영하 120℃ 이하·15kW급 반도체 공정용 칠러 개발

한국기계연구원이 영하 120℃ 이하에서 15kW의 냉각성능을 내는 반도체 제조공정용 극저온 칠러를 개발했다. 지구온난화지수(GWP)가 0인 질소를 냉매로 사용하며, 국내 기업에 기술을 이전해 내년 제품 출시를 목표로 하고 있다.

기계연은 탄소중립기계연구소 에너지저장연구실 고준석 실장 연구팀이 터보-브레이튼 방식의 대용량 극저온 냉각시스템을 개발하고, 산업용 칠러로 제작해 자체 성능시험을 마쳤다고 밝혔다. 장비 크기는 가로·세로 각각 1.6m, 높이 2.1m로, 핵심부품부터 시스템 설계·제작, 운전·제어에 이르는 기술을 자체 확보했다.

반도체 표면을 깊고 정밀하게 깎는 식각 공정에서는 발생하는 열을 제거하기 위해 영하 100℃ 수준의 냉각유체를 공급하는 극저온 칠러가 필요하다. 기계연은 기존 증기압축 방식의 칠러가 지구온난화지수가 높은 냉매를 사용하는 경우가 많고, 냉각용량을 늘리는 데도 기술적 한계가 있다고 설명했다.

연구팀은 질소 기체를 압축하고 팽창시키는 과정에서 냉각효과를 얻는 터보-브레이튼 방식을 적용했다. 시스템 운전 압력은 10기압 이하로 설계했다.


핵심부품인 터보기계에는 윤활유 없이 회전축을 지지하는 자기베어링을 적용했다. 분당 6만 회전으로 작동하는 무급유 터보기계를 자체 개발해 극저온에서 윤활유가 얼면서 발생할 수 있는 고장과 성능 저하 문제에 대응했다. 냉각 온도와 용량을 폭넓게 조절하도록 하고, 설치 공간을 줄이기 위해 구조 단순화와 소형화 설계도 적용했다.

자체 성능시험에서 칠러는 운전 시작 후 30분 이내에 영하 120℃ 이하에 도달했으며, 60분 이내에 목표 냉각용량인 15kW의 부하 운전에 성공했다. 정격운전 조건에서 소비전력은 90kW, 소비전력 대비 냉각성능을 나타내는 시스템 성능계수(COP)는 0.167을 기록했다.

이번 성과는 연구팀이 2024년 영하 100℃에서 10kW 이상의 냉각성능을 입증한 뒤 이를 산업용 칠러로 고도화한 것이다. 관련 기술은 반도체 칠러 제조기업인 차고엔지니어링에 이전됐다. 기계연은 반도체 식각장비를 비롯해 대용량 극저온 냉각이 필요한 산업 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.


고준석 실장은 “2024년 산업용 칠러 개발을 목표로 제시한 이후 연구진의 노력으로 이를 제품화 가능한 수준까지 발전시킬 수 있었다”며 “반도체 제조현장뿐 아니라 다양한 미래 유망 산업 분야에서 활용할 수 있는 산업용 극저온 냉각기술을 지속적으로 개발하겠다”고 말했다.

연구는 기계연 기본사업인 ‘반도체 제조공정용 터보-브레이튼 초저온 냉각시스템 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.