전 세계적으로 기후위기를 벗어나기 위해 탄소중립에 집중하고 있다. 특히 친환경 냉매로의 전환을 위해 글로벌 냉매 전문기업은 물론 적용기업들간의 R&D경쟁이 심화되고 있다. 우리나라도 탄소중립 실현을 위해 친환경 냉매 전환은 물론 친환경냉매 개발이 선행돼야 한다는 목소리가 높다. 이에 따라 정부에서 냉매사용이 많은 자동차와 가전제품에 적용될 친환경 냉매 R&D에 적극 지원하고 있다.

정부 R&D에 적극 참여하고 있는 최금배 YM레미 연구소장을 만나 개발 배경 및 현황에 대해 들어봤다. 기계공학과를 졸업하고 일본 대학원에서 NEDO 프로젝트를 통해 CO₂ 냉매 히트펌프시스템 연구를 수행한 최금배 연구소장은 이후 덴소 본사에 입사해 약 13년동안 자동차용 냉난방시스템을 개발했다. 특히 CO₂ 냉매와 R1234yf냉매 적용을 위한 새로운 시스템 개발의 전 과정을 경험한 것이 현재 레미에서 국책과제를 수행할 수 있는 밑거름이 됐다. 

YM레미는 성상제 회장의 친환경에 대한 선견지명으로 2007년 벤처기업을 인수하면서 와이엠 환경연구소로 시작했다. 이후 2012년 경주공장을 인수하며 국내 유일 친환경 냉매 생산과 R&D 조직을 갖춘 현재는 작지만 앞으로는 강소기업이 될 것이다.

현재 자동차용과 가전용 친환경 냉매 개발을 위해 YM레미를 포함해 수십명의 산·학·연 전문가들과 함께 협업하면서 고군분투하고 있다.  

자동차 과제는 2020년 시작해 4년차 과제로 올해가 최종연도다. 수요처인 현대자동차를 중심으로 에스트라 오토모티브가 주관기관으로 시스템 및 실차평가를 수행해 차세대 냉매에 대한 기초연구 성과가 도출됐다. 지난 10월초에는 SAE TMSS에서 한국자동차연구원이 연구성과를 발표했으며 글로벌 전문가들로부터 긍정적인 피드백을 받았다. 우리나라도 할 수 있겠다는 자신감을 얻고 돌아오는 큰 수확이 있었다. 

가전과제는 2021년에 시작됐으며 총 5년과제 중 올해가 3년차로 1단계 평가를 받게된다. 수요처는 오텍케리어, 주관기관은 한국기계연구원으로 그동안 VRF R410A 대체 가능한 친환경 냉매 후보가 결정됐으며 차년부터는 객관적인 시스템평가를 통해 성능검증을 진행하며 완성도를 높여나갈 계획이다. 특히 가전과제는 혼합냉매의 핵심원료 국산화를 위해 합성에 대한 기초데이터를 확보했으며 현재 고순도 정제기술 개발이 순조롭게 진행되고 있다. 

전기차시장이 급격히 도래하면서 친환경 냉매인 R1234yf 단독으로는 히트펌프시스템의 난방성능 확보가 어려워 모든 OEM이 고가의 전기히터를 보조난방수단으로 추가함으로써 난방을 위한 배터리 에너지소비량이 증가해 결국은 주행거리가 짧아지는 문제를 겪고 있다. 

최근에는 글로벌 냉매 규제를 리드하고 있는 유럽에서 추가로 PFAS규제를 준비하고 있어 R1234yf가 규제대상에 포함돼 더욱 혼란스러운 상황이다. 이러한 글로벌 정세속에서도 우리 연구팀은 R1234yf(R134a 포함) 냉매대체가 쉽게 가능토록 현재 양산 적용되고 있는 시스템과 부품의 최소한의 변경으로 적용가능토록 친환경 냉매 솔루션을 도출했다. 또한 주행거리 향상을 위해, 그리고 히트펌프시스템 가격경쟁력을 위해 전기히터없이 단독 히트펌프로 난방성능을 낼 수 있는 혁신적인 냉매 솔루션을 도출했다. 

 

R1234yf(R134a 포함) 대체냉매 솔루션의 실차 성능평가 결과, 냉방성능은 동등 수준이면서 소비전력은 9.5% 열세를 보였지만 난방성능은 실내온도값으로 2℃ 이상 우수하고 소비전력도 11% 절감이 가능함을 검증했다. 이번 결과는 R1234yf 시스템변경없이 개발냉매를 주입한 것으로 시스템 및 부품 최적화시 냉난방 성능과 효율의 개선여지는 충분히 있다고 보여진다.  

또한 실차 연비평가 결과 외기온도 0℃ 조건에서 시가지와 고속도로 주행을 가정한 복합연비 조건에서 1회 충전시 R1234yf 냉매대비 10km 주행거리가 증가했으며 3.5% 개선효과를 확인했다. 주행거리 혁신용 냉매의 벤치평가 결과, 혹한의 외기온도인 -16℃조건에서 R134a의 토출온도 4℃대비 25℃로 획기적인 난방성능을 확인했다. 이번 평가결과 보조전기히터없이 히트펌프시스템 단독으로도 성능확보가 가능할 것으로 예상되며 혁신적인 주행거리 증가가 가능할 것으로 기대하고 있다. 개발 솔루션은 현재 양산 중인 히트펌프시스템대비 성능 향상을 위해 의도적으로 압력이 30% 정도 높게 설계했으며 시스템 및 부품 개선에 협업이 필요해 장기적인 관점에서 개발하고 있다. 

지난해 합성공정 파일럿 장비를 구축해 올해 1년동안 평가를 진행했으며 최적의 조건을 구현해 평가한 결과 수율이 약 36% 정도 나와 기초데이터 확보를 완료해 글로벌 경쟁사대비 우수성을 검증했다. 이번 성과는 혼합냉매의 원료 수급 국산화와 가격경쟁력 확보에 중요한 교두보가 될 것이다.

올해 정제공정 파일럿 장비를 구축했으며 합성결과, 3%정도 불순물을 제거해 99.9%의 고순도 핵심 원료를 얻기위해 지속해서 평가를 진행하고 있다. 특별한 문제가 없는 한 국내 정제 기술 수준으로 보면 올해 말까지 정제 기초데이터 확보가 가능할 것으로 예상하고 있다.

2027년까지 핵심원료 양산설비 구축 완료가 목표이며 적용대상은 R1234yf 및 R134a 대체 냉매가 될 것이다. OEM은 현대자동차가 될 것이며 구체적인 개발 일정에 맞춰 진행할 예정이다. 주행거리 증가를 위한 혁신형 개발 냉매는 장기적인 관점에서 글로벌 냉매기업과 협업을 추진하고 있으며 국내 1차 시스템업체 및 부품회사들과 협력하면서 시스템 최적화 및 부품 개발을 추진할 계획이다. 궁극적인 최종목표는 현대자동차의 친환경차 경쟁력 향상 및 한국의 탄소중립 NDC 감축 목표에 공헌하는 것이다.

국책과제에 참여해 수고해 주신 산·학·연 전문가들께 진심으로 감사드린다. 수고가 헛되지 않도록 더 확장성있게 앞으로도 더 많은 산·학·연 전문가들의 조언과 협업을 부탁드린다. 최선을 다해서 국익에 도움이 되도록 오픈마인드로 협력할 것이며 앞으로도 친환경 냉매 개발에 관심과 참여 부탁드린다.