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마이크로파 유도가열 열처리 기술 국내 연구진 개발 성공

마이크로파 유도가열 열처리 기술 국내 연구진 개발 성공
한국전기연구원 김대호 박사가 마이크로파 유도가열 기술로 열처리된 로이유리를 들고 있다.

[산업일보]
전도성 박막소재를 가열할 수 있는 마이크로파 유도가열 기술을 국내 연구진이 개발에 성공했다. 최근 건축물에서 가장 많이 활용되고 있는 ‘로이유리’의 보급 확대에 기여하고, 상용화를 위한 중요한 기반을 마련한 셈이다.

그동안, 박막을 열처리하는 기술로는 고출력 레이저나 방전램프와 같이 빛을 이용하는 기술들의 경우 상당히 성숙돼 있지만, 낮은 에너지 효율성과 높은 비용 때문에 실제 상용화하는데 어려움이 있어 확대가 쉽지 않았다.

과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 전기전문 정부출연연구기관인 한국전기연구원(KERI) 나노융합연구센터 김대호 박사(선임연구원)팀은 전자레인지 등에서 사용되는 마이크로파를 활용한 유도가열 기술로, 금속 나노박막을 ‘연속적이면서도 균일하게 고속 열처리’ 할 수 있는 기술 개발에 성공했다고 15일 밝혔다.

마이크로파 유도가열 열처리 기술 국내 연구진 개발 성공
마이크로파 유도가열에 의한 로이유리 연속, 균일, 고속 고온 열처리 연구장치

'마이크로파 유도가열 기술'은 전자레인지에서 사용하는 2.45GHz(기가헤르츠) 주파수의 마이크로파 자기장을 활용해 금속 등 전도성 소재로 이루어진 박막을 순간적으로 고온 가열할 수 있는 기술이다. 1GHz는 106kHz(킬로헤르츠)에 해당하는 매우 높은 주파수 단위다.

기존의 유도가열 기술은 수십 kHz 수준의 주파수를 가지는 자기장을 만들어 금속 소재를 가열하는 방식으로, 조리용 인덕션 기구 등 밀리미터(mm) 수준의 두꺼운 소재에만 적용할 수 있었다. 하지만 전자기장의 주파수에 따라 금속에 대한 침투깊이가 달라지다 보니 기존 기술로는 1㎛(마이크로미터, 1mm의 1000분의 1) 이하 얇은 두께를 가지는 나노박막은 가열할 수가 없었다.

한국전기연구원이 개발한 ‘마이크로파 유도가열 기술’은 전도성 표면에 자기장에 의한 유도전류를 발생시켜 저항열로 나노박막을 가열하는 원리다. 전기에너지에서 열에너지로 전환되는 효율이 70%에 이를 정도의 높은 에너지 전환 효율을 기반으로, 나노미터 수준의 두께를 가지는 얇은 전도성 박막을 1초 이내에 1천℃ 이상 온도로 빠르게 열처리할 수 있다. 즉 열처리가 필요한 전도성 박막만을 선택적이고, 순간적으로 고온 가열할 수 있는 획기적인 기술인 것이다.

연구팀은 일정 부분만이 아닌 넓은 면적에서도 연속성과 균일성을 확보하며 안정적인 열처리가 가능한 기술 수준까지 도달했다. 바로 마이크로파 유도가열 기술의 핵심인 ‘유전체 공진’을 통해, 자기장의 패턴을 변형시켜 나노박막의 발열 분포를 조절할 수 있게 된 것이다. 이를 통해 대면적에서도 안정적으로 열처리가 가능해졌다.

개발 기술은 최근 건축물의 친환경 단열유리로 가장 많이 활용되고 있는 ‘로이유리’ 열처리에 활용될 전망이다. 흔히 건축물에서 발생하는 열 손실의 40~50% 정도가 창과 유리에서 발생하고 있다. 로이유리는 창을 통해 들어오는 가시광선은 투과해 실내를 밝게 유지하면서도, 열의 원적외선은 반사하는 에너지 절약형 유리다. 겨울에는 내부에서 발생한 난방열이 밖으로 빠져나가지 못하도록 차단하고, 여름에는 바깥의 열기를 차단해 냉·난방비를 줄여주기 때문에 많은 관심을 받고 있다.

연구팀은 개발한 기술을 활용해, 공정 과정에서 1초당 100mm의 속도로 흘러가는 로이유리를 500℃ 이상의 온도(유리가 견디는 수준)로 균일하게 열처리하는 데 성공했다. 열처리된 로이유리는 코팅된 은 나노박막의 결정성 향상으로 전도성이 30% 높아졌다. 그 결과 태양광의 열적외선 반사율(단열효과)이 5% 이상, 가시광선 투과율(채광효과)이 2.5% 이상 개선되는 것을 확인했다. 마이크로파 유도가열 기술을 활용해 대면적의 로이유리를 효율적으로 열처리해 상용화할 수 있는 기반을 마련한 것이다.

연구책임자인 김대호 선임연구원은 “기존 로이유리 가열 기술들은 열처리 후 가공성 문제, 높은 에너지 비용에 따른 경제성 문제 등의 이유로 그동안 상용화에 많은 어려움을 겪어왔다”며 “에너지 전환효율이 높은 마이크로파 유도가열 기술은 필요한 부문만을 순간·선택적으로 가열할 수 있기 때문에 필요한 장치의 규모도 대폭 줄일 수 있고, 비용도 획기적으로 절감할 수 있다”고 밝혔다.

연구팀은 관련 성과가 로이유리 열처리 공정을 개발하고자 하는 기업의 많은 관심을 받을 것이라 보고, 기술의 사업화를 추진하고 있다. 상용화에 성공한다면 로이유리 열처리 공정장비 시장을 새롭게 창출하고, 상당 기간 전 세계 시장에서 독점적 지위를 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 향후 더 나아가 금속 나노박막을 사용하는 디스플레이, 반도체 소자, 태양전지 등의 열처리 공정에도 활용될 수 있는 핵심기술들을 지속적으로 연구·개발한다는 목표다.

기존 유도가열과 마이크로파 유도가열의 원리비교
수십 kHz의 주파수를 가지는 전류를 코일에 흘려주고, 이로 인해 발생하는 자기장에 금속을 가까이 가져가면 금속표면에 유도전류가 발생하는데, 이 때 발생하는 열을 이용하는 것이 기존의 유도가열 기술이다. 기존 유도가열에서 유도전류의 침투깊이는 약 1mm 전후의 값을 가지기 때문에 조리기구 같은 것을 효과적으로 가열할 수 있는 정도였다.

마이크로파 유도가열은 수 GHz의 주파수를 사용하기 때문에, 전류가 흐르는 코일 대신에 유전체 공진기를 이용해 유도가열에 필요한 자기장을 형성시킨다. 보통 전자레인지에서 사용하는 2.45GHz의 마이크로파로 인해 금속에 유도되는 전류의 침투깊이는 약 1μm(마이크로미터) 수준이기 때문에 나노미터 수준의 두께를 가지는 박막을 선택적으로 가열할 수 있다. 전기로부터 마이크로파를 만들어서 열을 발생시킬 수 있는 에너지 전환효율은 70%에 이를 뿐만 아니라, 고온이 필요한 나노박막만을 선택적으로 가열할 수 있기 때문에 에너지효율성도 매우 뛰어나다.

흔히 전자레인지에서 주로 활용된다. 전자레인지에서 사용하는 기존의 마이크로파 가열은 ‘유전’ 가열(dielectric heating)로, 극성분자에 마이크로파를 가하면 회전진동을 하는데 이 때 극성분자들 사이에서 발생하는 운동마찰로 가열되는 원리다. 따라서 물이나 유기용매, 일부 산화물 등을 효과적으로 가열할 수 있다.

마이크로파 ‘유도’ 가열(induction heating)은 신개념의 방식으로 마이크로파의 자기장에 의해서 전도성 표면에 발생하는 유도전류에 의한 저항열을 이용하는 가열 방식이다. 마이크로파에 의한 유도전류가 표면에 생성되는 깊이는 매우 얇은 1μm 수준이다. 따라서 1μm 두께 이하의 금속, 전도성산화물, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 나노박막을 효과적으로 가열할 수 있다.

마이크로파 유도가열 열처리 기술 국내 연구진 개발 성공

전도성 막의 두께와 마이크로파 유도가열의 상관관계
가열용으로 가장 많이 사용되는 2.45GHz 주파수의 마이크로파는 구리표면에 발상시킬 수 있는 유도전류의 침투깊이가 1.3μm다. 이보다 얇은 두께의 금속 나노박막이 마이크로파를 만나게 되면 나노박막 두께 전체에 유도전류를 만들어내는데, 매우 얇은 금속 박막이기 때문에 저항이 커서 많은 열이 발생할 수 있다. 결국 마이크로파 에너지는 얇은 금속 나노박막에 흡수돼 열로 전환된다.

반면에 수십 μm 이상의 두꺼운 금속 막이 마이크로파를 만나게 되면 아주 얇은 두께 속에만 표면전류를 형성시키는데, 두꺼운 금속 막은 저항이 아주 낮기 때문에 저항열이 거의 발생하지 않는다. 따라서 마이크로파는 두꺼운 금속 막에 거의 흡수되지 못하고 대부분 반사돼 버린다.

단열효과가 뛰어난 로이유리
건축물 등에 사용되는 ‘로이유리(low-e glass)’는 판유리에 은(Ag) 나노박막과 함께 다양한 산화물 나노박막층을 물리적 증착법으로 코팅한 유리다. 은 나노박막 층이 가시광선을 투과시키고 열적외선을 반사시키기 때문에 일반 판유리에 비해 최고 50%까지 단열성능이 향상된다는 장점이 있다.

최근 정부정책에 의해 건축물의 에너지절감이 더욱 많이 요구됨에 따라 보급률이 급격히 증가해, 대형빌딩 뿐만 아니라 일반 아파트에도 적용되고 있다. 국내시장만 이미 연간 2천억 원 규모를 초과했고, 로이유리 보급이 보편화 된 유럽의 보급률이 90%에 이르는 점을 볼 때 국내시장도 향후 2배 이상 확대될 가능성이 크다.

로이유리의 단열성능에 따라 가격이 올라가고, 점점 더 높은 성능의 로이유리가 요구되고 있는 상황으로 인해 로이유리의 열처리 공정의 필요성은 매우 커지고 있다.

이번 성과는 마이크로파 유도가열 공진기 3개를 배치해 약 60mm 폭을 연속으로 균일하게 열처리 할 수 있는 장치를 완성한 것이다. 여기에 900W 마이크로파 소스 3개를 사용할 경우, 로이유리를 1초당 100mm의 속도로 이송시키면서 500℃의 온도로 연속 열처리할 수 있다. 같은 마이크로파 유도가열 공진기를 추가 배치하면 한 번에 열처리할 수 있는 로이유리의 폭을 쉽게 확장시킬 수 있도록 설계를 모듈화 했다.

마이크로파 유도가열에 의해 로이유리의 나노박막을 선택 가열하기 때문에 유리의 표면만 고온으로 가열되고 주변 다른 부분들은 거의 상온으로 유지된다.

컴퓨터 시뮬레이션 기반의 마이크로파 유도가열 공진기 설계 기술을 활용해, 유도가열에 의한 열발생 분포를 예측하고 설계에 반영하는 방법으로 ±15℃ 이내로 균일하게 모든 면적을 열처리 할 수 있는 기술을 개발했고 실제 장치로 구현해 냈다.

연구팀의 연구결과를 보면, 마이크로파에 유도가열에 의한 로이유리의 열처리 후 성능은 도달한 최고온도에 의해서 결정되며, 최고온도를 더 긴 시간 유지한다고 해서 성능이 더 나아지지 않기 때문에 이런 방법으로 균일한 열처리 성능을 얻을 수 있다.
김예리 기자 yrkim@kidd.co.kr

해외 글로벌 기업들의 동향을 신속 정확하게 보도하겠습니다.

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