가스분석 및 품질관리 업무를 수행하고 있다.

세부 업무로 특수가스 품질검사/관리, ISO/KS 인증관리, 대내외 의뢰분석, 사업장 표준가스 및 분석장비 관리, 사업장 품질점검, 품질관련 고객 대응 및 영업 지원 활동, 직원 품질교육 등을 수행하고 있다.

600여대의 가스분석장비를 보유해 생산과 영업, 연구개발에 활용하고 있는데 모든 장비의 이력을 품질보증부가 통합 관리하고 있으며 이러한 체계적 시스템 도입을 통해 분석기 오류로 인한 품질불량을 사전에 방지하고 있다.

■ 모험정신으로 가스기술 개척 앞장

현재 대성초저온연구소는 박사 3명, 석사 13명, 학사 14명 등 총 30명이 근무하고 있으며 전공은 화공, 화학, 환경, 기계, 물리, 전기, 전자, 재료 등 다양하다. 그 동안 국내외 학술지에 30여편의 논문투고와 100여편의 학술발표를 실시했고 50여건의 특허를 보유하고 있다.

대성초저온연구소는 설립 30주년이 되는 2019년을 목표로 새롭게 웅비하기 위한 준비를 착실히 진행시키고 있다.

대성초저온연구소는 과거에도 그래왔듯이 앞으로도 20대의 모험정신을 발휘해 남들이 안가는 길, 그러나 꼭 가야만 하는 길을 사명감을 갖고 개척하며 나아갈 것이다.