한국기계연구원 히트펌프연구센터(센터장 송찬호)는 지난 11월26일 한국기계연구원 본관에서 ‘2025 히트펌프데이’를 개최했다고 밝혔다.

 

올해로 2회째 개최되는 히트펌프데이에서는 AI와 디지털전환(DX)을 주제로 지능형 열관리기술의 새로운 방향과 발전가능성을 모색하는 자리로 마련됐다.

 

HP연구센터, 고효율 히트펌프 기술개발 활발

히트펌프연구센터는 2024년 설립 이후 미래 열에너지 전환을 선도하기 위해 △고효율 히트펌프 시스템기술 △히트펌프 핵심기자재기술 히트펌프 응용 △열에너지네트워크기술 △에너지시스템의 열공정 및 고성능에너지변환기술 등을 개발 중이다.

 

참여 중인 주요과제로는 △화석연료 대체를 위한 300℃급 고온히트펌프시스템 △차세대 대체냉매 적용 히트펌프 △대용량 대온도차 산업용히트펌프 △차세대 냉난방기술 스마트설계 플랫폼 △물 적용 압축식 냉각기술 개발 등이 있다.

 

최근에는 △액침냉각 미활용열 능동활용 및 열관리기술개발 과제 △반도체산업 클린룸의 탈탄소화를 위한 고효율시스템 개발 등을 진행 중이다.

 

또한 올해 히트펌프기술로드맵을 발간할 계획이다. 기존 로드맵의 시장동향 업데이트뿐만 아니라 최근 히트펌프 이슈와 전망, 중점아이템 전략품목 등이 담길 것으로 기대된다.

 

특히 MVR 결합 산업용히트펌프관련 부분을 강화시켰으며 디지털트윈 히트펌프 아이템을 기반으로 AI와 디지털트윈기술 등을 접목할 방안에 대한 고민을 담았다.

송찬호 히트펌프연구센터 센터장은 “센터는 인공지능과 디지털트윈기술을 접목하고자 노력 중”이라며 “내년 하반기부터 관련실증과 접목해 시대를 앞장서기 위해 노력할 것”이라고 말했다. 이어 “오늘 행사는 히트펌프에 대한 다양한 이야기를 나누는 소중한 자리”라며 “국내 전문가들이 비전나누며 협력가능성 모색하는 자리가 되길 바란다”고 강조했다.

 

열교환기개발 연구현황 공유

이공훈 히트펌프연구센터 연구위원은 센터에서 진행 중인 열교환기 기술개발 현황을 공유했다.

 

히트펌프연구센터는 △300℃급 고온히트펌프 개발 △차세대 대체냉매 및 고효율 냉난방기기 통합시스템 △대용량·대온도차 산업용 히트펌프 운영기술 △열에너지 다소비 산업설비 스마트설계플랫폼 기술개발 등 다수의 연구를 진행하고 있다.

 

히트펌프에서 주로 활용되는 열교환기 타입은 △Shell & Tube(쉘앤튜브) △판형열교환기 △PSHE 등이다.

 

히트펌프센터는 쉘앤튜브 열교환기 개발 시 터보냉동기에 적용되는 형태로 Low GWP 터보냉동기에 들어가는 만액식 증발기에 적합한 전열관을 확인했으며 소형 전열관 실험장치를 제작해 소형 열교환기 형태로 실험을 수행하고 상관식을 개발하는 등 연구가 진행됐다.

 

물냉매 냉동기과제도 수행하며 부피가 큰 물냉매 냉동기에 적용 가능한 유하액막식 열교환기 기술을 개발했다.

 

랩스케일 전열관 실험장치를 구축해 다양한 전열관성능을 비교하며 이를 시스템에 적용해 시운전 및 분석을 진행한 경험은 이후 R1233zd를 활용한 터보히트펌프 개발에도 활용됐다.

 

이 과정에서 R1233zd 냉매용 실험장치를 새로 구성해 전열관 열전달계수를 측정하며 터보냉동기 시제품 제작에 필요한 열교환기설계에 반영했다.

 

‘스마트설계플랫폼’ 개발 과제를 통해서는 쉘앤튜브 열교환기 설계기술을 개발해 관련 실험장치를 제작했으며 R410A·R1233zd 냉매를 기반으로 한 설계프로그램도 개발했다.

 

핀튜브 열교환기 과제에서는 스마트 설계플랫폼 내 핀튜브 열교환기개발을 수행 중이다. 상용으로 구매 가능한 열교환기를 활용해 물·R410A 등 다양한 냉매조건에서 실험을 진행하며 이를 설계프로그램에 반영했다.

 

현재는 고온히트펌프에 적용 가능한 형상을 산정해 핀튜브 시제품을 제작한 뒤 성능시험을 거쳐 개선하는 단계에 있다. 제습공조기용 핀튜브 열교환기 실험과 설계프로그램도 개발 중이며 열전달실험을 기반으로 관련 설계기술을 확보해나가고 있다.

 

핀튜브 반응기의 경우 화학흡착식 히트펌프에 적용하기 위해 전기화학적 압축기를 이용한 화학흡착식 시스템을 개발하고 있으며 성능계수(COP) 10을 목표로 연구가 진행 중이다.

 

최근에는 액침냉각 흡착식 히트펌프 과제에서도 열교환기·반응기구조를 기반으로 전체 시스템 성능해석프로그램 확장을 추진하고 있다.

 

판형열교환기는 플랜트용으로 개발됐으며 압력강하 실험장치 구성, 전열판 유동 파악을 위한 CFD해석 등을 수행해 상관식 개발 및 설계프로그램 구축이 진행 중이다.

쉘과 판형열교환기를 결합한 Plate & Shell(PSHE)은 일반 판형보다 성능은 떨어지지만 고온·고압에 견디기 쉽고 극저온에서 활용이 가능해 LNG 기화를 위한 목적으로 개발되고 있다. 히트펌프센터는 금형개발, 조립, 열전달실험 등을 수행해 프로그램개발을 진행하고 있다.

 

또 다른 판형열교환기 개발사례로는 하이브리드 흡착식냉동기 과제다. 두 개의 콘덴서간 열량분배를 위한 열교환기 사이즈 설계가 핵심이었으며 현재 시운전까지 마친 상태다.

 

인쇄기판형 열교환기(PCHE)의 경우 간접식 LNG 재기화용으로 활용된다. 히트펌프센터는 열전달계수·압력강하 실험을 통해 LNG 재기화용 열교환기 개발 노하우를 축적하고 있다.

 

또한 P2F(Power to Fuel) 반응기는 기존 부피가 큰 반응기를 소형화하기 위해 마이크로채널 반응기를 개발해 왔으며 고압수소 공급용 PCHE는 고온·고압 조건에서의 강점을 활용해 수소충전소용 고압수소 생산 적용을 준비하고 있다.

 

액체저압수소를 기체고압수소로 전환하기 위한 열교환기 모델 실험에서는 –200℃ 근처에서 발생 가능한 동결 문제를 설계 단계에서 테스트 중이다.

 

히트펌프센터는 쉘앤튜브·핀튜브·판형열교환기를 해석할 수 있는 다양한 설계프로그램을 구축했다. 스마트 열교환기 설계플랫폼을 통해 간단하고 빠른 계산이 가능하도록 했으며 멀티패스 해석까지 고려한 핀튜브 열교환기 계산프로그램, 고온 히트펌프용 핀튜브 열교환기 설계프로그램, Low GWP 터보냉동기용 만액식 증발기 설계프로그램 등이 포함된다.

 

이공훈 히트펌프연구센터 연구위원은 “판형열교환기 설계프로그램을 통해 처음 GUI프로그램 적용해왔다”라며 “또한 PSHE 계산프로그램은 만들어서 기업에 전달해 견적뽑을 수 있도록 한 상태: 완성도 높으며 다양한 기능이 포함됐다”고 말했다.

 

PSHE 설계프로그램은 제작 시에는 △열교환기 형태 △상관식 △유동배열 △물성치 등이 고려돼야 한다. 특히 PCHE의 경우 단상이더라도 물성 변화가 커 이를 반영한 계산이 필요하다. 열교환기 계산방법은 △LMTD △ε-NTU △P-NTU 등이 있으며 이중 P-NTU가 사용이 편리해 주로 활용되고 있다.

 

PSHE 설계프로그램은 성능해석 및 설계가 가능하며 기본 단일패스 외에도 멀티패스계산이 가능하도록 구성됐다. LNG용 열교환기 특성에 맞춰 상변화특성을 반영해 다양한 유동배열과 상관식 선택, 물성치 입력, 결과 도출까지 폭넓게 지원한다.

이공훈 연구위원은 “향후에는 열교환기 종류별 SW 고도화와 통합을 추진할 것”이라며 “사용편의성 개선과 다양한 유동배열 확대 적용, 멀티스트림 구현 등을 통해 실용성을 높일 것”이라고 강조했다.

 

AI 사용에 따른 지적재산권 침해사례 공유

정상태 법무법인 율촌 변호사는 AI관련 법정쟁점 등을 공유했다.

 

AI의 법적쟁점은 크게 △학습단계에서의 침해 △사용단계에서의 침해 △AI 산출물의 보호 여부 등이다.

 

AI 학습단계에서는 저작권·데이터베이스·개인정보·영업비밀 침해 가능성 등이 있다.

 

AI가 소설·그림·설계도면 등 제3자의 저작물을 무단으로 학습하는 경우 학습과정에서 복제가 이뤄지기 때문에 저작권 침해 가능성이 높다.

 

최근에는 학습단계에서 저작권침해이슈가 많이 발생하며 개인정보나 영업비밀이 학습데이터에 포함될 경우 침해 가능성이 높다.

 

정상태 변호사는 “현행 법제에서는 사람만 저작권자·특허권자가 될 수 있다”라며 “AI가 만든 그림·문서·음악·기술적 아이디어는 저작권·특허권 보호대상이 아니다”라고 강조했다.

 

데이터 보호와 관련해서는 부정경쟁방지법 개정으로 크롤링 등 부정한 수단으로 데이터를 취득하거나 이를 사용·공개하는 행위도 불법이 될 수 있다. 이는 저작권 또는 데이터베이스권 침해뿐만 아니라 형법상 배임죄나 영업비밀 침해와도 연결될 수 있다.

 

사용 단계에서도 생성형 AI가 텍스트, 설계도면, 그림 등을 만들 때 제3자의 저작권을 침해할 가능성이 있다. 특히 미국은 공정이용(Fair Use) 조항이 있어 목적·저작물의 성격·복제량·저작권자 피해 정도 등을 기준으로 판단하며, 국내도 유사한 판단 구조를 가진다.

 

정상태 법무법인 율촌 변호사는 “무단학습의 경우 소설 등 창작성이 높은 저작물을 제외한 부분에서 공정이용 가능성이 일부 존재하지만 국내에서는 위법판단가능성이 높다”라며 “연구목적으로 학습한 뒤 후에 영리적·산업적서비스로 활용하는 경우는 위법성이 강화될 수 있다”고 말했다.

 

의료업계, AI·디지털트윈 ‘치료계획·예후예측’ 시대

김남국 울산의대·서울아산병원 융합의학과 교수는 의료 AI와 디지털트윈의 동장으로 인한 의료환경변화를 공유했다.

 

최근 의료는 디지털 트랜스포메이션과 빅데이터, AI가 결합하면서 기존의 직관·경험중심 진단을 넘어 수많은 변수를 동시에 고려하는 ‘정밀의료(precision medicine)’ 체계로 전환되고 있다.

 

유전체·단백질체·고해상도 의료영상 등 고차원 데이터가 임상으로 대거 유입되면서 인간 의사만으로 판단하기 어려운 영역이 늘어나고 있으며 이를 처리하는 핵심 기술로 AI의 역할이 강화되고 있다

 

그러나 의료영상분야는 동일한 장기에서도 작은 점 하나가 중대한 질환의 신호가 될 수 있고 병의 종류는 롱테일 분포를 이뤄 영상 인코더를 안정적으로 학습시키기 어렵다. 이때 병원마다 축적돼 있는 ‘영상–판독문’ 페어데이터가 이를 해결할 핵심이다.

 

판독문은 무료데이터로 이를 활용한 contrastive learning을 통해 비전 인코더·텍스트 인코더를 정렬시키며 이후 projection network로 LLM이 이해할 수 있는 형태로 변환하면 영상과 텍스트를 함께 처리하는 멀티모달 LLM을 구축할 수 있다. 이를 통해 LLM을 1%만 파인튜닝해도 CT 판독문 생성 등 의료특화모델을 빠르게 만들 수 있는 것이 장점이다.

 

병원에서는 작은 LLM에 의료 도메인 지식을 주입하며 필요한 역할을 나눈 에이전트를 구성하는 방식이 가장 현실적이다. 그러나 스몰 LLM을 의료데이터로 파인튜닝할 경우 가드레일 우회나 학습데이터 유출 등의 문제가 발생할 수 있어 안전성 확보가 중요한 과제로 남아 있다.

 

김 교수 연구진은 정상 CT만 학습시키고 비정상영상이 들어오면 재구성오류를 기반으로 이상부위를 찾는 아노말리 맵 기법을 개발해 Nature 계열지에 발표했다.

 

정상영상은 특정 영역에 밀집돼 있고 비정상은 사방으로 퍼지는 분포특성을 이용한 방식으로 응급의료에서 희귀·위험 병변을 빠르게 발견하는 데 효과적이다.

 

또한 15만건의 CT로 학습한 멀티모달 모델을 응급실 전체 환자에게 적용해 정상 환자를 100% 분류해내며 의사 판독 업무량을 약 5분의 1로 줄이는 성과도 얻었다.

 

디지털트윈분야에서는 수술 전 CT를 기반으로 수술 후 얼굴뼈 형태와 연조직 변화를 예측하는 기술도 구축됐다. 8세에서 10세로 성장하는 얼굴 변화를 예측하거나 턱수술 전 영상을 넣고 수술량을 20%, 60%, 100%, 160% 등으로 조절하면 수술 후 영상 전체를 AI가 생성하는 방식이다. 이는 실제 영상과 AI 생성 영상을 섞어 블라인드 테스트한 결과 대부분 1.5mm 이하의 오차로 높은 정확도를 보였다.

 

김 교수는 “의료 AI는 단순 판독을 넘어 멀티모달 분석, 에이전트 기반 진료 자동화, 디지털트윈 기반 치료계획 등으로 확장되고 있다”라며 “의료의 복잡성을 고려할 때 AI는 앞으로 필수 도구가 될 것”이라고 강조했다.

 

LG전자, 글로벌 HP 컨소시엄 구축 활발

사용철 LG전자 연구위원은 LG전자에서 진행하고 있는 글로벌 히트펌프 컨소시엄을 소개했다.

 

LG전자 ES본부의 주요사업영역은 HVAC으로 주거·상업·산업시설 등 다양한 공간에서 최적화된 공조토탈솔루션을 제공하고 있다.

 

△가정용 △상업용 △산업용 등 히트펌프를 모두 다루고 있으며 최근 유럽 등에서는 가스보일러를 전기화하기 위한 공기열원 히트펌프 보급확산세를 감안해 공기 대 물(ATW) 히트펌프 개발도 활발히 진행 중이다.

 

사용철 LG전자 연구위원은 “산업용 터보냉동기·스크롤칠러·흡수식칠러·GHP 등 다양한 제품군을 개발하고 있다”라며 “최근에는 주로 가정용과 산업용히트펌프 전기화에 따른 사업확장을 진행하고 있다”고 말했다.

 

최근에는 히트펌프시스템 개발을 고도화하며 사업을 확대하기 위한 관련 연구인프라 확대와 인력양성 확충의 필요성을 공감하고 컨소시엄을 구성해 운영 중이다.

 

LG전자는 과거 부산대를 중심으로 국내 컨소시엄을 운영해왔으며 지난 2023년에는 서울대, 고려대, 국민대 등과 컨소시엄을 운영하고 있다.

 

글로벌 컨소시엄의 경우 해외에서는 북미지역을 시작으로 알래스카 페어뱅크스·앵커리지 등과 실증 연구를 확대했으며 독일 프랑크푸르트에 지역거점 R&D 수행을 위한 연구소를 만들었으며 노르웨이 오슬로, 이탈리아 나폴리 등 대학과 컨소시엄을 구성하고 있다.

 

중국 하얼빈공대와 상하이교통대 등과도 컨소시엄을 구성했다. LG전자는 지역거점대학중심 컨소시엄을 구성해 히트펌프기술 주도권을 확보하며 글로벌네트워크 강화할 방침이다.

 

사용철 연구위원은 “컨소시엄이 구성된 지역에서 필드테스트 등을 진행하며 성능검증 진행 중”이라며 “관련교수진은 국내 52명, 해외 14명 등으로 분포돼있다”고 말했다.

 

LG전자는 각 지역에서 필드테스트를 진행하며 제품의 성능을 실제 환경에서 검증하고 있다. 알래스카 페어뱅크스에서는 북미 한랭지지역 운전특성 및 경제성분석, 저온방치, 극저온 단속실험 및 경제결빙특성 분석 등을 진행했다.

 

앵커리지에서는 저온·고습조건에서 착·제상 제어로직을 검증하고 한랭지 히트펌프 신뢰성 검증과 개선점 도출 등을 진행했다.

 

또한 일리노이 마호멧에서 멀티브이, 히트펌프 온수기, 태양광·ESS 기반 제로에너지 하우스 실증을 진행해 히트펌프 사용 시 외기온도에 따른 건물난방부하 만족한다는 것을 확인했다.

 

유럽 오슬로에서는 R290 냉매기반 ATW 히트펌프를 설치해 급탕·바닥난방·재상 제어로직 등을 검증하고 있으며 중국 하얼빈에서는 혹한기 라디에이터 난방과 결합한 히트펌프 운전 이슈, 눈 적설 환경에서의 제상특성 등을 집중 분석하고 있다.

 

LG전자는 미국 워싱턴 D.C. 인근 PNNL에서 냉난방·급탕 통합시스템의 실효성을 검증하는 연구도 진행하고 있다. 기존 유니터리시스템과 히트펌프 온수기를 비교해 에너지절감 가능성을 분석했으나 초기시스템 구성에서는 냉매배관 구성, 히터제어 부재, 덕트구조 불일치 등으로 성능이 제한적이었다. 이에 따라 LG전자는 물탱크 내부 냉매코일을 이용한 방식, 히트펌프로 1차 가열 후 전기히터를 보조로 사용하는 방식, 캐스케이드 압축기 1·2단 구조를 활용하는 방식 등 복수의 시스템 구조를 재설계해 실증하고 있다.

 

LG전자는 히트펌프 경쟁력 확보를 위한 10대 혁신기술분야를 정의했다. 주요 연구분야는 △한랭지성능 강화 △트로피컬 성능 강화 △부하대응운전 △착·제상조건 대응 △핵심부품 경쟁력 강화 △차세대 냉매 활용 △인공지능 도입 △동시운전 및 고온출수환경 제공 △에너지저장 이용 등이다. 이러한 기술개발을 통해 난방·급탕 전기화 속도에 대응하고 각 기후대별 최적화된 시스템 성능을 확보할 계획이다.

 

사용철 연구위원은 “현지에 인력을 배출하고 지역 자체적으로 R&D 역량을 만드는 것이 목표”라며 “컨소시엄과 글로벌네트워크를 적극 활용해 국내에서도 현지완결형 밸류체인을 구축할 것”이라고 강조했다.