▲ 전주기 자기냉각 기술 개발 모식도

국내 연구진이 소재·부품·모듈 전주기를 아우르는 친환경 고체냉매 자기냉각 기술을 개발, 기존 가스 냉매의 환경 문제를 해결하고 차세대 고효율 냉각기 상용화를 앞당길 전망이다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 나노재료연구본부 김종우 박사팀과 재료공정연구본부 신다슬 박사팀이 국내 최초로 소재-부품-모듈 전주기 자기냉각 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

이번 기술은 기존 가스 냉매 기반 냉각기술의 환경 문제를 해소해, 친환경 고효율 대체 기술의 시장 진입 가능성을 연 것으로 기대된다.

자기냉각 기술은 가스를 사용하지 않고 인가된 자기장에 의해 냉매 온도가 변하는 ‘자기 열량 효과’를 이용해 고체 상태에서도 냉각을 구현하는 친환경 기술이다. 그러나 소재 제조 공정의 높은 단가와 희토류 의존성으로 가격 경쟁력 확보에 어려움이 존재했다.

또한 대면적 판재와 세선 와이어 제조 등 산업에 적용하기 위한 대량 생산 기술이 충분히 확보되지 못하는 한계 또한 있었다.

연구팀은 La계(란타넘)와 Mn계(망간) 합금을 합성해 열간압연·냉간인발·마이크로 채널 가공을 거쳐 판재와 세선 와이어를 제작했다. 이를 통해 미세조직 제어가 가능해져 냉각 효율과 신뢰성이 향상됐다.

특히 판재 성형 과정의 경우 대면적(0.5㎜ 두께)의 La계 박판 제조 기술, 와이어 제조 과정은 직경 1.0밀리미터(㎜)의 Gd계 세선 제조 기술을 구현해, 부품 단위에서 세계 최고 수준의 성능을 발현시켰다.

또한 비희토류 Mn계 소재에서는 열 이력 제어와 자기적 이방성 조절로 냉각 특성을 개선했다. 아울러 연구팀은 국내 최초로 자기냉각 소재·부품의 단열온도 변화를 직접 측정할 수 있는 장비를 개발·적용해 공정별 특성 차이를 검증하고 최적화된 개발을 가능케 했다.

국제적으로 냉매 규제가 강화되는 추세다. 몬트리올 의정서 키갈리 개정안에 따라 2030년 이후 HFC, HCFC, R22 등 주요 가스 냉매의 생산과 사용이 전면 금지된다.

재생 냉매를 포함한 일회용 냉매 용기 사용도 제한되며, 독일 등 선진국에서는 성능 계수(COP)를 넘어서는 자기냉각 시스템 연구 성과가 이어지고 있다. 이는 자기냉각 기술이 글로벌 차세대 핵심 냉각 솔루션으로 주목받고 있음을 보여준다.

연구팀은 이러한 글로벌 탈탄소 정책 기조에 맞춰 논문과 특허를 확보하며 기술 경쟁력을 강화하고 있다. 특히 부품 제조와 비희토류 소재 분야에서 세계 최고 수준 성과를 달성해 국제 경쟁력까지 확보하고 있다.

연구팀은 자기냉각 평가 시스템 관련 국내 특허 등록을 완료하고 미국 특허도 출원했다.

김종우 책임연구원은 “개발된 기술을 상용화 시 기존 가스 냉매 냉각기의 한계를 넘어 친환경적이고 안정적인 냉각 솔루션을 제공할 수 있다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국재료연구원의 기본사업과 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업 지원으로 수행됐다.

또한 성과는 학술지 레어메탈스(Rare Metals, IF 11.0, 제1저자 양선영 박사과정생)에 2025년 5월 게재됐다.