세계 유일 원천 냉각기술로 산업 전분야에 걸친 냉각장비 개발
극저온/초고진공 전문 기업 ㈜오페론
전 세계에서 유일하게 -156°C 급 극저온 냉각시스템을 개발해 수십 개 국에 수출하고 있으며 세계 시장의 -120°C급 동결건조기 수요 전체를 공급하고 있는 기업이 우리나라에 있다. 극저온 냉각시스템 원천기술을 응용해 다양한 산업분야의 극저온/초진공 관련 장비를 개발하고 있는 ㈜오페론을 찾았다.
“Operon Infinite Potential”
1991년 설립된 ㈜오페론은 창립 이래 극저온, 초저온(-203°C ~ +300°C) 및 초고진공(10-10torr) 분야의 기술개발 및 제조에만 전념해온 극저온/고진공 전문 기업이다. 또한 민간부분에서는 최초로 2011년에 기업부설 극저온 연구소를 설립하여 극저온 및 초고진공 분야의 연구개발에 매진하고 있다.
㈜오페론의 김진표 이사는 “우리의 슬로건인 ‘Operon Infinite Potential’ 은 오페론의 원천기술을 적용하여 발전시킬 수 있는 새로운 첨단분야가 무궁무진하며, 오페론의 기술은 무한 잠재력을 가지고 있음을 뜻합니다.”라면서 세계 최초로 국제특허 등록 된 극저온 냉각시스템의 원천기술을 바탕으로 동결건조기, 극저온 테스트 챔버, 극저온처리기, 고도시험기, 항공유 칠러 등을 제조하여 미국, 유럽, 중동 등 24개국에 직수출하고 있다고 설명했다.
이 원천기술은 -156°C 급 극저온 냉각시스템에 대한 것으로 기존의 액체질소 사용 방식을 대체한다. 액체질소를 사용하지 않고 전기적인 압축기(Mechanical Cryo) 방식으로 -156°C 이하의 극저온 상태를 만들어 낸다.
얼음이 형성되지 않는 온도인 -135°C ~ -150°C 이하의 영역에 시료를 급속히 통과시키면 냉각 중에 얼음 결정이 생기지 않아 시료가 변성되지 않고 수년에서 수십 년 간 장기간 보존이 가능하다. 또한 액체질소를 사용할 때 생기는 고비용, 고위험, 번거로움, 시료오염의 위험 등을 피할 수 있다. 이 기술은 2000년도에 미국(US6, 622, 518 B2), 독일(101 94 530), 중국(130411), 한국(PCT no.0337791), (Japan-pending) 에 국제특허 등록되었다.
“-150°C의 냉각 시스템을 개발하게 된 발단은 줄기세포 보존을 위한 것이었습니다. 2000년도 즈음에는 냉각 관련 시장이 초저온, 실험용 동결건조 정도의 기초 장비만 있었고 극저온은 주로 액체질소를 사용하고 있던 시절입니다.
줄기세포를 장기 보존 하기 위해서는 얼음이 생기지 않는 비결정상태로 냉각해 이를 계속 유지해야 반영구보존이 가능합니다. 당시 일본 Sanyo나 미국 Revco 등 전세계 두어 기업이 이에 맞는 제품을 시판 중이었으나 가격이 굉장히 비쌌었는데, Operon 의 기술 개발과 신제품 출시로 당시 가격보다 절반 가격으로 시장가격을 끌어 내렸고 , 결국 미국, 일본의 선발업체들을 시장에서 퇴출시키는데 결정적인 역할을 하였습니다.”
이 외에도 ㈜오페론은 -203°C 급 극저온 다원냉동장치(Patent no.:0469537), 및 원심진공농축기(Patent no.0330734), 동결건조시스템, Twin Heart 냉동고 시스템 등 20여개의 특허를 보유하고 있다.
유기용매 전용 동결건조기 / 에너지 50% 절약형 동결건조기 시리즈, 세계에 공급 중
주력아이템은 동결건조기와 극저온 냉각장치다. 동결건조는 얼린 상태에서 승화를 시키므로 원물의 맛, 향, 조직, 영양성분이 그대로 남아있다. 건조가 끝나고 진공포장만 잘하면 반영구 보존이 가능하다.
“최근 동결건조기에 대한 수요가 팽창하고 있습니다. 제약 시장뿐만 아니라 식품이나 농산물 시장의 수요가 다양화 되고 있습니다. 한 예로, 한의원에서 주로 사용되는 한약용 원료, 지역특산물 등의 건조 유통 수요가 많이 늘어난 것을 꼽을 수 있습니다.”
오페론의 최신특허기술이 적용된 신제품 FDTA / FDTE 시리즈 동결건조기는 승화열 공급에 필요한 에너지를 냉각기 Compressor 의 압축 토출가스를 재활용하여 운전 에너지를 50% 이상 절감 할 수 있는 획기적인 제품이다. 또한, 어는 점이 -90°C ~ -120°C 의 유기용매가 포함된 시료를 예비동결 및 동결건조 하기 위해서는 -120°C 이하의 냉각장치가 필요한 데, 오페론에서 유기용매 전용 동결건조기(FDCF 시리즈)를 개발하여 전세계 수요의 대부분을 공급하고 있다.
다음으로 진공 증착 분야는 고진공과 극저온 기술을 같이 쓰는 대표적인 경우다. 고진공 상태를 얻을 수 있는 방법에는 물리적으로 진공상태를 만드는 것과 냉각을 통한 것이 있다. 온도가 낮아지면 압력이 낮아져 초고진공 상태가 가능하다. 물리적인 방법은 냉각방식보다 훨씬 비효율적이다. 때문에 냉각을 잘하는 것은 곧 고진공을 쉽게 얻을 수 있는 필수 요건이다.
“저희 제품의 가장 큰 장점은 극저온 및 초고진공의 원천기술을 바탕으로 한 강력한 냉각력입니다. 온도에도 품질이 있고, 같은 온도라도 그 힘의 크기가 다릅니다. 액체질소로는 얻을 수 없는 온도의 구현이 가능하고, 액체질소가 할 수 없는 정밀성과, 안전성을 바탕으로 동결건조, 화학공정, 식품분야, 제약, 의료, 우주항공 등 전분야에 걸쳐 적용이 가능합니다.”
김 이사는 전기방식의 냉각기 시장 전망에 대해 “액체질소가 워낙 오랫동안 쓰여왔기 때문에 시장이 아직 크다고 볼 수 없습니다. 그러나 액체질소는 계속 증발하기 때문에 계속 부어주어야 하는 번거로움이 있으며 온도가 불규칙하여 자칫 중요한 시료의 손실을 초래할 위험도 있습니다. 또한 동상을 입는 사고가 있을 수 있습니다. 그 자체나 공급 및 제어라인에 오염원이 있을 수도 있어서 시료에 교차 오염의 가능성이 있는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 전기적인 컴프레셔 방식(Mechanical Cryo) 의 냉동고는 전기 공급에 대한 백업 확보만 있다면 확실한 보관이 가능합니다. 액체질소의 한계 때문에 시장의 흐름은 점차 바뀔 수 밖에 없습니다.” 라며 힘주어 말했다.
원천기술의 보유와 초저온 분야 중 시장이 희소한 분야의 존재로 오페론에서만 취급 가능한 장비들이 다수 있고 오페론의 자체 연구소를 통해 의뢰형으로 개발되기도 한다.
“선반냉각형 초저온 냉동고, 열악한 설치 환경(+40°C) 용 Power plus 냉동고, 독립제어용 초저온 냉동고, Ultra Safe (Twin Heart) freezer, Portable Stoppering system, -170°C급 극저온 테스트 쳄버, -203°C급 진공 증착용 극저온 쿨러, -120도급 유기용매 전용 동결건조기, -120°C ~ -60°C급 순환 칠러, 에너지 50% 절약형 동결 건조기, -120°C급 황산, 염산 등 산(Acid) 전용 콜드트랩 / 동결건조기, -130°C급 급속 판형 냉각기, -156°C급 줄기세포 보존용 극저온 냉동고, -180 ~ +180°C급 재료시험기 등은 오페론에서만 찾을 수 있는 제품들입니다.”
주요제품 소개
* FDTA-5050(에너지 50% 절약형 동결 건조기)
Chamber/Control/Engine/Trap/Vacuum로 구성되어있으며 50kg (Water 100%) / 2.85m2의 건조면적을 갖는다. 선반온도는 -50°C ~ +50°C이며 예비동결이 자체적으로 가능하다. 특히 소비전력은 AC380V 3Ph, 4P (R-S-T-N) + G, 10A 미만으로 / 3.5kW(Run), 7.5kW(기동 시) 다른 전기방식의 제품보다 전기 에너지가 50%나 절약된다. 컴프레셔에서 나오는 폐열인 50~60°C 정도의 뜨거운 가스를 특화된 열교환기를 통해 Bypass 시켜 승화열로 재활용하고 이 장비를 설치해서 사용하는 공간의 실내 온도도 항온항습기나 에어컨의 용량을 최소화하여 운전할 수 있어 에너지 저감에 큰 효율을 낼 수 있다.
“에너지 50% 절감형 동결건조기 출시 후, 농산물, 식품 분야와 지역특화사업과 연계된 시장에서 문의가 쇄도하고 있으며 지난 해 10억여원의 매출 신장에 큰 역할을 하였습니다.”
* FDCF-12012(유기용매 전용 동결 건조기) - Lab Scale
어는점이 -100℃ 이하의 시료의 경우 예비동결을 하기 위해 고가의 극저온 냉동고를 별도로 구비하거나 액체질소를 이용해야 하는데, 비용뿐만 아니라 실험자에게 위험하고, 구조적으로도 어려움을 겪어왔다. 또한 일반 -86℃급 냉동고에서는 시료가 제대로 얼지 않아 어려움을 겪거나, 얼린 시료를 건조실로 옮기는 과정에 금방 녹아버려 실험에 실패하는 경우가 많다.
“오페론의 유기용매전용 케미컬프리 FDCF는 국제특허등록 된 -156℃ 극저온 냉각 시스템과 -203℃ 극저온 냉각장치의 원천기술인 Operon Cryogenic Auto Cascade System을 적용하여 급속동결 및 신속제상 기능을 실현했습니다. -120℃ ~ -137℃의 강력한 냉각력의 콜드트랩으로 어는 점이 -117℃ ~ -95℃가량되는 에탄올, 메탄올, 아세톤, 헥산, Iso-Octane등 유기 용매도 손쉽게 포집할 수 있습니다. 스텐레스 5단 미니트레이를 이용하여 -120℃이하의 온도에서 자체냉각이(Pre-freezer내장) 가능하여 신속하고 편리하며 경제적으로 실험을 하는데 매우 적합한 제품입니다.”
또한 최근 유기용매 전용 동결 건조기?생산용(어는점 -90°C ~ -120°C 의 유기용매를 포집)을 출시했다.
* 박리용 판형 급속냉각기(Plate freezer) : -80°C ~ -130°C / 사이즈(S / M / L / XL)
“모니터 등 전자제품의 불량품을 재생산하려면 만들어진 상태를 조심히 박리해야 하는데 이것은 매우 어려운 일이었습니다. 이전까지는 액체질소로 수작업하며 원시적이고 생산효율성 적은 방식으로 해왔는데, 이 판형냉각기를 출시 후 문의가 많이 들어오고 있습니다.”
* 휴대용 스토퍼링 시스템 Portable Flask Stoppering System(휴대용 프라스크 스토퍼링 시스템)
남극, 북극 등 극지나 실험실에서 적은 량의 시료를 간편하게 실험을 할 수 있는 컴팩트한 구조로 건조가 끝난 후 진공상태에서 뚜껑을 닫으므로 오염에서 자유롭고, 간편한 멸균 구조로 오지에서 채취한 시료를 응급 질병이나 진료에 대한 신속 대응을 위해 본국으로 긴급 송부 할 수 있다. 어떤 기성 동결건조기와도 호환이 가능한 설계와 간편한 예비동결 구조가 강점이다.
규격은 Stoppering system: Ø110mm x L430mm, Borosilicate Flask : Ø115mm(id) x L220mm, Shelf size : Ø110mm x 2ea, Sample loading capacity : Ø22mm x 24vials 다.
*극저온 처리기: L.N2 전용 / 냉동기 + L.N2 겸용 / 냉동기 전용 (금속 등 재질의 극저온 처리 : -196°C ~ -100°C)
액화 가스를 영하 165도 이하의 극저온 상태에서 운반해야 하는 LNG 운반선이나 극저온에 노출되는 금속재료의 경우 그 온도에서 견딜 수 있는 물성에 적합한지 인장강도나 타격실험, 피로실험 등을 통하여 극저온 노출 테스트할 수 있는 장비다.
“최근 문의가 많이 들어오고 있는 제품입니다. 기존에는 액체질소로 피로도 테스트를 하였는데, 이를 3~6개월간 장기간 하려면 부어주는 액체질소만 수억이 될 수 도 있었으나 당사의 장비는 전기적인 압축기 방식(Mechanical Cryo) 의 장비로 비용면에서나 에너지 소비면에서도 훨씬 효율적이며 정밀한 테스트가 가능합니다. 또한 금속을 극저온처리 하면 금속의 이온이 정렬하면서 강도는 세지고 탄성, 내마모성 및 내구성이 좋아지는데 선진국에서는 이 극저온 처리가 산업용으로 쓰이기도 하고, 특정 매니아 층을 중심으로 금관악기, 고급오디오케이블 등을 극저온 처리하여 음질을 높이거나, 저항을 줄여 전도성을 좋게 하며 골프채, 자동차 휠, 절삭공구 등의 극저온 처리에도 다양하게 이용되고 있습니다.”
곧 출시될 제품으로는 우주환경테스트 쳄버가 있다. 진공도 10-10TORR ~ 10-4TORR 의 초고진공과 / 온도 -120°C ~ +180°C 의 광범위한 온도 환경을 제공하는 테스트 쳄버로써 대부분 주문제작 형태로 제작되고 있다.
국내 유일 민간 극저온연구소, 빠른 개발력과 365일 R&D
㈜오페론의 극저온연구소에는 5인의 연구인력이 R&D에 매진하고 있으며 테스트 의뢰 작업도 많이 하고 있다. 자체적 개발제품의 성능 테스트는 물론 식품 제약 우주 항공 선박, 조선해양, 항공우주 등 광범위한 분야의 위탁 실험 뿐 만 아니라 IQ, OQ Validation 등을 도맡아 하고 있다.
“초저온/초고진공 관련 분야는 시장이 매우 특수하고 작지만 반드시 필요한 부분들입니다. 극저온과초고진공 실험의 대부분과 동결관련 실험의 30%는 우리 연구소를 거쳐 간다고 할 수 있습니다. 식품 농산물 등 자연원료에 대한 실험은 이미 많은 데이터가 공개되어 있지만 나머지 특수한 분야는 어떤 기술로 어떤 반응과 현상이 생길지 모르는 경우가 많은데 그런 경우의 의뢰가 많습니다.”
극저온 또는 초고진공을 전문으로 하는 연구기관은 민간에서는 ㈜오페론이 유일하다.
“국책연구기관에도 장비들이 있으나 수요를 따라가지 못하거나 실험 비용이 엄청나게 차이 납니다. 무엇보다 저희는 직접 만들고 직접 테스트를 하기 때문에 유리합니다. 다른 연구기관에서 1년이 지나도 못하는걸 10일이면 가능한 실험도 있습니다. 저희는 제품 개발과 타당성검토, 제작을 함께 하기 때문에 소비자가 원하는 조건에 맞춰 바로 개발할 수 있어 연구소 설립 후 매출에도 많은 신장이 있었습니다.”
사용자 입장에서 Pilot 급 장비를 도입 단계에서는 그 성과를 확신할 수 없는 경우가 다반사다. 불확실한 상태에서 장비를 무작정 구매하기에는 큰 부담을 안고 시작할 수 밖에 없는데, 부설연구소의 전담 연구원을 통하여 사전 시료테스트를 해주고 있다.
“유상이지만, 테스트 후에 6개월 이내에 장비를 구매하는 소비자들에게는 그 테스트 비용을 돌려주거나 장비가격에서 감해주는 프로그램을 운영하면서 소비자들도 만족해 하고 있습니다. 또한 테스트를 한 경우 장비 구매율이 훨씬 높게 나타났습니다.”
기본적인 점검 서비스 이외의 모든 수리서비스는 본사의 전문 엔지니어가 담당하고 있으며, 경우에 따라 가까운 일본이나, 중국, 동남아시아까지 AS 를 커버하고 있다. 무엇보다 고장이 없도록 제조단계부터 심혈을 기울여 만든다는 신념으로 제품을 제작하고 있다.
“가격적으로는 중국산과 경쟁하고 품질로는 전통적 우세함을 가진 미국, 유럽산과 경쟁하는 상황으로 동결건조 시장의 수요는 양분되고 있으면서 다양화 되고 있습니다. ㈜오페론은 고급형과 경제형 모두를 개발하고 있습니다. 원천기술을 바탕으로 지속적인 기술개발과 신제품 개발에 박차를 가하는 한편 사용자의 요구에 맞춘 주문형 생산과 신속한 대응으로 소비자의 만족에 부응하고자 합니다. 더불어, 설계와 엔지니어링 분야를 강화하여 고부가가치 제품으로 대접받을 수 있도록 최선의 노력을 다하겠습니다.”
우주/항공분야와 신재생 에너지 분야까지 영역을 넓혀나가고 있는 ㈜오페론이 초저온/초고진공 분야의 유일한 기술력을 가진 세계적인 기업으로 더욱 우뚝 서길 기대한다.
<이 기사는 사이언스21 매거진 2016년 7월호에 게재 되었습니다.>
이전기사 :연세대학교 공과대학 전기전자공학과 김현재 교수
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