반도체 등 산업용 열처리에서 낭비되는 불필요한 에너지 절감으로 탄소중립 실현 기여
전자기파의 일종인 마이크로파로 음식을 가열하는 전자레인지는 집안의 필수 가전제품으로 자리 잡은 지 오래다. 하지만 마이크로파의 파동이 공간적으로 강약이 있고, 일일이 조절하지 못하다 보니 가열이 고르게 되지 않는 경우가 종종 있어 불편한 점도 많았다.
현재 수준은 음식물 등 피가열물을 한정된 범위 내에서 일정하게 움직이면서 데우는 방식인데, 시시각각 달라지는 온도 분포를 반영하지 못하니 가열되는 곳은 더 뜨거워지고, 그렇지 않은 곳은 계속 미지근한 현상이 발생한다.
이를 해결하는 KERI의 성과는 약간의 주파수 조절로도 마이크로파의 파장을 크게 변화시켜 사용자가 원하는 곳을 필요한 만큼만 가열할 수 있게 만들어주는 일명 ‘적열적소(適熱適所), 스마트 마이크로파 가열 기술’이다. 기본 원리는 마이크로파의 파장을 마음대로 늘렸다 줄였다 하며, 마이크로파 공간 분포를 조절함으로써 가열 위치를 제어하는 방식이다.
연구팀은 파장 변화를 빠르고 정교하게 주기 위해 주파수 조절 방식을 활용했다. 흔히 전자기파를 활용하는 기기마다 허용된 주파수 대역이 있는데, 기존에는 주파수를 바꿔도 파장 변화가 미미해 실제 활용 단계까지 가기 어려운 수준이었다. 하지만 이번에 KERI가 수년간의 노력 끝에 개발한 기술을 활용하면, 주파수를 1%만 조절해도 파장 변화가 기존 대비 무려 100배나 커질 수 있다.
이러한 파장 변화를 통해 마이크로파 가열 위치를 폭넓게 조절할 수 있다는 것은 ‘균일 가열’과 ‘표적 가열’이 모두 가능하다는 것을 의미한다. KERI 연구팀의 ‘균일 가열’ 수준은 세계최고 수준으로, 피가열물을 가열할 때 전체 온도 차이가 10% 미만으로 거의 나지 않도록 고르게 가열한다.
해당 기술은 가정 및 상업용 차세대 ‘스마트 전자레인지’ 분야에 적용이 가능하고, 산업에서는 반도체, 자동차, 탄소섬유, 다이아몬드 등 각종 생산 공정에서의 효율적인 가열에 활용될 수 있다. 현재 우리나라의 열처리 에너지 효율이 선진국 대비 60% 수준에 불과한데, 마이크로파 가열 기술을 통해 에너지 손실을 최소화하고, 정부의 탄소중립 실현에도 크게 기여할 수 있을 것으로 보고 있다.
KERI 정순신 박사는 “약간의 주파수 조절로 파장을 크게 변화시켜 가열 위치를 제어하는 세계 최초의 성과로, 사용자의 편의성은 높이고, 불필요한 대상을 가열하는 데 소모되는 에너지는 절감하는 획기적인 기술”이라며 “꾸준한 연구를 통해 마이크로파 가열이 잘 안 되는 금속체도 효과적으로 가열할 수 있는 기술을 개발해, 활용 범위를 크게 넓히고 싶다”고 밝혔다.
한편 이번 성과와 관련한 연구결과는 열 공학과 전기재료 각각의 분야에서 세계적 권위를 가지고 있는 SCI급 국제 학술지인 ‘Applied Thermal Engineering’과 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 논문이 게재되며 높은 기술 수준을 인정받기도 했다.
원천기술과 관련한 국내외 특허 출원을 완료한 KERI는 이번 성과가 효율적인 가열이 필요한 다양한 산업계의 많은 관심을 받을 것이라 보고, 관련 수요업체를 발굴해 기술이전을 추진한다는 계획이다.
정동욱 부산/경남 기자 ilyo33@ilyo.co.kr