한 반도체 고객사가 매우 중요한 용도에 사용할 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)이 포함되지 않은 씰을 찾아왔을 때, 그린 트위드(GT)의 유능한 과학자, 엔지니어, 기술자 팀은 즉시 행동에 나섰습니다. 이들은 고객의 극도로 엄격한 청정도 및 성능 요구 사항을 충족하는 맞춤형 차세대 PFAS 무함유 엘라스토머를 개발했으며, 이 소재는 해당 용도에서 기존 FKM을 능가할 잠재력을 지니고 있습니다. 원래 반도체 제조를 위해 설계된 이 PFAS 무함유 씰링 솔루션은 유사한 지속가능성 및 성능 목표를 가진 다양한 산업 분야에 유망한 대안이 될 것으로 기대됩니다 . 수소 압축은 소재를 한계까지 몰아붙입니다. 수소의 낮은 분자량으로 인해 원심 압축기는 기존 금속 임펠러가 견딜 수 있는 한계를 넘어서는 극한의 속도로 작동해야 합니다. 이러한 과제를 극복하기 위해 스위스의 Greene Tweed 팀은 688 m/s라는 기록적인 끝단 속도를 달성할 수 있는 복합 소재 폐쇄형 임펠러를 개발했습니다. 이는 파열되기 전까지 폐쇄형 설계의 경우 최대 360 m/s, 개방형 설계의 경우 최대 500 m/s의 속도로 작동하는 기존 금속 임펠러의 한계를 거의 두 배로 끌어올린 것입니다.    

이러한 성과를 인정하여, 그린 트위드(GT)는 혁신과 협업의 한계를 뛰어넘기 위한 탁월한 노력을 조명하고 포상하는 권위 있는 ‘혁신상’을 이번 개발을 주도한 3인 팀에게 수여했습니다: 사무엘 스터츠, 기술 관리자; 세바스티앙 콜러, 선임 과학자; 그리고 라이오넬 저마니에, 2급 엔지니어. 

이 특별 행사가 끝난 직후, 구조 및 공학 부품 부문 총괄 매니저인 조지 라와 가 스위스 이베르동레뱅(Yverdon-les-Bains) 사업장에서 그들에게 상을 수여한 직후, 우리는 수상 팀과 만나 복합재 임펠러와 이것이 대규모 청정 에너지 인프라 확장에 미치는 영향에 대해 이야기를 나누었습니다.  

 1. 먼저, 어떤 공로로 수상하게 되셨는지부터 이야기해 보겠습니다. PEEK복합재 임펠러와 이것이 청정 에너지 산업에 미친 영향에 대해좀 더 자세히 설명해 주시겠습니까?   

사무엘 슈투츠: 전 세계적으로 대기 중 이산화탄소 농도의 증가를 억제하기 위해 산업 공정과 운송 분야의 탈탄소화를 추진하는 움직임이 활발합니다. 예를 들어 유리, 타일, 벽돌, 콘크리트 또는 철강을 생산하는 기업들은 모두 현재 천연가스로 공급되는 고온의 화염에 의존하고 있습니다. 수소 가스는 이러한 연속 공정을 대체할 잠재적인 대안으로 보입니다. 이것이 바로 많은 지역에서 수소 파이프라인에 막대한 투자를 계획하고 있는 이유입니다. 그러나 이로 인해 여러 가지 중대한 기술적 과제가 대두되고 있습니다. 

이번 혁신을 통해 우리가 해결한 한 가지 과제는 원심 압축기에서 수소를 지속적으로 압축하는 문제입니다. 실제로, 가장 가벼운 분자인 수소의 경우 임펠러가 효율적으로 작동하려면 믿기 어려울 정도로 높은 회전 속도(실제 끝단 속도)가 필요합니다. 현재의 금속 임펠러는 공기 중 음속 정도에 해당하는 끝단 속도로 회전할 수 있지만, 수소의 경우 그 값의 2배를 훨씬 넘는 속도가 필요합니다. 이러한 속도에 도달하기도 훨씬 전에 원심력이 금속 임펠러를 산산조각 내버릴 것입니다. 복합 재료가 지닌 탁월한 강도와 경량성 덕분에야 비로소 이러한 극한 조건을 달성할 수 있습니다.  

세바스티앙 코흘러:임펠러 응용 분야에서 복합재의 뛰어난 강도 대 중량 비율을 활용하려는 아이디어는 새로운 것이 아니지만, 실제로 기대에 부응하는 부품을 제작하는 것은 복잡한 가공 공정이 수반되기 때문에 훨씬 더 까다로운 일입니다. 저희 팀의 열가소성 복합재 가공에 대한 심도 있는 지식과 창의적인 해결 능력 덕분에, 이처럼 기하학적 구조가 매우 복잡한 응용 분야에서 이 소재들의 잠재력을 최대한 끌어낼 수 있었습니다.  

2. 이번 수상의 계기가 된 임펠러 개발 과정에 대해 말씀해 주실 수 있나요?   

라이오넬 저마니에: 이 프로젝트는 짧거나 단순한 작업이 아니었습니다. 여러 차례의 수정 작업을 거치고, 쿠폰 테스트를 수행하며, 프로세스 개선 과정을 수차례 반복해야 했습니다. 저는 2020년 그린 트위드(Greene Tweed)에 합류한 이래로 이 프로젝트를 진행해 왔기 때문에, 스위스 팀이 600m/s의 팁 속도 목표를 초과 달성하기 위해 기울인 모든 노력에 대해 이러한 인정을 받게 되어 정말 보람을 느낍니다. 

처음에는 다른 설계 방식을 시도했지만, 결과가 기대만큼 좋지 않았습니다. 따라서 섬유 배치를 재검토하고, 시험 중 임펠러가 받는 높은 응력 하에서도 성능을 발휘할 수 있는 적절한 구조를 찾아내야 했습니다. 

시험 장치에 부품을 조립하는 과정도 매우 중요합니다. 고속으로 회전하면 모든 것이 팽창하기 때문에, 임펠러를 회전 중심에 정확히 위치시켜야 합니다. 그렇지 않으면 불균형이 발생하여 부품에 추가적인 응력이 가해지고 진동이 발생할 수 있습니다. 우리는 이 복잡한 하중 조건에서 다양한 구조가 어떤 영향을 미칠지 브레인스토밍하고 시뮬레이션하는 데 많은 시간을 할애했습니다.   

3. 그 영향에 대해 어떻게 설명하시겠습니까?   

세바스티앙: 이 혁신은 수소가 직접 소비되든, 다른 에너지원에서 생산된 에너지를 저장 및/또는 수송하는 수단으로 사용되든 상관없이, 미래의 수소 경제를 실현하기 위한 중요한 발판이 될 것입니다. 어느 쪽이든, 재생 가능 에너지를 뒷받침하기 위해 막대한 양의 수소 가스가 생산되고 이동될 것입니다.  

이처럼 대규모의 가스 처리량을 경제적으로 실현하려면 원심 압축기를 사용해야 하며, 이러한 원심 압축기는 순수 수소 가스를 압축하기 위해 더 빠르게 회전하는 임펠러가 필요합니다. 이러한 임펠러가 없다면, 수소를 압축하기 위해 더 무거운 가스와 혼합해야 하며, 사용 전에 가스를 다시 분리해야 하므로 비용과 복잡성이 크게 증가하게 됩니다. 

또한, 원심 압축기는 현재 메탄, 초임계 이산화탄소 또는 암모니아 압축과 같은 특정 기존 응용 분야에서도 임펠러 재질의 한계로 인해 제약을 받고 있습니다. 복합재 임펠러는 이러한 경우에도 각 단의 압축비를 높여, 단 수가 적고 더 작으며 저렴한 기계를 설계할 수 있도록 도와줄 수 있습니다.   

4. 이 임펠러의 궤적을 어떻게 예상하십니까?  

세바스티앙: 이러한 응용 분야에서 우리 복합재료의 거동 특성을 더 정확하게 예측하기 위해서는 아직 해결해야 할 과제가 많이 남아 있습니다. 기존의 수치 모델은 하중이 부품의 평면 내에 국한되는, 잘 제어된 하중 조건에 대한 강도 및 손상 예측에 주로 의존해 왔습니다. 이번 경우에는 상당한 평면 외 하중과 다방향 하중을 고려해야 하므로, 이를 뒷받침할 유용하고 고품질의 데이터를 확보하기 위해 새로운 모델을 개발하고 수많은 실험 테스트를 수행해야 합니다.   

이번 개발은 임펠러 프로젝트에 대한 고객 지원을 더욱 신속하게 뒷받침할 것이며, 유한 요소 해석(FEA)에 소요되는 시간을 10분의 1로 단축하고 성능 예측 정확도를 높여줄 것입니다. 이는 흥미로운 만큼이나 도전적인 과제이며, 스위스 대학과 협력하여 이 연구를 위해 스위스 정부로부터 상당한 규모의 자금을 지원받을 수 있게 되어 매우 기쁩니다.   

 5. 이번 경험을 통해 얻은 가장 중요한 교훈이나 통찰은 무엇이었습니까?   

라이오넬: 이론적으로는 불가능해 보이거나 이전에 시도된 적이 없는 일이라도 호기심을 갖고 도전해 보세요. 다른 프로젝트에 적용할 수 있는 무언가를 항상 배우게 될 것입니다. 물론, 이 경험은 제 성장에 큰 도움이 되었습니다. 그린 트위드에 입사했을 때 저는 복합 재료에 대한 경험이 거의 없었습니다. 이 프로젝트와 함께 성장해 온 과정은 정말 보람찬 경험이었습니다.  

 6. 혁신 과정을 지원하거나 육성하는 데 기여한 다른 협력자나 리더가 있다면, 그분들의 공로를 인정하고 싶으신가요? 

사무엘: 이번 혁신은 매일 혁신과 최적화를 염두에 두고 일하는 뛰어난 팀의 성과입니다. 또한 성형 작업을 담당해 주신 네나드 스레지치(생산 감독관)와 미코 코브치치(기술자), 그리고 이 부품들의 가공을 담당해 주신 기욤 에비(선임 기술자)와 제레미 프루티그(수습 기술자)에게도 감사의 말씀을 전하고 싶습니다. 이 프로젝트는 규모가 크고 장기적인 사업입니다. 수년 동안 회사가 보내준 지원과 신뢰가야말로 이를 가능하게 한 원동력이며, 이는 살아 숨 쉬는 혁신 문화의 훌륭한 증거입니다.

세바스티앙: 이번 성과는 진정한 팀워크의 결과였으며, 그린 트위드(Greene Tweed)의 첨단 기술 그룹(Advanced Technology Group) 산하에서 구조 및 엔지니어링 부품(SEC) 사업부를 전담 지원하는 이 부서의 수직적 통합과 민첩성이 이 훌륭한 성과를 달성하는 데 핵심적인 역할을 했습니다. 또한, 이번 개발을 “대담한 도전”으로 인식하고 5년 넘게 기술 개발(TD) 프로젝트로 내부 자금을 지원함으로써, 고객사의 상업적 참여를 이끌어낼 수 있는 성과를 달성할 수 있게 해준 SEC 사업부와 그 경영진의 용기를 과소평가해서는 안 됩니다.

7. 혁신가를 꿈꾸는 분들께 해주고 싶은 조언이 있나요?     

사무엘: 실현하기 어려워 보이는 아이디어가 있고, 그 고된 노력이 결국 얻을 수 있는 성과에 비해 과연 가치가 있을지 확신이 서지 않는다면, 포기하지 말고 더 큰 그림을 그려보세요. 자신에게 물어보세요. 이 아이디어를 ‘좋은 아이디어’에서 모두가 원할 만한 ‘탁월한 아이디어’로 바꾸기 위해서는 무엇이 필요할까요? 팀의 힘을 활용하고, 생각을 공유하고 토론하여 좋은 아이디어를 도출한 다음, 그 아이디어를 훌륭한 아이디어로 만들어 보세요!