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전기연구원, 금속 나노박막 고속 열처리 기술 개발… 로이유리 보급 확대 기대 - 전자레인지에서 사용되는 마이크로파 활용 - 전도성 박막을 1초 이내 1,000℃ 이상 고속 열처리
  • 기사등록 2019-05-16 15:00:19
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▲ 뛰어난 단열 성능과 에너지 절감 효과로 최근 건축물에서 가장 많이 활용되고 있는 ‘로이유리’의 보급 확대에 기여할 수 있는 열처리 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 사진은 한국전기연구원(KERI) 전기재료연구본부 나노융합연구센터 김대호 박사



[기계신문] 한국전기연구원(KERI)은 전기재료연구본부 나노융합연구센터 김대호 박사팀이 전자레인지 등에서 사용되는 마이크로파를 활용한 유도가열 기술로, 금속 나노박막을 ‘연속적이면서도 균일하게 고속 열처리’를 할 수 있는 기술 개발에 성공했다고 밝혔다.


이 ‘마이크로파 유도가열 기술’은 전자레인지에서 사용하는 2.45GHz 주파수의 마이크로파 자기장을 활용하여 금속 등 전도성 소재로 이루어진 박막을 순간적으로 고온 가열할 수 있는 기술이다. 1GHz는 106kHz에 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㎛ 이하의 얇은 두께를 가지는 나노박막은 가열할 수가 없었다.



▲ 기존 유도가열과 마이크로파 유도가열의 원리 비교



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 1,000℃ 이상 온도로 빠르게 열처리할 수 있다. 즉, 열처리가 필요한 전도성 박막만을 선택적이고, 순간적으로 고온 가열할 수 있는 획기적인 기술인 것이다.



▲ 기존 마이크로파 가열과 마이크로파 “유도”가열의 차이



연구팀은 더 나아가 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.


이때 유전체는 전기장을 가할 때 전기 분극을 발생시키지만, 전류는 흐르지 않는 물질로 전기적 절연체와 같은 의미이며, 공진은 진동을 일으키는 어떤 물체의 영향을 받아 다른 물체가 진동을 일으킴으로써 진동이 증폭해 약간의 힘으로 큰 진동을 일으키는 현상이다.



▲ 전도성 막의 두께와 마이크로파 유도가열의 상관관계



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 있다고 한다. 로이유리는 창을 통해 들어오는 가시광선은 투과하여 실내를 밝게 유지하면서도, 열의 원적외선은 반사하는 에너지 절약형 유리다.


겨울에는 내부에서 발생한 난방열이 밖으로 빠져나가지 못하도록 차단하고, 여름에는 바깥의 열기를 차단하여 냉·난방비를 줄여주기 때문에 많은 관심을 받고 있다.



▲ 단열효과가 뛰어난 로이유리



연구팀은 개발한 기술을 활용하여 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 열처리하여 상용화할 수 있는 기반을 마련한 것이다.



▲ 마이크로파 유도가열에 의한 로이유리 연속, 균일, 고속 고온 열처리 연구장치



김대호 박사는 “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.



▲ 대면적의 연속 균일 열처리를 위한 마이크로파 유도가열 공진기 설계



연구팀은 관련 성과가 로이유리 열처리 공정을 개발하고자 하는 기업의 많은 관심을 받을 것이라 보고, 기술 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.


권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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