▲ (사진 가운데)CoolestDC가 서버 내부의 CPU, GPU 및 VRM 레이아웃으로 설계 및 제작한 액체 냉각용 경사 쿨링핀

금속 적층제조(3D프린팅)로 만들어진 혁신적인 열관리 부품이 제품의 효율을 높이고 온실가스를 줄이고 있는 국내외 사례를 공유하는 자리가 마련됐다.

독일의 3D프린팅 솔루션 기업 EOS의 한국지사인 EOS 코리아는 지난 23일 서울 드래곤 시티 한라홀에서 기술 컨퍼런스 ‘EOS Korea | AM Excellence Day 2023’을 개최했다. 이번 행사는 EOS 코리아에서 처음 주최한 기술 컨퍼런스로 EOS의 최신 동향과 사례를 발표하고 고객과의 기술 교류를 위해 기획됐으며, EOS 고객사를 포함한 산학연 관계자 150여명이 참석했다.

코로나와 디지털 전환으로 인해 전세계 데이터센터 수요가 폭증함에 따라 전력사용량도 크게 늘어나고 있다. 현재 데이터센터가 소비한 전력은 세계 전력사용량의 1%를 차지하고 있으며 인공지능, 5G 등 활성화로 인해 사용량은 지속 증가할 전망이다. 특히 데이터센터의 탄소 배출량은 세계 탄소배출량의 2%를 차지하고 있어 2050 탄소중립 달성을 위해서도 전력사용량을 줄여야 한다.

이를 획기적으로 관리할 수 있는 방법은 바로 서버에서 발생하는 열을 빠르게 제거하는 것이다. 높은 열은 서버 내부 칩 신뢰성 및 성능을 저하시키고 이를 식히기 위해 전력을 더 사용해야하는 악순환이 발생한다. 현재 대부분 공랭식 냉각을 사용하고 있으나 한계가 있어 열전도율이 뛰어난 비전도성 액체에 서버를 담가 열을 제거하는 냉각방식인 액체 냉각(liquid cooling)이 주목받고 있다.

이날 싱가포르의 액체 냉각 솔루션 기업 Coolest DC社는 ‘구리 적층 제품을 이용한 데이터 센서 에너지 효율성 향상 솔루션 및 사례’를 발표했다. CoolestDC는 서버 내부의 CPU, GPU 및 VRM 레이아웃으로 액체 냉각용 경사(oblique) 쿨링핀을 설계해 구리합금(CuCP)으로 EOS 장비로 적층제조했다.

설계 개선과 함께 열전도도가 높은 구리를 적용함에 따라 80℃까지 올라가던 내부 온도를 60℃까지 낮추는데 성공했다. 또한 적층제조로 일체형 콜드 플레이트를 개발해 누출을 최소화 시켰다. 실제 데이터센터에 적용한 결과 전력소비량이 29% 절감됐고 IT 성능도 40%까지 개선된 것으로 나타났다.

▲ 조현철 두산에너빌리티 팀장이 주제발표를 하고 있다.

세계적인 탄소중립 요구로 인해 발전 분야에서는 발전 효율을 높이고 온실가스를 저감시키고자 가스터빈 내부의 온도를 높이고 있다. 그런데 가스터빈 핵심 부품인 연소실과 베인·블레이드 등과 같은 고온부품은 열적으로 매우 취약하기 때문에 자주 교체해야 하며 적절한 냉각기술 적용이 중요하다.

향후 1,700℃에서 작동되는 초고효율 가스터빈을 개발하기 위해서는 현재 고온부품 제작에 사용되는 주조기술의 한계를 넘어서, 혁신적인 냉각기술 설계와 구현이 가능한 금속 적층제조기술이 필수적이다. 금속 적층제조 가스터빈 연소기 부품을 만들면 기존 방식 대비 질소산화물을 40% 이상 저감하고 납기도 20% 이상 단축할 수 있는 것으로 알려지고 있다.

두산에너빌리티는 가스터빈 등 발전용 부품 제작의 선진화를 위해 2014년부터 적층제조 기술을 개발하기 시작했고 2017년부터 금속 3D프린터를 구입해 현재 총 8대의 장비를 갖춘 국내 최대 적층제조 전용 팹을 구축했다. 이를 기반으로 가스터빈 부품 시제품 제작 및 양산을 준비하고 있으며 나아가 적층제조 부품 제작 서비스 사업으로 확장하고자 2020년부터는 품질경영시스템을 도입했다.

조현철 두산에너빌리티 팀장은 ‘Industrialization of Metal Additive Manufactured Gas Turbine Components’라는 주제 발표를 통해 온실가스 배출을 줄이기 위한 방안 중 하나인 수소혼소발전을 위해선 연소기 부품을 금속 적층제조로 제작해야 한다고 밝혔다. 또한 “기존 정밀주조로 부품을 만들 땐 한번에 최소 100개 이상 생산해야하기 때문에 비싸고 생산 시간도 오래 걸리지만 금속 적층제조는 적시에 소량 맞춤으로 생산할 수 있어 소량 부품을 중심으로 적용이 확대되고 있다”고 전했다.

두산에너빌리티는 설계. 공정 파라미터 개발, 중형에서 대형에 이르는 다양한 3D프린터, 품질관리 등 경쟁력을 갖추고 있어 소량 맞춤형 부품 제작이 필요한 고객에게 설계부터 시제품제작, 양산, 품질관리에 이르는 토털 솔루션을 공급할 계획이다.

조현철 팀장은 금속 적층제조 확산을 위해선 빠른 생산 속도와 품질 극대화가 필수적이라고 강조했다. 속도를 빠르게 하기 위해선 서포트 최소화, 레이저 출력 관리, 자동화 등이 요구되며 품질 향상을 위해선 제작사가 개런티를 보장하는 방법이 있다.

조 팀장은 “적층제조 소재부품의 물성 데이터를 많이 축적하고 구성원들이 공유하는 것이 매우 중요하며 금속 분말을 사용하는 기타 산업과 마찬가지로 안전사고 방지를 위한 노력과 투자가 반드시 필요하다”고 강조했다.

▲ 조재영 한국타이어앤테크놀러지 박사가 주제발표 하고 있다.

탄소중립으로 전기차 보급이 급격히 증가하면서 타이어 시장에서도 전기차 전용 타이어 생산을 위해 금속 적층제조 기술을 적극 도입하고 있다.

타이어 업계에서는 겨울철 타이어를 중심으로 트레드(노면과 닿는 타이어 표면) 중앙부 톱니바퀴 모양의 사이프(Sipe:타이어 표면의 미세한 홈)를 적용해 접지력과 제동력을 강화하고 있다. 무겁고 정숙한 주행이 가능한 전기차 전용 타이어 수요가 높아지면서 트레드 블록 내부에서 변형을 제어해 미끄러짐 현상을 방지할 수 있도록 3차원 사이프 기술이 적용 중이다. 이러한 타이어 몰드용 사이프는 복잡한 형상을 가지고 있고 얇아지고 있어 기존 방식으로는 제작이 불가능하기 때문에 적층제조가 필수다.

특히 자동차 업계의 전동화가 가속화 되면서 신차 출시 주기는 8년에서 5년으로 점점 빨라지고 있으며 따라서 10개월이 걸리는 타이어 개발 기간도 줄여야 한다. 그러나 타이어 몰드 제작 기간만 40~70일이 걸리기 때문에 이를 단축하는 것이 관건이다.

한국프리시전웍스, 한국타이어앤테크놀로지, 테라웍스 등은 컨소시엄을 구성해 과학기술정보통신부와 정보통신산업진흥원(NIPA)이 지원하는 ‘2021년 3D프린팅 제조혁신 실증지원 사업’을 통해 기존 기술로는 실현이 힘든 타이어 패턴이 가능한 사이프(Sipe) 부품과 트레드 몰드 양산공정 기술개발을 추진 중이다.

사업에 참여 중인 조재영 한국타이어앤테크놀러지 박사는 ‘타이어 몰드 제조의 혁신: 정밀 금속 부품을 위한 적층제조 기술’ 주제 발표를 통해 “적층제조 기술을 도입한 결과 10개의 공정을 2개의 공정으로 줄이고 제작 기간도 40일에서 12일로 감축하는 효과를 거뒀다”며 “앞으로 수율을 더욱 향상시키고 타이어 외에도 다른 산업 분야까지 적층제조 적용을 확대할 계획”이라고 밝혔다.

한편 이날 EOS Additive Minds팀의 Davy Orye 매니저는 ‘EOS DMSL(Direct Metal Laser Solidification)의 개발 동향 및 응용사례’에 대한 발표를 통해 EOS에서 새롭게 선보이는 ‘스마트 퓨전(Smart Fusion)’에 대해 설명했다. 그는 “극적인 서포트 프리를 구현할 수 있으며 기존 대비 약 80% 감소된 서포트로 적층할 수 있는 장점이 있다”며 “이를 통해 무결함 초도품을 제작해 빠르게 시장 진출이 가능하며, 이에 따른 부품당 비용도 절감될 것”이라고 밝혔다.

▲ EOS는 이번 컨퍼런스에 구리 소재로 적층제조 한 데모 파트를 전시했다.