1976년 설립된 국내 최초 화학전문 연구기관인 한국화학연구원은 화학관련 원천기술개발을 통해 국가·사회적 현안을 해결하고 국내 화학산업 경쟁력 향상에 기여하고 있다.

‘AI물질발굴기술 활용 친환경·고효율·무독성냉매 및 히트펌프 적용·검증기술개발’ R&D에 참여하는 계면재료화학공정연구센터는 불소계 단량체 제조 및 친환경 중합공정, 온실가스 저감을 위한 불소계 대체물질, 불소화법을 활용한 친환경 절연·냉매 합성 및 제조공정기술을 중점적으로 연구하고 있다.

새로운 물질을 합성하는 기초연구에 머물지 않고 실제 산업현장에 적용가능한 제조기술을 확보해 기술이전과 상용화로 연결하는 데 강점과 경험을 보유하고 있다.

합성·정제공정 스케일업 및 실증시료 공급
한국화학연구원은 그동안 축적한 불소화학 원천기술과 산업계 기술이전 경험을 바탕으로 친환경 냉매 제조기술의 국산화를 추진하기 위해 이번 ‘AI물질발굴기술 활용 친환경·고효율·무독성냉매 및 히트펌프 적용·검증기술개발’ R&D에 참여했다.

연구진은 이번 과제에서 △후보냉매 기초 제조기술 확보 △제조공정 최적화 및 스케일업 △실증평가용 시료 공급 및 융합연구 지원 등을 수행하며 주관기관의 AI 스크리닝을 통해 도출된 후보냉매 구조에 대해 화학적 제조방법과 경제성 등을 종합적으로 검토하고 Lab-scale 반응·정제공정장치를 설계·제작할 계획이다.

이후 반응인자 최적화를 통해 전환율 70% 이상, 순도 99.5% 이상의 고순도 냉매를 하루 200g 이상 생산할 수 있는 제조공정을 확보하는 것이 목표다. 생산된 고순도 냉매는 공동연구개발기관에 안정적으로 제공해 기초 물성평가, 유해성 평가, 히트펌프 장기실증 등을 지원할 방침이다.

연구진은 과제 성공을 위해 실제로 반복 제조할 수 있는 후보냉매 구조를 선별하는 것이 중요하다고 보고 있다. 합성경로가 지나치게 복잡하거나 원료 확보가 어렵고 정제과정에서 부산물이 다량 발생하면 우수한 물성을 갖춘 후보물질이라도 실용성이 떨어질 수 있기 때문이다.

이에 따라 후보 선정 초기부터 열역학적성능뿐만 아니라 합성 가능성, 원료 공급 용이성, 정제 난이도, 스케일업 가능성과 경제성을 종합적으로 검토할 계획이다.

또한 제조량이 부족하거나 순도와 조성이 일정하지 않으면 물성, 독성, 가연성 및 시스템 성능 데이터의 신뢰도 확보가 어려운 만큼 충분한 양의 고순도 냉매를 안정적으로 공급할 계획이다.

이를 위해 1차연도에는 주관기관의 후보냉매 구조 AI 스크리닝을 지원하고 합성경로 및 반응원료 수급방안을 확보하며 Lab-scale 합성장치를 설계·제작한다. 2차연도에는 합성장치 구축과 시운전, 기초 합성실험을 수행해 순도 50% 이상, 순물질 생산량 50g/day 이상을 확보하고 부산물 분석결과를 반영한 정제장치를 설계·제작할 예정이다.

3차연도에는 후보냉매 합성최적화를 통해 순도 70% 이상, 생산량 70g/day 이상을 달성하고 정제장치 구축과 정제조건 확보, 시스템·물성평가용 정제샘플 제공을 추진한다. 4차연도에는 합성·정제공정을 최종 최적화해 순도 99.5% 이상, 생산량 200g/day 이상의 고순도 냉매를 확보하고 히트펌프 장기실증용 최종 샘플을 제공할 계획이다.

이번 과제를 통해 저GWP 불소계 냉매의 합성경로, 정제공정, 제조장치·품질관리기술을 확보하면 국내 냉매산업 기술영역을 혼합·적용에서 원료와 제조공정 분야까지 확장할 수 있을 것으로 기대된다.

연구진들은 핵심 중간체와 고부가가치 냉매 해외의존도를 낮춰 공급망 안정화와 기술자립에 기여할 계획이다. 또한 향후 연구성과를 합성법, 반응장치, 정제공정, 부산물 관리·품질분석기술 등을 포함한 기술패키지로 발전시켜 국내 기업에 이전하며 후속 스케일업과 상용화를 촉진할 계획이다.

화학연구원의 관계자는 “PFAS는 구조와 물성, 용도, 독성, 이동성 등이 서로 다른 광범위한 물질군”이라며 “PFAS로 분류된다는 이유만으로 모든 물질이 동일한 수준의 환경유해성을 가진다고 판단하기보다 개별물질 특성과 실제 노출가능성을 과학적으로 평가할 필요가 있다”고 말했다.

이어 “장기적으로는 유해성이 높으며 대체가능한 PFAS 사용을 줄이고 보다 안전한 소재와 공정으로 전환하는 방향이 바람직하다”라며 “정부에서는 PFAS정책을 과학적 근거를 바탕으로 단계적이고 차등적으로 추진하길 바란다”고 강조했다.