🔹 ① 액화수소 온도(-253°C)의 절대적 한계가 만드는 ‘재료 선택의 역설’
액화수소 환경은 모든 밸브 기술 중 가장 혹독한 조건이다.
-253°C라는 극저온은 단순히 차갑다는 수준이 아니라 금속의 상변태, 미세조직 수축, 탄성계수 변화, 프랙처터프니스(파괴인성)의 급락을 동시에 불러온다.
이 때문에 다음과 같은 역설이 발생한다.
- 강한 금속일수록 더 취약해진다
일반적인 고강도강(SCM, SNCM 계열)은 극저온에서 탄성·연성이 사라지며 취성 파괴가 빠르게 진행된다.
즉, 강한 재질을 쓰면 더 강해야 할 밸브가 극저온에서 오히려 *‘약점 덩어리’*가 되어버린다. - 스테인리스강도 완벽하지 않다
SUS304L/316L은 극저온 인성이 좋아 LNG 산업에서는 표준이지만,
LH₂ 환경에서는 수소확산 + 극저온 수축 이중 스트레스가 겹쳐 미세 균열이 예상보다 빠르게 성장한다. - 알루미늄 합금은 항복은 강하지만 응력집중에 취약
Al 6061-T6 기반 밸브는 무게·내식성·가공성 모두 탁월하지만
극저온에서의 노치 민감성 증가 때문에, 미세한 절삭흔도 균열 시발점이 된다.
→ 즉, *“어떤 금속을 선택해도 완벽한 정답은 없다”*는 것이 액화수소 밸브 설계의 첫 번째 난제다.
🔹 ② 단열 설계(Insulation)가 구조 설계를 지배한다 — 기계 설계가 아니라 ‘열 설계’
LH₂ 밸브를 설계할 때 가장 먼저 정해야 하는 것은 강도나 유량 특성이 아니라 열유입(Qin) 설계이다.
이유는 단 하나다.
열유입 1W 증가 = 밸브 내부 기화량(boil-off) 폭발적 증가
밸브 단열 설계에서 반드시 고려해야 할 요소는 다음과 같다.
1) METAL PATH 최소화
금속을 통한 열전도는 단열의 가장 큰 적이다.
그래서 LH₂ 밸브는 구조적으로 다음 패턴을 갖는다.
- 스템(Stem)은 가능한 얇게 설계
- 본체와 시트 사이에 열저항 경로(Low Thermal Conductivity Path) 삽입
- 스프링은 본체와 직접 접촉하지 않도록 서스펜션 구조 적용
이러한 설계는 일반 고압밸브에서는 절대 하지 않는 방식이다.
2) 다층 단열(Multi-Layer Insulation, MLI) 적용 여부 판단
밸브 외부에 MLI를 적용할 경우
- 방열은 극적으로 감소
- 그러나 정비성, 누설 검출(helium leak detection), 표면 결로 문제 증가
이 때문에 실차 적용에서는 대부분 반(半)단열 구조나
슬림 본체 + 열차단 부싱 조합을 사용한다.
3) 증발가스 배출 경로 확보
열유입이 완전히 제로가 될 수 없기 때문에
기화된 H₂ 가스가 갇히지 않도록 미세 배출 루트를 설계한다.
이 구조는 일반 수소차단밸브·조절밸브에서는 거의 쓰이지 않는다.
🔹 ③ 극저온에서의 씰링 재료 선택: “고무는 없다”
LH₂ 밸브의 가장 큰 난제는 오링(O-ring)을 쓸 수 없다는 점이다.
액화수소 온도에서 대부분의 고무는 아래와 같이 된다.
- HNBR, EPDM, FKM → 유리 전이(Tg) 이하로 떨어져 완전 경화
- PTFE → 수축 + 딱딱한 슬립 동작으로 동적 씰 불가
- PCTFE(Kel-F) → 유일한 극저온용 후보, 그러나 마모에 취약
그래서 밸브 시트는 100% 금속 시트로 가야 한다.
→ 즉, 극저온에서 가동되는 밸브가 “고무 없이 0.0 g/s 누설 기준”을 만족해야 하는 것이 절대 난제다.
LH₂ 시트 설계 방식은 크게 두 가지다.
- Metal-to-Metal Seating
- 극저온에서 금속 수축이 발생하므로 ‘계산된 간극(Interference)’ 설계 필요
- 유량에 따른 시트 하중 변화를 FEM으로 예측해 기밀성 확보
- Hybrid Metal Seating
- 금속 시트 + 얇은 PCTFE 라이너
- 마모는 줄지만 LH₂ 반복 싸이클에서 크리프 변형이 발생
여기에서 0.1 μm 단위의 핀홀 크랙이 모든 누설의 시작점이 되기 때문에
정밀 래핑·슈퍼피니싱 공정이 필수다.
🔹 ④ LH₂ 밸브 구조의 핵심: 시트 변형(Seat Deflection)을 예측하는 FEM 기술
액화수소 밸브는 상온에서 완벽하게 밀폐되어도
-253°C로 내려가면 ‘열수축 차이’로 인해 누설이 발생할 수 있다.
따라서 설계 시 고려해야 하는 변수는 다음과 같다.
열수축 계수 차이(CTE mismatch)
- SUS316L vs Al6061
- Inconel vs Copper alloy
→ 조합에 따라 시트 하중이 2배까지 차이 난다.
- 시트 콘각 변화(Seat Angle Shift)
극저온에서 밸브 시트의 원추각이 미세하게 변하면
좌굴·틸팅이 발생하며 누설이 발생한다. - 이터레이션 FEM 활용
LH₂ 밸브는 반드시 3가지 조건을 FEM으로 반복계산한다.
- 상온(25°C) 조립상태
- 냉각 직후(-253°C) 수축상태
- 가압 + 냉온 반복싸이클 상태
이 FEM 결과를 시트 하중과 결합해
실제 누설량(Nm³/h) 예측까지 수행해야 한다.
🔹 ⑤ 액화수소 환경 고유의 마찰·마모 문제 — 일반 Cryogenic 밸브와 확실히 다르다
LH₂ 밸브는 LNG 밸브의 경험을 그대로 가져오면 반드시 실패한다.
핵심 차이는 다음 두 가지다.
1) 수소의 결정격자 침투로 인한 표면경화 감소
LNG(-162°C)에서는 문제되지 않는 HELP(Hydrogen Enhanced Local Plasticity) 현상이
LH₂ 환경에서는 확실하게 나타난다.
→ 밸브 스템·시트 표면이 반복 접촉할 경우
미세 국부 변형이 누적되어 마모 가속.
2) 윤활 불가(LH₂ 환경은 어떠한 오일도 사용할 수 없음)
- 오일이 남아있으면 즉시 동결
- 열유입을 증가시켜 결빙
- 화재 위험 증가
그래서 완전 무윤활 설계가 필수이며
대부분 다음 재질이 표준으로 쓰인다.
- MoS₂ 솔리드 코팅
- DLC 코팅
- B4C 기반 초경질 코팅(신규 연구 단계)
- 알루마이트(EMATAL) 마찰저감형
코팅의 마찰계수는 극저온에서 상온 대비 30~70% 변동하기 때문에
실제 LH₂ 온도에서의 마찰시험 데이터 확보가 반드시 필요하다.
🔹 ⑥ LH₂ 반복 싸이클에서 가장 위험한 것: “열충격 + 수축 반복” 파괴 메커니즘
LH₂ 밸브가 견뎌야 하는 대표 사이클은 다음과 같다.
- 상온 보관
- Pre-cooling (-80°C)
- Liquid Hydrogen Injection (-253°C)
- Pressure Cycling (0 ↔ 35MPa)
- Venting & Warm-up
이 과정에서 재료는
- 열충격(thermal shock)
- 저온 취성(cryogenic embrittlement)
- 헤르츠 접촉응력(Hertz Stress)
- 국부 마찰열(Local Heating)
- 수소 확산에 의한 잔류응력 상승
등을 동시에 겪는다.
이 때문에 LH₂ 밸브는 강도 기능보다 ‘무결성(integrity)’ 설계가 우선 순위다.
🔹 ⑦ 결론 — 액화수소 밸브는 기계부품이 아니라 ‘극저온-재료-수소’ 3요소가 얽힌 과학적 시스템
액화수소 밸브 설계가 어려운 이유는
재료·기계·열·유체·수소 확산 등 모든 분야가 서로 얽혀 있기 때문이다.
- 단열 설계 하나가 재료 수축에 영향
- 재료 조합이 시트 하중에 영향
- 마찰계수 변화가 누설에 영향
- 미세조직 변화가 피로 수명에 영향
이 모든 변수를 통합적으로 고려해야
LH₂ 밸브가 0.0 g/s 누설 기준을 만족시킬 수 있다.