SK이노베이션은 석유·화학, 배터리, LNG, 전력, 도시가스 등 에너지·소재분야를 폭넓게 영위하고 있는 종합에너지기업이다. 에너지·화학분야에서 축적한 소재 및 공정기술과 냉매·냉동기유 관련 연구개발 경험을 기반으로 이번 과제의 주관기관을 맡고 있다.

과제책임자인 강봉호 SK이노베이션 팀장을 만나 과제 추진배경과 AI기반 신냉매 개발전략, 컨소시엄 운영방향 및 향후 사업화계획 등을 들었다.

 

■ 과제 참여배경은
냉매산업은 현재 제품단위 경쟁을 넘어 산업 밸류체인 전반이 재편되는 단계다. 과거에는 냉매의 냉각성능과 가격이 주요 경쟁요소였다면 최근에는 GWP, PFAS규제 대응, 독성 및 가연성, 에너지효율, 냉매-오일·소재 적합성, 제조공정의 환경성, 국제표준·인증, 공급망 안정성 등을 통합적으로 고려해야 한다.

냉매산업 밸류체인은 △원료·전구체 공급 △신규 분자설계 △후보물질 발굴 △합성·정제 △품질관리 △물성·안전성 평가 △시스템 적용 △국제표준·인증 △양산·충전·유통 △회수·재생·폐기까지 연결된다. 어느 한 단계만 확보해서는 시장진입이 어려우며 전 단계의 기술과 데이터가 유기적으로 연계돼야 한다.

국내 산업은 기존 냉매를 조합한 혼합냉매와 응용기술에서는 역량을 보유하고 있지만 신규 순물질 냉매의 설계·합성·정제와 국제표준 진입에 필요한 원천기술 및 평가데이터 측면에서는 보완이 필요하다. 또한 핵심원료와 일부 냉매제품에 대한 해외 의존도는 공급망 안정성 측면에서 해결해야 할 과제다.

SK이노베이션은 이러한 밸류체인상의 기술적 공백을 보완하기 위해 ‘AI기반 물질발굴기술’에 주목했다. AI를 활용하면 방대한 분자구조를 대상으로 물성, 환경성, 안전성, 제조가능성 등을 사전에 검토해 실험 우선순위를 정할 수 있다.

이번 과제는 단일 냉매후보 개발에 그치지 않고 신규냉매 설계부터 제조·평가·시스템 적용·표준화·사업화까지 이어지는 국내 전주기 기술기반을 구축하는 데 의미가 있다.

 

■ AI기반 신규 냉매 후보발굴방식이 기존과 다른 점은
기존 냉매개발은 연구자의 경험과 화학적 판단을 바탕으로 후보물질을 선정하고 실제 합성한 뒤 물성·환경성·안전성을 순차적으로 확인하는 방식이 일반적이었다. 이 경우 합성 이후에야 후보물질의 한계를 파악하는 경우가 있어 시간과 비용이 커질 수 있다.

이번 과제에서는 분자구조와 물성데이터를 AI가 학습할 수 있는 형태로 변환하고 원자·결합구조, 작용기, 분자량, 불포화 여부 등의 정보를 토대로 열역학적 특성과 환경·안전관련 특성을 예측한다. 이후 열역학 해석과 계산화학을 통해 시스템성능과 화학적 안정성을 검토한 뒤 합성가능성이 있는 후보를 선별한다.

선정된 후보물질은 실제 합성·정제, 정밀물성 측정, 독성·가연성 평가, 냉매-오일 적합성 평가와 시스템 적용시험을 거친다. 이 과정에서 확보한 실험데이터를 다시 AI모델에 반영해 예측성능을 개선한다.

AI가 실험을 대체하는 것이 아니라 탐색범위를 넓히고 실험 우선순위를 합리적으로 설정해 개발기간과 시행착오를 줄이는 구조다.

 

■ SK이노베이션의 역할과 연차별 연구내용은
SK이노베이션은 주관기관으로 과제 연구방향을 설정하고 참여기관 간 연구내용과 성과를 통합한다. 기술적으로는 △AI·계산화학기반 후보물질 발굴 △환경·안전성 예측 △냉동기유 물성·적용성 평가 △데이터 통합 △표준화·사업화 전략수립 등을 주도한다.

AI모델 개발에만 역할이 국한되는 것은 아니다. 후보물질 선정부터 합성·평가·시스템 적용·인증까지 연구흐름이 단절되지 않도록 관리하고 각 기관의 성과를 실제 사업화가 가능한 기술패키지로 통합하는 것이 핵심이다.

1차연도에는 냉매 관련 분자구조와 물성데이터를 체계화하고 주요 열역학물성을 예측할 수 있는 기초 AI모델을 구축한다. 2차연도에는 환경성과 안전성 예측으로 연구범위를 확대하고 계산화학을 활용해 후보물질의 반응성과 안정성을 검토할 방침이다. 

3차연도에는 실측데이터와 예측값의 차이를 분석해 모델의 정합성과 외삽성능을 개선한다. 4차연도에는 물리적 제약조건을 반영한 AI모델과 고도화된 그래프신경망을 적용해 예측신뢰성을 높이고 최종 후보물질의 물성·안전성·냉동기유 적합성·시스템 적용성과 표준화에 필요한 자료를 종합할 계획이다.

 

■ 과제진행 과정에서 예상되는 기술적 난제는
저GWP, 고효율, 저독성, 안전성, 제조 가능성이라는 요구조건을 동시에 만족해야 한다는 점이다. 이 특성들은 서로 독립적이지 않기 때문에 특정지표를 개선하면 다른 특성이 저하될 우려가 있다.

GWP를 낮추는 과정에서 가연성이나 화학적 반응성이 높아질 수 있으며 열역학적 성능을 향상시키는 구조가 독성이나 안정성 측면에서는 불리할 수도 있다. 또한 냉매의 실제 성능은 물질 자체뿐만 아니라 △냉동기유 △압축기 △열교환기 △밀봉재 등 시스템 구성요소와의 상호작용에 의해 결정된다.

신규 냉매는 기존 상용냉매보다 축적된 데이터가 부족해 열역학적 물성을 정밀하게 측정하며 시스템 해석에 활용할 수 있는 상태방정식과 데이터베이스를 구축하는 작업도 중요하다.

환경성 측면에서는 GWP뿐만 아니라 △PFAS 관련 가능성 △합성 부산물 △사용 중 분해생성물 △회수·재생·폐기단계까지 검토해야 한다.

결국 이번 연구는 △환경성 △안전성 △성능 △제조가능성 △공급망 안정성 △전생애주기 환경성 등을 통합적으로 고려하는 다목적 최적화 문제를 해결하는 과정이다.

 

■ 대규모 컨소시엄 총괄 시 중점사항은
가장 중점을 두는 부분은 기관별 연구성과가 개별 결과에 머무르지 않고 실제 제품 적용과 국제표준·인증으로 연결되는 것이다. 이를 위해 △후보물질 선정기준 △시료관리 △시험조건, 데이터 형식 △측정결과 품질관리기준 등을 과제초기부터 공유하며 각 기관의 연구성과가 다음 단계 연구의 입력자료로 활용되도록 일정과 데이터흐름을 통합관리한다.

특히 가장 중요한 연구성과는 예측값과 실측값의 차이다. 원인을 분석해야 AI모델과 실험체계를 함께 개선할 수 있으며 신규물질 영역에서의 예측신뢰성도 높일 수 있기 때문이다.

또한 이번 과제는 신규 물질, 고압설비, 약가연성 가능성이 있는 냉매 등을 다루는 안전관리형 과제로 연구개발 속도뿐만 아니라 △연구자 안전 △설비 안전 △데이터 신뢰성 등을 함께 확보하는 것도 중점역할로 보고 있다.

 

■ 연구기관별 역할 연계방식은

컨소시엄은 냉매개발 전 단계에 필요한 전문기관을 연계해 구성했다. SK이노베이션은 AI·계산화학기반 후보발굴과 냉동기유 평가, 전체 기술연계를 담당한다. 한국화학연구원은 후보물질의 합성·정제공정을 개발하며 한국표준과학연구원과 한국기계연구원은 열역학물성과 상태량을 정밀하게 측정해 시스템 해석에 필요한 데이터와 모델을 구축한다.

국가독성과학연구소는 흡입독성평가를 수행하며 한국냉동공조시험연구원은 가연성평가와 시스템 성능·적용성 검증을 담당한다. 한국에너지기술연구원은 냉매·냉동기유 및 시스템소재 간 적합성과 장기 화학적 안정성을 평가한다.

인하대학교는 합성·제조과정에서 발생할 수 있는 부산물과 PFAS 관련 특성을 분석하고 저감가능성을 검토하며 중앙대학교는 시스템성능 해석과 전생애주기 환경영향평가를 수행한다. 각 기관의 연구결과는 순차적으로 전달되는 데 그치지 않고 상호 피드백된다. AI예측은 실험을 통해 검증하고 실측데이터는 AI모델과 상태방정식 보정에 활용하며 물성·안전성 데이터는 시스템 해석과 실증조건 설정에 반영한다.

 

■ 시스템 적용 시 중점 검증사항은
신규 냉매의 적용성은 단순한 냉매교체시험이 아니라 △냉매 △냉동기유 △압축기 △소재 △시스템 등을 하나의 통합체로 보고 평가해야 한다. 이를 위해 기존 냉매대비 난방능력, 효율, 소비전력 등 열역학적 성능을 확인해야 한다. 또한 특정 설계조건뿐만 아니라 외기온도와 부하가 변화하는 다양한 운전조건에서도 성능이 안정적으로 유지되는지 검토할 계획이다.

특히 신규 냉매의 압력·온도 특성이 △압축기 △열교환기 △팽창장치 △배관·제어시스템 등과 적합한지 확인해야 한다. 냉매·냉동기유·소재 간 혼화성, 화학적 안정성, 오일열화, 금속 부식, 밀봉재와 비금속 소재의 내구성도 중요한 평가항목이다.

가연성 냉매의 경우 △냉매 충전량 △누설 시 농도 변화 △누설감지·환기·차단장치의 적합성등을 함께 검토해야 한다. 또한 초기 성능뿐만 아니라 장기운전 후 성능 저하와 부품 열화가 허용범위 내에 있는지 확인하는 것도 중요하다.

 

■ 실증계획은
실증은 △평가체계 검증 △후보냉매 평가 △시스템 적용시험 △장기운전·환경성 검증 등의 단계로 진행할 계획이다. 초기에는 상용냉매를 활용해 물성측정과 시스템 해석, 가연성평가 및 성능시험 절차의 반복성과 재현성을 확인한다. 이후 AI가 도출한 후보물질을 대상으로 열물성, 환경성, 안전성, 냉매-오일 적합성 및 소재 적합성 등을 종합평가할 예정이다.

선정된 후보는 대표적인 히트펌프시스템에 적용해 성능과 적용성을 검증한다. 이후 장기운전을 통해 압력·온도, 소비전력, 성능, 냉매 및 오일상태, 누설여부 등을 확인해 시스템의 장기신뢰성을 평가할 계획이다.

히트펌프 실증은 개발냉매의 성능과 안전성을 확인하기 위한 대표적인 검증플랫폼이다. 실증을 통해 확보한 물성데이터, 시스템 해석모델, 냉매-오일 적합성자료는 자동차, 데이터센터, 가전, 건물 및 산업용 열관리 등 다양한 분야로 확대 활용할 계획이다.

 

■ 과제를 통한 기대효과는
이번 과제는 국내 산업이 해외에서 개발된 냉매를 수동적으로 적용하는 수준에서 벗어나 제품 요구조건에 맞는 냉매를 직접 설계하고 검증할 수 있는 기반을 마련한다는 데 의미가 있다.

향후 냉매는 GWP뿐만 아니라 △PFAS 관련 규제 △독성 및 가연성 △효율 △냉매-오일·소재 적합성 △국제 인증 △공급망 안정성 등을 종합적으로 평가받게 된다. 이번 과제를 통해 후보물질 발굴과 평가, 시스템 적용에 필요한 데이터와 기술이 확보되면 국내 기업의 냉매전환 대응력과 제품개발 속도가 높아질 것으로 기대된다.

또한 이번 연구의 성과는 특정 장비에만 국한되지 않는다. 냉매의 물성과 안전특성에 따라 △자동차 열관리 △전기차 배터리 열관리 △데이터센터 냉각 △건물·산업용 열관리 등으로 확대 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

국가적으로는 신규 냉매의 원천기술과 제조·평가역량을 확보해 해외기술과 공급망 의존도를 낮추며 원료·제조·충전·유통·회수·재생으로 이어지는 국내 냉매 밸류체인 강화에도 기여할 수 있다.

 

■ 과제 종료 후 사업화계획은
사업화는 과제 수행과 동시에 준비할 계획이다. 후보 냉매의 제조 가능성, 품질, 물성, 환경성, 안전성, 냉매-오일 적합성, 시스템성능과 신뢰성에 관한 자료를 연구기간 중 체계적으로 축적하고 이를 국제표준·인증과 사업화에 활용할 수 있는 형태로 정리할 것이다.

과제 종료 후 2년 이내 ASHRAE 및 ISO의 냉매 명명·안전분류 절차를 완료하고 신규냉매의 R-number 획득을 목표로 하고 있다. 이를 위해 물성, GWP, 독성, 가연성, 순도, 품질, 시스템 적용성 등에 관한 자료를 국제표준 제출수준으로 준비할 계획이다.

R-number 획득과 병행해 주요 시장의 규제 및 인증절차를 검토하고 국내·외 장비제조사와 공동 적용성평가도 추진할 예정이다. 인증 이후 즉시 사업화로 연결될 수 있도록 파일럿생산과 양산기반도 단계적으로 준비한다.

사업화 방향은 냉매 단품공급에 머무르지 않고 냉매와 냉동기유, 소재 및 시스템 적용기술을 결합한 통합솔루션으로 확장하는 것이다. 초기 검증플랫폼에서 확보한 기술을 기반으로 자동차, 데이터센터, 가전, 건물 및 산업용 열관리 등 다양한 애플리케이션으로 사업을 확대할 계획이다.

 

■ 마지막으로 하고 싶은 말이 있다면
이번 과제는 새로운 냉매 후보물질을 하나 찾는 연구가 아니다. AI와 계산화학을 활용한 분자 설계에서 출발해 △합성·정제 △물성 및 안전성 평가 △냉매-오일·소재 적합성 △시스템 적용과 장기신뢰성 △전생애주기 환경영향 평가 △국제표준·인증 등을 연결하는 전주기 기술개발 과제다.

냉매는 냉동·공조와 히트펌프뿐만 아니라 자동차 열관리, 데이터센터 냉각, 산업용 열관리 등 다양한 분야의 성능과 환경성을 좌우하는 핵심소재다. 냉매기술을 확보하는 것은 개별제품의 경쟁력뿐만 아니라 국내 열관리산업의 기술자립과도 연결된다.

 

컨소시엄은 AI를 활용해 후보물질 탐색의 효율을 높이되 최종적으로는 실험과 공인평가를 통해 기술의 신뢰성을 확인할 계획이다. 예측결과를 실제 물성 및 시스템데이터로 검증하고 국제표준과 현장적용이 가능한 수준까지 기술을 완성하는 것이 목표다.

이번 연구를 통해 국내 냉매산업이 원천물질과 평가데이터, 제조공정, 국제표준 대응역량을 함께 확보하고 글로벌 환경규제에 선제적으로 대응할 수 있는 기반을 마련할 것이다. 나아가 구축된 기술과 데이터가 다양한 열관리분야로 확장돼 국내 산업경쟁력 강화와 탄소중립 실현에 기여하기를 기대한다.