기계연, 영하 120℃ 반도체 극저온 칠러 개발

기계연 에너지저장연구실 고준석 실장이 터보-브레이튼 극저온 칠러를 소개하고 있다 / 기계연 제공

[투데이에너지 임자성 기자] 초미세 공정 한계를 돌파하기 위해 웨이퍼 열을 급속 냉각해야 하는 반도체 식각 공정에 친환경성과 대용량 성능을 모두 갖춘 냉각 솔루션이 도입된다. 환경 규제 압박이 거센 고온난화지수 냉매를 완전히 걷어내고 순수 질소와 독자적인 초고속 터보기술을 결합해 상용화 수준까지 끌어올린 차세대 칠러가 국산화 결실을 맺었다.

한국기계연구원 탄소중립기계연구소 에너지저장연구실 고준석 실장 연구팀이 영하 120℃ 이하에서 15kW의 냉각성능을 구현하는 터보-브레이튼 극저온 냉각시스템을 개발했다고 11월 2일 밝혔다.

연구팀은 핵심부품 설계·제작부터 운전·제어에 이르는 전주기 기술을 자체 확보하고, 바닥 설치면적 가로·세로 1.6m, 높이 2.1m 크기의 패키징 설계를 적용해 실제 산업현장에서 즉시 활용 가능한 형태의 산업용 칠러로 제작했다.

인공지능(AI) 확산으로 수백 층 이상의 3차원 낸드플래시 등 고집적 메모리 수요가 늘면서 선폭 대비 깊이가 100 이상인 고종횡비 식각 기술이 핵심 공정으로 떠올랐다. 이 과정에서 발생하는 극심한 열을 식히기 위해 영하 100℃ 이하의 대용량 극저온 냉각유체 공급이 필수적이지만, 기존 다단 증기압축 방식은 온난화지수가 높은 혼합냉매를 사용하고 용량 증설에도 한계가 뚜렷했다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 지구온난화지수(GWP)가 0인 안전하고 경제적인 질소 기체를 압축·팽창시키는 터보-브레이튼 방식을 도입했다. 또한 운전 압력을 10기압 이하로 설계해 안전성을 대폭 끌어올렸다.

특히 분당 6만 회전(rpm)으로 돌아가는 핵심 터보기계에는 윤활유를 쓰지 않는 무급유 자기베어링 기술을 적용했다. 윤활유가 얼어붙어 장비 고장을 유발하는 극저온 환경의 고질적 문제를 해결함으로써 운전 안정성을 확보하고 냉각 온도와 용량을 자유롭게 조절할 수 있도록 했다.

자체 성능시험 결과 해당 칠러는 가동 후 30분 이내에 영하 120℃ 이하에 도달했고, 60분 이내에 목표 냉각용량인 15kW 부하 운전에 성공했다. 30·40·50·60krpm 회전수 조절을 통해 영하 150~60℃에 걸친 폭넓은 제어 범위를 입증했으며, 영하 100℃에서는 최대 18kW 성능을 기록했다. 정격운전 조건 소비전력은 90kW, 시스템 성능계수(COP)는 0.167을 달성했다.

기계연은 관련 기술을 반도체 칠러 제조기업인 차고엔지니어링에 기술이전을 완료했으며, 2027년 완제품 출시를 목표로 하고 있다.

고준석 기계연 에너지저장연구실장은 “2024년 영하 100℃급 입증 이후 지속적인 고도화를 거쳐 실제 산업 현장에서 쓸 수 있는 대용량 제품화 단계까지 완성했다”며 “확보된 기술을 바탕으로 향후 영하 250℃와 269℃까지 냉각 기술을 확장해 초전도, 수소, 우주, 양자 등 미래 전략산업 전반으로 적용 범위를 넓혀가겠다”고 전했다.