한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 기계공학과 장대준 교수 연구팀이 자유자재로 형상을 조절할 수 있는 격자형 압력탱크를 상용화하는데 성공했다고 30일 밝혔다.

  격자형 압력탱크 기술은 친환경 선박의 LNG 및 액체수소(LH2) 연료 저장 탱크에 활용할 수 있다.  

  대형 선박 1척은 자동차 5000대 분량의 배기가스를 분출한다.

  자동차에 대한 강력한 배기가스 규제와 달리 대형 선박은 그동안 배기가스 규제가 없어 저품질의 중질류를 연료로 사용해 황산화물, 질소 산화물, 미세먼지, 이산화탄소 등을 대량으로 배출해왔다.

  이에 UN 산하의 국제해사기구(IMO)는 대형 선박의 배기가스에 대한 규제를 매년 강화하고 있으며, 2020년까지 선박 연료의 황 함유량을 0.5%, 2025년까지 이산화탄소 배출량을 50% 감축하는 규제를 발표했다.

  이러한 목표 달성을 위해서는 선박 연료가 LNG와 액체수소로 바뀌어야 하는데 이 연료를 저장하는 기술이 가장 큰 기술적·경제적 걸림돌이었다. 

  기존 구형 또는 실리콘형 압력 탱크는 풍선과 유사하게 압력 하중을 막응력(Membrane Stress)으로만 견디기 때문에 표면에 작은 결함들이 성장하면서 전체적으로 파괴되거나, 크기가 커지면서 표면 두께가 증가해 용접이 어려워 대형화에 한계가 있었다.

  특히 실린더 주위는 버려지는 공간이 돼 다수의 실린더를 사용할 경우 실질적 저장 공간이 절반 이하로 떨어져 공간 효율성 문제가 제기됐다.

  이에 연구팀은 격자 구조를 내부에 적용해 기존 압력 용기와는 전혀 다른 설계 이론을 개발했다. 내부 압력을 받는 마주보는 두 면을 격자 구조로 연결하고, 용기 표면은 보강재를 사용해 굽힘 응력(Bending Stress)으로 압력을 견디게 했다. 

  또 레고 블록을 쌓듯이 규칙적인 격자 구조를 반복적으로 사용해 단순하고 일관적인 방법으로 대형화를 가능하게 했다. 

  이러한 설계 구조는 여러 가지 장점을 갖는다. 구조적 다중성으로 안전도를 크게 높일 수 있고, 탱크가 커져도 구조의 두께가 유지되며 최대의 공간 효율성을 보장한다. 

  이 밖에도 격자 구조가 내부 유체의 움직임을 제한해 선박용 LNG 저장 탱크의 가장 큰 숙제인 슬로싱(sloshing, 탱크 내부의 유체의 움직임에 의한 하중) 현상과 피뢰파괴 위험을 획기적으로 낮췄다.

  연구팀은 구조 및 생산 최적화를 통해 다수의 실린더를 단일 탱크로 대체하면서 중량과 비용을 감소시키는 격자형 압력탱크를 개발했다.

  이 기술은 KAIST 기술창업 기업인 래티스테크놀로지에 이전돼 상용화가 추진돼 지난 25일 청항선의 LNG 연료탱크로 채택됐다.

  장 교수는 “압력용기는 물질과 에너지를 저장하는 가장 기본적인 장치로 가정부터 산업까지 다양한 곳에 필요해 원하는 형상의 압력탱크인 격자형 압력탱크의 응용 범위는 매우 넓다”며 “LNG 추진 선박용 연료 탱크 뿐 아니라 육상 산업 설비, 철도, 차량 등에 적용 가능할 것”이라고 말했다.