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한국형 LNG선 극저온 화물창용 고효율 단열재 개발 및 표준화 선점

국내 조선업계가 전 세계 LNG선박 시장을 싹쓸이하며 수주호황을 이끌고 있지만, LNG 화물창 원천기술 적용으로 인한 로열티 지급규모 역시 늘어나고 있다. 정부와 국내 조선사들은 화물창 국산화를 위해 노력하고 있는 가운데, KCL은 한국형 LNG선 극저온 화물창용 고효율 단열재 개발 관련 과제를 통해 기술개발 및 국제표준 선점에 힘을 보태고 있다.

글 | 이강영 KCL 고분자소재센터 책임연구원 류성호 KCL 고분자소재센터 선임연구원

LNG선 화물창 극저온 단열재 국산화로 로열티 문제 해결

코로나19 여파에도 액화천연가스(LNG) 수요는 빠른 회복세를 보였다. 2021년 글로벌 LNG 거래량은 전년 대비 6% 증가한 3억 8,000만 톤이며, 2040년까지 연간 7억 톤에 달할 것으로 예상된다. 특히 온실가스 저감, 에너지 공급안보 등에 대한 관심이 집중되면서 LNG는 향후 수십 년 동안 청정에너지 전환과 탄소중립 달성을 돕는 안정적이고 유연한 에너지원으로 주목받고 있다.
우리나라는 친환경, 고부가 선박의 대명사인 액화천연가스 운반선(이하 LNG선) 시장에서 2021년 전 세계에서 발주한 LNG선의 89.3%를 수주하여 압도적인 세계 1위의 경쟁력을 확보하고 있다. 이처럼 국내 조선업계가 전 세계 LNG선 시장을 주도하고 있지만, LNG 선박건조의 핵심기술인 LNG 저장탱크(이하 LNG 화물창) 기술특허를 보유한 프랑스의 GTT(Gaztransport&Technigaz)에 척당 선박 건조비용의 5%에 해당하는 약 100억 원의 로열티를 지불하고 있어 국산화가 시급한 상황이다.
LNG 화물창은 선박에 설치되어 LNG를 영하 163℃ 이하로 유지· 보관하는 저장창고다. LNG 화물창 내·외부 간 열전달을 차단해 화물창 내부에 저장된 LNG의 기화를 막고 바깥에 접해 있는 선체가 극저온에 노출돼 손상되는 것을 방지하는 역할을 한다. 국내 조선업계에 따르면 GTT에 지급한 로열티는 현재까지 누적으로 3조 원을 훌쩍 넘긴 상태이다. 최근 ‘IMO 2020’의 발효와 함께 LNG선이 늘어나고 있어 향후 해외에 유출될 LNG 화물창 로열티는 6조4,000억 원에 이를 것으로 예상된다.
이를 해결하기 위해 정부와 국내 조선업계는 고부가가치 LNG선 시장에서 세계 1위의 경쟁력을 유지할 수 있도록 LNG 화물창 기술의 국산화와 가격경쟁력 확보를 시급한 과제로 인식하고 있다. 특히 영하 163℃ 이하의 극저온 영역에서 우수한 강성 및 열전도율을 가진 한국형 LNG선 화물창용 고효율 융합 단열재, 융합 단열패널의 제조공정 기술개발 및 국제표준 마련에 관심이 집중되고 있다.

한국형 LNG 화물창 단열소재 분야 새로운 기술표준 계획

KCL은 산업통상자원부 소재부품기술개발 사업에 참여하여 ‘한국형 LNG선 극저온 화물창용 고효율 단열재 개발’에 대한 국제표준 선점에 나섰다. KPX케미칼에서 총괄주관을 맡고, 한국조선해양, 현대중공업, 삼성중공업, 대우조선해양 등 국내 메이저 조선업체가 수요기업으로 참여한다. 이번 사업은 2021년부터 2024년까지 4년간 수행되며 총 정부출연금 160억 원 규모로 추진된다. 1세부과제 ‘열전도도 및 강도가 우수한 한국형 LNG선 극저온 화물창용 고효율 단열소재개발’, 2세부과제 ‘LNG선 화물창용 단열패널 제조 기술개발 및 표준화’를 통해 GTT 독과점에 대응하고 글로벌 경쟁력을 확보하겠다는 계획이다.
본 사업을 통하여 개발하고자 하는 핵심기술은 영하 163℃ 이하의 LNG 저장을 위해 사용되는 LNG선 화물창용 단열재 및 구조체이다. 극저온 영역에서 우수한 강성 및 열전도율을 가지는 고기능성 단열재 원천소재, 제조공정 기술개발 및 국제표준 선점을 목표로 한다. 특히 KCL 고분자소재센터에서는 세계 LNG 단열재시장의 40% 이상을 점유하고 있는 한국카본과 공동으로 △극저온 LNG 단열재(RPUF, Rigid Polyurethane Foam) 성능평가 기법 정립 △단열패널 시험평가 설비 구축 △기존 LNG선 화물창용 소재 성능평가 기술 보완 △단열 패널 신뢰성 평가 △단열패널 성능평가 국제표준 제안(NP) 및 KS 표준(안)을 마련할 계획이다.
또한 본 사업을 통해 한국형 LNG선 화물창 모델을 구체화하여, 향후 LNG선 화물창용 고효율 융합 단열재 및 융합 단열패널 기술을 개발하고, 정부와 조선업계가 연계하여 기술표준화를 추진하고자 한다. 이를 통해 현대중공업, 삼성중공업, 대우조선해양등 국내 메이저 조선업체와 자체 설계기술로 적용 검토와 함께 국내 LNG 관련 조선업체가 공통으로 사용할 수 있는 전략을 수립할 예정이다.

국내 산업생태계에 적합한 선박용 극저온 단열재 평가 및 표준화 연구

LNG 화물창의 성능은 Boil Off Rate(이하 BOR)에 의해 결정 되며, 이러한 BOR은 단열시스템 구조에 따라 성능이 결정된다. LNG선 화물창을 구성하는 핵심소재로 1차 방벽의 멤브레인, 2 차 방벽 및 단열재가 있다. 그리고 이러한 소재를 사용하여 화물 격납 탱크를 구성하는 방열시스템의 구성물질 및 구조에 의해 외부로부터의 열 유입량과 이로 인한 BOG(Boil Off Gas) 발생량, BOG Compressor 용량 및 Cargo Containment의 내부압력 등이 결정되는 중요한 핵심기술이다.
이중 단열성능에 가장 큰 영향을 차지하고 대부분의 부피를 차지하는 것이 복합 단열재이다. LNG선 화물창용 단열재 및 구조체의 역할을 하는 융합 단열재(유리섬유 강화 폴리우레탄 폼)는 LNG 운송 중 LNG선 화물창 내외의 온도차를 약 200℃ 내외 범위로 유지하며, LNG선 화물창의 구조적 강도를 유지한다. 초저온 보냉재로 사용되는 폴리우레탄 폼의 상온과 초저온에서의 압축강도는 상온보다는 전반적으로 초저온에서 그 강도가 높다. 이는 온도가 낮아짐에 따라 우레탄 결합이 더욱 단단해져 초저온 에서 조금 더 높은 압축강도를 나타내기 때문이다.
이처럼 상온과 초저온에서의 압축강도와는 다르게 인장강도는 다른 경향을 보이기 때문에 상온과 극저온 상태에서의 각각의 면밀한 기준치 설정 및 품질관리가 필요하다.
현재 이러한 모든 LNG 화물창용 성능은 프랑스의 GTT의 성능평가 기준에 따르고 있다. 이러한 성능평가 방법은 국내 시험평가 환경에 부합하지 않은 항목이 많으며, ISO, ASTM 등 표준규격에 부합하지 못하고 명확하지 않은 항목들이 존재한다. 특수제작 장비를 통해서만 평가해야 하는 항목도 존재하여 해외 평가 기관을 활용해야 하는 어려움이 있다. 본 사업과정에서 국내 조선 3사 및 단열재 업체들과 협의를 통해 한국형 화물창에 적용되는 단열재 시험평가 항목 및 방법에 대해 재정립하고, 성능기준을 표준화하는 연구를 추진하고자 하는 이유도 여기에 있다.

선박용 극저온 단열재 시험평가 시장진입 및다양한 소재 확보 기대

현재 1차년도 연구를 통해 단열재 소재의 열전도율을 확보하고, LNG선 화물창용 단열소재 성능 시험평가 기법·절차 정립 및 관련 평가시험 설비구축을 진행했다. 이를 통해 극저온 환경에서의 재료특성 평가방법의 유효성 검증을 위한 시험평가를 수행하였으며, 주요 기관과 데이터 비교를 통해 신뢰성 검증을 마쳤다.
2차년도(2022년)부터는 한국조선해양과 한국카본, KPX케미칼과 함께 표준화 시험법 정립 관련 협의체를 구성하여 기존 규격 검토 및 실제평가를 바탕으로 하여 평가방법의 개선방향 및 필수항목에 대해 지속적인 논의가 이루어지고 있다. 또한 산업부 내에 추진되는 다양한 LNG 화물창 과제와 연계하여 산업계 및 전문가의 의견을 충분히 반영하여 표준을 제정하고자 한다. KCL은 여러 시험평가 인프라를 복합적으로 활용하여 극저온/상온 물성 평가시스템을 구축 중에 있다. 이를 위해 다양한 분야의 원내 신뢰성 평가 및 표준화 전문가의 협업을 통해 성공적인 과제를 수행할 방침이다.
유럽 등 선진국을 중심으로 LNG가 친환경 에너지원으로 분류되어 향후 지속적으로 수요가 확대될 전망이다. 글로벌 LNG선 점유율을 우리나라가 확보하고 있는 상황에서 독자적인 화물창 기술표준화를 통해 고강성 극저온 단열재 분야에 새로운 시험평가 및 성능인증에 대한 시장요구가 커질 것으로 예상된다. KCL은 본과제의 선제적인 표준제정을 통해 새로운 극저온용 단열재 평가에 대한 시험시장을 확대하고, 국가주력 산업 진흥에 기여하여 수출산업 발전에 이바지하고자 한다.

문의 | KCL 고분자소재센터 032-460-5165, 5182