한국에너지기술연구원은 최근 프레온가스, 수소불화탄소(HFC) 등 지구온난화를 유발하는 냉매 대신 공기를 냉매로 활용하는 냉동 기술을 국내 최초로 개발했다고 밝혔다.

올해 3월 발효된 유럽연합의 ‘불화온실가스(F-gas) 규제 개정안’에 따르면 2025년부터 불화온실가스가 포함된 제품이 단계적으로 판매 중지되고 불화온실가스를 활용하는 공정규제도 강화될 전망이다. 우리나라의 주요 수출품인 에어컨, 자동차와 반도체공정 등에도 불화온실가스가 사용되고 있어 이를 대체할 수 있는 기술이 필요한 상황이다.

연구진은 공기냉동방식에 사용되는 일체형 초고속 컴팬더를 개발하고 국내 최초로 공기냉각시스템을 제작하는데 성공했다. 개발된 시스템을 사용하면 공기를 냉매로 활용해 -60℃의 온도환경을 만들 수 있다.

기존 냉동·냉각시스템에는 주로 증기 압축식 사이클방식이 사용됐다. 증기 압축식 사이클 방식은 액체냉매가 증발하면서 열을 흡수해 냉각이 이뤄지는 방식으로 구조와 설계가 간단해 여러 분야에서 폭넓게 사용된다. 

하지만 지구온난화를 촉진하는 불화온실가스를 냉매로 사용한다는 단점이 있었다. 이에 따라 연구진은 공기를 냉매로 하는 역-브레이튼 사이클의 냉각시스템을 구현하는데 초점을 맞췄다. 액체를 증발시키는 기존 방식과 달리 기체를 압축하고 열교환과 팽창을 거쳐 저온의 기체를 만드는 방식이라 액체 냉매 없이도 냉각이 가능하다. 

하지만 시스템을 설계하고 제작하는 기술의 난이도가 매우 높아 지금까지 냉동 시스템에 적용되지 못했다. 냉각 과정에서 설비가 초고속으로 회전하다보니 압축기, 팽창기를 포함한 기기 간의 간극과 축의 변위 등을 0.1밀리미터 수준으로 정교하게 설계해야하기 때문이다. 

연구진은 역-브레이튼 사이클시스템을 구현하기 위해 압축기와 팽창기, 모터를 하나의 축으로 연결하는 컴팬더시스템을 고안했다. 여기에는 하나의 축으로 연결된 압축기와 팽창기가 각기 최고 효율에서 동작할 수 있도록 하는 공력설계기술, 초고속 회전속도에서도 안정적인 구동이 가능하도록 하는 축계설계 등 고도의 터보머시너리 설계기술이 적용됐다.

개발된 컴팬더를 적용한 냉각시스템은 1시간만에 공기를 -60℃ 이하로 냉각하는데 성공했다. 특히 -50℃ 이하 냉열을 생성할 때는 기존의 증기 압축식 시스템보다 냉동효율도 더 높다. 이론적으로는 -100℃까지 냉각이 가능한데 이때 냉동효율은 증기 압축식 대비 50% 이상 향상될 것으로 예측됐다.

연구책임자인 이범준 박사는 “환경규제로 인해 지구온난화지수가 높은 냉매를 주로 활용하는 냉동시스템이 친환경 냉매 사용으로 발 빠르게 전환되고 있다”라며 “현재 -100℃ 이하 냉열을 생산할 수 있도록 성능 개선을 진행하고 있으며 초저온 냉열이 필요한 반도체 공정, 의약, 바이오분야에 적용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 ‘과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업’ (연구책임자 이범준) 및 한국에너지기술연구원의 기본사업 (연구책임자 신형기)지원을 받아 수행됐다.