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수소경제 주목되는 기술·제품 88. 티앤이코리아의 공기압축기
- 작성자시스템
- 작성일시26/05/15 (12:58)
- 조회수29
항공우주 기술인 공기베어링으로 연료전지 압축기 개발
회전축 떠서 도는 비접촉 방식...수명 길고 소음 적어
정밀 냉각 설계·모듈화로 열 관리...성능 입증된 제품만 양산
블록처럼 조립하는 무용접 방식으로 제품 신뢰성 확보
티앤이코리아가 제작한 에어베어링 기반 공기압축기.(사진=박상우 기자)
한국항공우주산업(KAI)이 지난 3월 한국형 초음속 전투기 KF-21 보라매의 양산 1호기를 출고해 큰 화제가 됐다.
한국항공우주산업(KAI)이 지난 3월 한국형 초음속 전투기 KF-21 보라매의 양산 1호기를 출고해 큰 화제가 됐다.
KF-21엔 다양한 첨단기술이 들어간다. 공기베어링 기반 에어사이클(Air Cycle) 냉각 터빈도 그중 하나다.
전투기가 마하의 속도로 비행할 땐 기체 외부의 마찰열과 함께 내부에선 첨단 AESA 레이더와 각종 임무 컴퓨터에서
열이 발생한다. 에어사이클 냉각 터빈은 외부 공기 자체를 냉매로 사용해 열을 식히고 조종실의 쾌적한 온도와 압력을
유지해준다.
이는 공기를 초고속으로 압축한 뒤 터빈을 통해 급격히 팽창시키면 온도가 영하권으로 뚝 떨어지는 물리적 원리를 이용한 것이다.
이는 공기를 초고속으로 압축한 뒤 터빈을 통해 급격히 팽창시키면 온도가 영하권으로 뚝 떨어지는 물리적 원리를 이용한 것이다.
이를 통해 무제한으로 차가운 공기를 만들어낸다.
이 과정에서 터빈은 10만 RPM 이상의 초고속 회전을 한다. 기존의 쇠구슬이 들어간 기계식 볼베어링과 윤활유를 쓰면 항공우주의
이 과정에서 터빈은 10만 RPM 이상의 초고속 회전을 한다. 기존의 쇠구슬이 들어간 기계식 볼베어링과 윤활유를 쓰면 항공우주의
극한 환경에서 오일이 얼거나 타버려 고장이 난다. 그래서 회전축이 얇은 공기막 위를 떠서 도는 ‘공기베어링’ 기술을 적용했다.
이같은 에어사이클 냉각 터빈 원천 기술을 국산화한 곳이 바로 티앤이코리아(TNE KOREA)다. 티앤이코리아는 독보적인 공기베어링
이같은 에어사이클 냉각 터빈 원천 기술을 국산화한 곳이 바로 티앤이코리아(TNE KOREA)다. 티앤이코리아는 독보적인 공기베어링
기술을 바탕으로 다양한 산업에서 성과를 내고 있다. 특히 수소차에 탑재되는 연료전지 시스템과 고정형 연료전지 시스템에 들어가는
공기압축기를 개발해 생산하고 있다.
티앤이코리아의 공기베어링 기술이 수소산업에서 어떤 역할을 하는지 알아보기 위해 충북 오송에 있는 본사를 찾았다.
티앤이코리아의 공기베어링 기술이 수소산업에서 어떤 역할을 하는지 알아보기 위해 충북 오송에 있는 본사를 찾았다.
티앤이코리아는 다양한 애플리케이션에 들어가는 공기베어링을 생산하는 양산 기술을 확보하고 있다.(사진=박상우 기자)
미사일 터보엔진 기술에서 출발
티앤이코리아의 기술 뿌리를 이해하려면 1980년대 후반으로 거슬러 올라야 한다.
박기철 대표는 유체역학을, 김경수 최고기술책임자(CTO)는 구조 설계를 전공한 터보기계 최고 전문가들이다. 두 사람은 1988년과
1992년에 각각 삼성항공(현 한화에어로스페이스)에 입사한 선후배 사이로 미사일에 탑재되는 터보 엔진을 함께 개발하며 호흡을 맞췄다.
항공우주 분야의 전유물이었던 이 터보 기술은 2000년대 초반 벤처 붐과 함께 산업 현장으로 들어왔다. 박 대표는 “미사일 엔진 기술을 바탕으로
항공우주 분야의 전유물이었던 이 터보 기술은 2000년대 초반 벤처 붐과 함께 산업 현장으로 들어왔다. 박 대표는 “미사일 엔진 기술을 바탕으로
개발한 산업용 터보 블로워가 하수처리장 등에서 탁월한 에너지 절감 효율을 입증하며 큰 성공을 거뒀다”라며 “현재 한국이 글로벌 하수처리장
터보 블로워 시장에서 해외 업체들과 대등한 점유율을 차지하게 된 출발점이었다”고 회상했다.
하수처리장은 호기성 미생물이 오염물질을 분해하도록 24시간 수조에 엄청난 양의 산소를 강제로 불어넣어야 한다. 이를 담당하는 것이
하수처리장은 호기성 미생물이 오염물질을 분해하도록 24시간 수조에 엄청난 양의 산소를 강제로 불어넣어야 한다. 이를 담당하는 것이
대형 송풍기(블로워)다. 이 장치가 시설 전체 전력 소비의 절반 이상을 차지한다.
박 대표와 연구진이 미사일 엔진 기술을 접목해 개발한 산업용 터보 블로워는 작은 전력으로도 초고속으로 공기를 뿜어낸다. 특히 윤활유가
박 대표와 연구진이 미사일 엔진 기술을 접목해 개발한 산업용 터보 블로워는 작은 전력으로도 초고속으로 공기를 뿜어낸다. 특히 윤활유가
필요 없는 무급유 공기 베어링 방식 덕분에 윤활유 혼입에 따른 2차 수질 오염 우려까지 원천 차단했다.
10년가량 중대형 터보 블로워 사업을 성공적으로 이끈 박기철 대표와 김경수 CTO는 고난도 기술이 요구되는 소형 터보 기계를 개발하기로 하고
10년가량 중대형 터보 블로워 사업을 성공적으로 이끈 박기철 대표와 김경수 CTO는 고난도 기술이 요구되는 소형 터보 기계를 개발하기로 하고
지난 2014년 지금의 티앤이코리아를 설립했다.
티앤이코리아는 소형 터보 기계를 기반으로 수처리 시설을 넘어 일반 산업 현장으로 적용 분야를 꾸준히 넓혀왔고, 수소시장에 본격적으로 발을
티앤이코리아는 소형 터보 기계를 기반으로 수처리 시설을 넘어 일반 산업 현장으로 적용 분야를 꾸준히 넓혀왔고, 수소시장에 본격적으로 발을
들인 것은 2018년 무렵이다.
박기철 대표는 “그 무렵 해외 수소발전 업체들로부터 소형 터보 블로워 제작 문의가 들어왔다. 그 요청에 맞춰 기술을 개발하기 시작한 것이
박기철 대표는 “그 무렵 해외 수소발전 업체들로부터 소형 터보 블로워 제작 문의가 들어왔다. 그 요청에 맞춰 기술을 개발하기 시작한 것이
자연스럽게 지금의 수소발전용 연료전지 사업으로 이어지게 된 것”이라고 말했다.
공기베어링과 고속회전체가 들어간 공기압축기의 단면.(사진=박상우 기자)
연료전지의 출력과 수명 극대화
소형 터보 블로워의 핵심은 ‘공기 포일 베어링(Air Foil Bearing)’에 있다. 이 기술은 1960년대 미 항공우주국(NASA)이 항공기
소형 터보 블로워의 핵심은 ‘공기 포일 베어링(Air Foil Bearing)’에 있다. 이 기술은 1960년대 미 항공우주국(NASA)이 항공기
실내 환경 제어를 위해 고안한 것으로, 윤활유 대신 공기의 점성과 유체역학적 특성을 이용해 회전축을 공기막 위에 띄워 지지한다.
박기철 대표는 “공기베어링은 마찰이 없어 소음이 적고 이론상 반영구적인 수명을 자랑한다”라며 “주기적인 오일 교체나 폐오일 처리가
박기철 대표는 “공기베어링은 마찰이 없어 소음이 적고 이론상 반영구적인 수명을 자랑한다”라며 “주기적인 오일 교체나 폐오일 처리가
필요 없어 수소연료전지와 완벽하게 부합하는 부품”이라고 설명했다.
수소연료전지의 출력과 효율은 스택으로 공급되는 공기의 양과 압력에 좌우된다. 그래서 공기압축기의 성능이 매우 중요하다. 그런데
수소연료전지의 출력과 효율은 스택으로 공급되는 공기의 양과 압력에 좌우된다. 그래서 공기압축기의 성능이 매우 중요하다. 그런데
공기압축기에서 미세한 윤활유나 불순물이 공기에 섞여 들어가면 스택 내부의 촉매가 오염돼 치명적인 손상을 입고 수명이 급감한다.
여기에 필요한 공기압축기의 회전수는 최소 수만에서 최대 10만 RPM 이상을 요하기 때문에 오일이 들어가는 기존 기계식 베어링은 직접적인
여기에 필요한 공기압축기의 회전수는 최소 수만에서 최대 10만 RPM 이상을 요하기 때문에 오일이 들어가는 기존 기계식 베어링은 직접적인
마찰로 사용할 수 없다.
반면 공기베어링은 회전축이 떠서 도는 비접촉식이라 기계적인 마찰이 전혀 없다. 부품이 닳지 않아 이론상 반영구적인 수명을 자랑하며,
반면 공기베어링은 회전축이 떠서 도는 비접촉식이라 기계적인 마찰이 전혀 없다. 부품이 닳지 않아 이론상 반영구적인 수명을 자랑하며,
교체 주기가 길어야 하는 수소차나 장기 가동해야 하는 발전용 시스템에 부합한다. 또 높은 토출, 최대 회전수 확보가 가능해 연료전지의
출력과 효율을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다.
특히 윤활유를 공급하고 순환시키는 복잡한 주변장치가 불필요해 시스템의 부피와 무게를 크게 줄일 수 있다. 또 주기적으로 오일을 교체하거나
특히 윤활유를 공급하고 순환시키는 복잡한 주변장치가 불필요해 시스템의 부피와 무게를 크게 줄일 수 있다. 또 주기적으로 오일을 교체하거나
폐오일을 처리할 필요가 없어 유지보수 비용이 절감되며, 수소차 본연의 친환경 목적과도 정확히 일치한다. 아울러 금속끼리 부딪치는 물리적
마찰이 없어 소음이 현저히 작다.
티앤이코리아는 초고속 회전에서 동적 안정성과 하중 지지 성능을 극대화하기 위해 포일(Foil) 구조를 고도화한 공기베어링을 개발했다.
티앤이코리아는 초고속 회전에서 동적 안정성과 하중 지지 성능을 극대화하기 위해 포일(Foil) 구조를 고도화한 공기베어링을 개발했다.
회전축을 감싸는 탑 포일(Top Foil)과 이를 탄성적으로 받쳐주는 범프 포일(Bump Foil)의 형상 및 조립 방식을 다양화해 각 제품의 운전 조건에
맞게 최적화했다.
공기압축기는 설계에 따라 ‘1단 원심압축’과 ‘2단 원심압축’ 방식으로 나뉜다. 공기압축기의 압축비를 기준으로 2.5 이하이면 1단 원심압축기로
공기압축기는 설계에 따라 ‘1단 원심압축’과 ‘2단 원심압축’ 방식으로 나뉜다. 공기압축기의 압축비를 기준으로 2.5 이하이면 1단 원심압축기로
설계가 가능하고, 압축비가 2.5 이상이면 2단 원심압축기로 설계하는 것이 더 효율적이다.
특히 2단 압축기로 만들어내는 압축공기는 압력이 훨씬 높아 더 높은 회전속도에서 운전이 되고, 모터의 출력도 증가해 냉각설계가 매우 까다로운 특징이 있다.
특히 2단 압축기로 만들어내는 압축공기는 압력이 훨씬 높아 더 높은 회전속도에서 운전이 되고, 모터의 출력도 증가해 냉각설계가 매우 까다로운 특징이 있다.
또 1단과 2단 압축단의 부하 분배, 성능 매칭 등 공력설계 관점에서도 더 난이도가 높다. 2단 압축기는 고사양 및 고가의 압축기 특성으로 인해 주로
수소상용차용으로 개발되고 있다.
현대차의 수소차에 들어가는 연료전지 시스템으로 하단부 공기압축기에 티앤이코리아의 공기베어링 기술이 적용됐다.(사진=박상우 기자)
정밀 냉각설계, 모듈화로 기술 한계 돌파
에어베어링 기반 공기압축기의 한계는 바로 열이다. 열역학 법칙에 따라 공기를 고압으로 압축하면 부피가 줄어들면서 온도가 급격히 상승한다.
정밀 냉각설계, 모듈화로 기술 한계 돌파
에어베어링 기반 공기압축기의 한계는 바로 열이다. 열역학 법칙에 따라 공기를 고압으로 압축하면 부피가 줄어들면서 온도가 급격히 상승한다.
특히 10만 RPM을 넘나드는 속도를 내기 위해선 고속모터가 필요하다. 이 모터가 회전하면서 발생하는 전자기적 손실이 열에너지로 변환돼
회전축과 모터 내부를 뜨겁게 만든다.
여기에 연료전지 기술의 발전으로 압축기의 용량은 커지고 사이즈는 작아진다. 기기가 작아지면 내부의 열을 외부로 방출할 수 있는
여기에 연료전지 기술의 발전으로 압축기의 용량은 커지고 사이즈는 작아진다. 기기가 작아지면 내부의 열을 외부로 방출할 수 있는
표면적(방열 면적)이 줄어들어 열이 내부에 더 쉽게 갇히고 집중되는 현상이 나타난다.
티앤이코리아는 고속 회전과 고온·고압 환경에서 작동하는 터보기계의 신뢰성을 극대화하기 위해 고효율 맞춤형 냉각 시스템을 적용하고 있다.
박기철 대표는 “압축기 내부의 극심한 발열을 제어하고자 제품 특성에 맞춰 공랭식, 수랭식, 하이브리드 냉각 방식을 폭넓게 채택한다”라며
티앤이코리아는 고속 회전과 고온·고압 환경에서 작동하는 터보기계의 신뢰성을 극대화하기 위해 고효율 맞춤형 냉각 시스템을 적용하고 있다.
박기철 대표는 “압축기 내부의 극심한 발열을 제어하고자 제품 특성에 맞춰 공랭식, 수랭식, 하이브리드 냉각 방식을 폭넓게 채택한다”라며
“여기에 열 차단 코팅, 내부 냉각 채널, 고효율 히트 싱크 등 독자적인 방열 구조를 더해 냉각 효율과 시스템의 전체 수명을 획기적으로 끌어올렸다”고 했다.
기기가 소형화될수록 좁아지는 방열 면적의 한계는 고도화된 ‘정밀 교차 해석’ 기술로 극복했다.
터보기계 내부의 유체 흐름을 분석하는 유동해석(CFD)과 온도해석(CHT)을 거쳐 부품의 구조 및 수명 해석(FEM)을 수행하고, 이를 다시 교차 검증하는
기기가 소형화될수록 좁아지는 방열 면적의 한계는 고도화된 ‘정밀 교차 해석’ 기술로 극복했다.
터보기계 내부의 유체 흐름을 분석하는 유동해석(CFD)과 온도해석(CHT)을 거쳐 부품의 구조 및 수명 해석(FEM)을 수행하고, 이를 다시 교차 검증하는
정교한 시뮬레이션을 반복한다. 설계가 확정된 후에는 시제품을 제작해 실제 온도 포화 시험, 성능 검증을 거쳐 타당성이 입증된 제품만 양산에 들어간다.
특히 열에 취약한 핵심 부품을 보호하는 ‘열 응력 관리(Thermal Stress Analysis)’에 역량을 집중하고 있다. 10만 RPM 이상으로 도는 임펠러와
특히 열에 취약한 핵심 부품을 보호하는 ‘열 응력 관리(Thermal Stress Analysis)’에 역량을 집중하고 있다. 10만 RPM 이상으로 도는 임펠러와
샤프트, 그리고 미세한 간격을 유지해야 하는 공기 포일 베어링 주변에 열이 국부적으로 집중되는 현상을 정밀하게 추적한다.
이를 통해 고온 발열로 인한 부품의 구조적 변형과 피로 누적 위험을 사전에 예측해 차단하고, 가혹한 모빌리티 환경에서도 시스템이 흔들림 없이
이를 통해 고온 발열로 인한 부품의 구조적 변형과 피로 누적 위험을 사전에 예측해 차단하고, 가혹한 모빌리티 환경에서도 시스템이 흔들림 없이
작동하도록 돕는다.
박기철 대표는 “열 관리 최적화 설계 기술과 관련해 현재 국내 7건, 해외 10건의 특허 등록을 완료하며 그 기술력을 입증했다”라며
박기철 대표는 “열 관리 최적화 설계 기술과 관련해 현재 국내 7건, 해외 10건의 특허 등록을 완료하며 그 기술력을 입증했다”라며
“탄탄하게 구축된 지식재산권(IP) 포트폴리오는 글로벌 수소연료전지 부품 시장에서 경쟁사가 쉽게 범접할 수 없는 티앤이코리아만의 강력한 기술적 해자로 작용하고 있다”고 자신감을 내비쳤다.
티앤이코리아의 공기베어링 기반 공기압축기는 수소차 등 다양한 연료전지 제품에 들어간다.(사진=박상우 기자)
수소차, 발전용 연료전지에 적용
이런 독보적인 기술에도 불구하고 베어링 제작 과정은 결코 단순하지 않다. 0.1mm 내외의 얇은 특수 강판을 절단, 절곡, 롤링, 프레스,
수소차, 발전용 연료전지에 적용
이런 독보적인 기술에도 불구하고 베어링 제작 과정은 결코 단순하지 않다. 0.1mm 내외의 얇은 특수 강판을 절단, 절곡, 롤링, 프레스,
열처리 등 복잡한 과정을 거쳐 성형한 뒤 여러 겹으로 겹쳐야 하기 때문이다.
무엇보다 대부분 업체에서 수작업으로 이 포일들을 낱개로 조립해 대량 양산이 어렵고, 용접이라는 특수 공정을 거치기 때문에 부품별 품질의
무엇보다 대부분 업체에서 수작업으로 이 포일들을 낱개로 조립해 대량 양산이 어렵고, 용접이라는 특수 공정을 거치기 때문에 부품별 품질의
일관성을 유지하는 데 한계가 있다.
반면 티앤이코리아는 열 변형과 잔류 응력 문제를 최소화하고 정밀도를 극대화하는 기술의 차별성을 바탕으로 얇은 포일 부품을 모두 정밀 금형으로 제작하고,
반면 티앤이코리아는 열 변형과 잔류 응력 문제를 최소화하고 정밀도를 극대화하는 기술의 차별성을 바탕으로 얇은 포일 부품을 모두 정밀 금형으로 제작하고,
까다로운 용접 공정을 완전히 배제하고 기계적으로 조립하는 무용접 조립 방식을 적용했다.
특히 베어링을 하나의 독립된 모듈(단품) 형태로 생산한다는 점이 가장 큰 경쟁력이다. 기계 본체에 부품을 하나씩 조립하는 타사 방식과 달리
특히 베어링을 하나의 독립된 모듈(단품) 형태로 생산한다는 점이 가장 큰 경쟁력이다. 기계 본체에 부품을 하나씩 조립하는 타사 방식과 달리
모듈형 공기베어링은 그 자체로 조립체 품질검사가 가능하다.
박기철 대표는 “이같은 모듈화와 기계적 조립 방식은 대량생산이 가능해 타사 방식 대비 생산단가를 대폭 절감할 수 있어 가격경쟁력을 확보할 수
박기철 대표는 “이같은 모듈화와 기계적 조립 방식은 대량생산이 가능해 타사 방식 대비 생산단가를 대폭 절감할 수 있어 가격경쟁력을 확보할 수
있다”라며 “베어링 조립체에 대한 품질관리가 가능해 AI 데이터센터용 발전기, 수소차처럼 품질관리가 까다로운 분야에도 적용할 수 있다”고 했다.
티앤이코리아는 공기베어링을 기반으로 수소차용 연료전지와 발전용 연료전지에 들어가는 공기압축기를 납품하고 있다.
먼저 수소차에 적용되는 공기압축기는 시동·정지의 반복, 급가속 등 동적 환경에 노출되기 때문에 시동 내구성, 가속 내구성, 진동과 충격, 온습도
티앤이코리아는 공기베어링을 기반으로 수소차용 연료전지와 발전용 연료전지에 들어가는 공기압축기를 납품하고 있다.
먼저 수소차에 적용되는 공기압축기는 시동·정지의 반복, 급가속 등 동적 환경에 노출되기 때문에 시동 내구성, 가속 내구성, 진동과 충격, 온습도
환경에 대한 고신뢰성 검증이 필수다. 이런 환경변수에 대응하기 위해서는 엄격한 품질관리가 적용되어야 하며, 가격경쟁력도 갖춰야 한다.
티앤이코리아는 승용차용 1단 공기압축기와 상용차용 2단 공기압축기를 독자 개발한 실적과 경험을 바탕으로 국내외 고객사와 협업하고 있다.
지난 2020년부터 수소차용 공기압축기에 사용되는 공기베어링을 해외 업체에 공급하고 있다. 최근엔 한 업체와 2023년부터 공동 개발해온
티앤이코리아는 승용차용 1단 공기압축기와 상용차용 2단 공기압축기를 독자 개발한 실적과 경험을 바탕으로 국내외 고객사와 협업하고 있다.
지난 2020년부터 수소차용 공기압축기에 사용되는 공기베어링을 해외 업체에 공급하고 있다. 최근엔 한 업체와 2023년부터 공동 개발해온
상용차용 고속터보형 2단 공기압축기의 신뢰성과 내구성 시험을 완료했다. 해당 압축기엔 티앤이코리아의 공기베어링, 고속모터, 냉각기술이
적용됐다.
또 정부 지원 과제로 수소상용차용 30kW 2단 터보공기압축기와 인버터 개발을 지난해 완료했다. 이 압축기엔 압축단 1-2단 연결배관이 없어
또 정부 지원 과제로 수소상용차용 30kW 2단 터보공기압축기와 인버터 개발을 지난해 완료했다. 이 압축기엔 압축단 1-2단 연결배관이 없어
크기가 작고 가벼운 장점이 있다.
이러한 기술력을 바탕으로 여러 업체와 협력해 제품을 개발·공급해 글로벌 수소차 수요에 대응해 나갈 계획이다.
이러한 기술력을 바탕으로 여러 업체와 협력해 제품을 개발·공급해 글로벌 수소차 수요에 대응해 나갈 계획이다.
출처 : 월간수소경제(https://www.h2news.kr)
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