인류가 역대 발명한 최고의 문명 이기(文明利器)중 하나로 손꼽히는 ‘에어컨’이 지난 7월17일로 ‘발명 1백주년’을 맞았다.
지금으로부터 정확히 1백년전인 1902년 미국의 기계기술자였던 ‘윌리스 캐리어’가 실내의 습도와 기온을 수동으로 조절 가능한 인류최초의 에어컨을 발명한 것.
당시 에어컨은 인쇄공장, 면직공장 등 여름철에 습도.온도 조절이 필수적이었던 산업체에서 주로 사용하는 사무기기의 하나였지만 1914년 백만장자 찰스 게이츠가 자신의 저택에 에어컨을 설치, 가정용 에어컨의 효시가 됐다.
특히 1924년 디트로이트 백화점이 중앙 냉방식 에어컨을 설치한 뒤 고객들의 구매량이 급증했다는 사실이 널리 알려지면서 LA, 뉴욕 등의 극장까지 에어컨 도입이 급속 확대됨으로서 지금에 이르기까지 본격적인 에어컨의 전성시대가 개시됐다.
물론 수십년 전만해도 에어컨은 자동차와 함께 부유층의 상징으로 꼽혔지만 이제는 일반 대중에게도 친근한 백색가전제품의 하나로 자리잡았다.
백화점, 극장, 은행, 관공서, 사무실 등 거의 모든 장소를 비롯 버스, 자동차, 기차, 비행기 등 각종 운송수단에서 조차 에어컨은 여름을 이겨내기 위해 없어서는 안 될 필수불가결한 요소가 되어 버렸다.
이러한 에어컨이라는 위대한 발명품이 이 땅에 태어나는데는 ‘냉매(Refrigerants)’라는 존재가 있었기에 가능했음을 알아야한다.
그러나 우리가 주로 사용하고 있는 CFC(염화불화탄소) 등을 위시한 냉매는 대기중에 배출될 경우 성층권까지 도달해 염소를 배출, 최고 1백년까지 머무르면서 인간과 지구환경에 매우 중요한 역할을 수행하는 오존(O3)을 파괴하고 지구온난화를 유발시키는 악성물질로 분류되고 있기도 하다.
이로 인해 지난 87년 24개 선진국과 구주공동체는 몬트리올 의정서를 채택, 오존파괴물질 사용 규제와 대체물질 개발에 주력하고 있으며 우리나라 또한 92년 2월 몬트리올 의정서에 가입해 매년 CFCs 및 하론 등의 소비량을 감축하고 있는 상황이다.
이에 인류 최고의 이기(利器)인 에어컨의 원천이자 오존층 파괴 및 지구온난화의 주범이라는 극명하게 대별되는 두 얼굴을 지닌 냉매에 대해 보다 자세히 살펴보기로 하자.
[냉매의 종류와 특징]
일반적으로 냉매란 큰 의미에서 냉각작용을 일으키는 모든 물질을 의미하지만 산업체에서 사용되는 냉매는 냉동장치나 열펌프, 공기조화장치, 소온도차 열에너지 이용기관 등 특정한 사이클(cycle)기관 내부를 순환하면서 증발기에서 증발하여 주위로부터 열을 흡수하여 응축기에서 열을 방출시키는 작동유체를 뜻한다.
이때 증발이나 응축의 변화과정을 거치면서 열을 흡수.방출하는 냉매를 1차 냉매라 하며 단상상태에서 열전달을 통해 열을 교환하는 냉매를 2차 냉매라고 한다.
그러나 대개 기체 순환기관에 공급되는 공기.헬륨.수소 등의 냉매는 1차 냉매로 브라인.부동액 등을 2차 냉매로 분류하고 있다.
대부분의 냉매는 할로겐화탄소(halocarbon), 탄화수소, 유기화합물, 무기화합물 등 네가지 종류의 화합물 중 하나이다.
지난 1930년 Midgley와 Henne에 의해 처음 개발된 할로겐화탄소 냉매는 최근까지도 거의 독점적으로 냉동 및 공조기用 냉매로 사용되어 왔으며 미국 듀퐁社의 제품명인 ‘프레온’으로 더 널리 알려져 있기도 하다.
메탄(CH4) 및 에탄(C2H6)의 수소를 불소, 염소, 브롬으로 치환(metathesis)하여 제조하는데 치환한 할로겐 원자의 종류나 수에 따라 물리적, 화학적 성질이 변하므로 각각의 사용조건에 따라 적당한 냉매를 선택할 수 있다.
예를 들어 메탄계 냉매는 CH4(R50), CCl4(R10), CF4(R14) 등 여러가지 종류가 존재하는 것이다. 비등점 및 임계온도는 R50→R40→R30→R20→R10 등으로 염소 수가 증가할수록 상승하며 반대로 R10→R11→R12→R13→R14 등으로 염소가 불소로 치환될수록 낮아진다.
또한 가연성은 R14를 정점으로 수소(H2) 수가 많은 물질일수록 높아지고 독성과 마취성은 R10, R20과 같이 염소(Cl)의 수가 많을수록 강해진다. 열분해에 대한 안정성은 불소가 많이 포함된 R14가 가장 좋다.
여기서 R10, R11, R12, R13, R14 등은 완전하게 할로겐화 된 냉매로 대기권내에서 잘 분해되지 않으며 수명 또한 길기 때문에 성층권에 존재하는 오존 붕괴의 원인으로 지적되고 있다.
구체적으로 할로겐화탄소는 크게 CFC, HCFC, HFC 등으로 분류된다. CFC는 염소(Cl), 불소(F) 및 탄소(C)로 구성된 ‘염화불화탄소’의 약자로 R11, R12, R113, R114, R115 등이 포함된다.
HCFC는 CFC의 구성 원자 중 최소한 수소(H2)가 하나이상 포함되어 있는 ‘수소화염화불화탄소'로 R22, R123, R124, Rl4lb, Rl42b 등이 속한다.
염소가 핵심적인 오존파괴물질이므로 3종류의 할로겐화탄소 중 오존층붕괴지수(ODP)는 CFC가 가장 높음을 알 수 있다. HCFC의 경우에도 CFC에 비해서는 ODP가 낮지만 염소가 포함되어 있기 때문에 환경친화적인 냉매로 볼 수는 없다.
반면 수소(H2), 불소(F), 탄소(C)로 이루어진 ‘수소화불화탄소(HFC)’는 오존층에 어떠한 위해도 가하지 않는다. 이러한 HFC로는 R32, R125, Rl34a, R143a, Rl52a 등이 있는데 특징적인 점은 각 HFC별로 숫자를 더하면 항상 5나 8이 된다는 것이다.
한편 냉매는 구성물질이 단일 화합물인지 두가지 성분이상의 혼합물인지에 따라 순수냉매와 혼합냉매로 구분하기 한다.
특히 혼합냉매는 비공비혼합냉매와 공비혼합냉매로 나뉘는데 비공비혼합냉매가 오존파괴 억제효과가 있어 대체냉매로 많은 관심을 받고 있다.
이외에도 물(H2O), 암모니아(NH3), 질소(N2), 탄산(CO2), 프로판, 부탄 등 인공화합물이 아닌 지구상에 자연적으로 존재하는 물질을 활용한 냉매를 자연냉매(HC)라 한다.
전문가들은 전세계적으로 CFC.HCFC에 대한 규제가 강화되고 있어 자연냉매, 특히 탄화수소계 자연냉매에 대한 관심과 연구가 집중될 것으로 전망한다.
이와 관련 향후 인류가 사용할 대체냉매는 궁극적으로 높은 에너지 효율, 오존층붕괴지수 제로(zero), 저(低) 지구온난화지수, 무독성, 무가연성 등의 조건을 충족시켜야만 한다.
[대체냉매 시장 開花]
현재 국내의 CFCs 시장 규모는 대략 4조원 규모로 추정된다. 이는 전체 냉매시장의 25%를 차지하는 것으로 관련업체만도 1천5백여개소 이상이 존재한다.
그러나 위에 언급한바와 같이 현재 국내외의 냉매 제조업체들은 CFCs와 달리 인간 및 자연환경에 악영향을 미치지 않는 HCFC, HFC, HC 등 대체냉매(신냉매)의 연구.개발에 사운(社運)을 걸고 있다.
일례로 자동차용 에어콘 냉매로 사용되는 CFC-12(구냉매)의 경우 우리나라는 오는 2010년까지 사용할 수 있지만 이미 대체냉매인 HFC-134a로 시장전환이 완료됐다.
이는 지난 96년부터 선진국에서의 CFC 사용이 전면 금지되면서 이들 국가로의 수출을 위해 대체냉매로의 전환이 앞당겨진 것이다.
업계전문가들은 오는 2005년경이면 대체냉매의 본격적인 수요가 발생, 국내수요만 연간 7천톤(약1천억원)에 이르고 전세계적으로 이보다 약 30～40배 가량 큰 시장이 생성될 것으로 추정한다.
이같은 대체냉매의 개발에 있어 미국, 일본 등 선진국들은 1980년대초부터 연구.개발을 시작, 상업화는 물론 환경친화적 기술개발 전략 및 산업구조 개편이 정착 단계에 들어선 반면 국내의 경우 90년대에 들어서야 정부와 업계의 관심을 받았다.
선진국들과 비교할 때 일부 기업을 제외하면 관련정보와 기술력에서 부족함이 보이기는 있지만 최근들어 산.학.연을 중심으로 많은 발전적인 결과물들이 나오고 있다.
지난 95년 한국과학기술연구원(KIST)에서 대체냉매의 개발을 마친 것을 비롯해 올해 2월에는 벤처기업 템코와 한국과학기술원(KAIST) 이재영 박사(한국수소 및 신에너지학회 회장)가 수소를 냉매로 사용하는 무공해 비냉매 냉동공조(NRRA) 시스템을 세계최초로 개발한바 있다.
또한 울산화학이 현재 HCFC계열 화합물을 일부 생산하고 있으며 벤처기업인 테크노켐에서는 HC계열의 제품을 판매중이다.
정부차원에서도 CFCs의 사용규제와 함께 대체냉매 개발을 지원하기 위해 지난 90년부터 KIST내에 CFC대체연구센터를 운용하고 있으며 이달 7일에는 ‘자연냉매(HC)를 적용한 냉난방시스템’을 7대 차세대 신기술 개발사업으로 선정, 향후 6～10년간 2백억원을 지원키로 결정하기도 했다.
그러나 HFC-134a, HFC-32, HFC-125 등 HFC계열 화합물의 경우 아직까지 국내에서 자체 생산되지 않고 전량 수입에 의존하고 있는데다 혼합냉매인 R-410A, R-407C 등도 모두 수입제품 일색이라는 사실은 국내 냉매업계의 한계로 지적된다.
한편 특허청에 따르면 몬트리올 의정서가 채택된 지난 87년 이후 지난해까지 국내에 출원된 CFCs 대체물질의 특허는 HCFC 60건, HFC 1백25건 등 총 2백45건으로 집계됐다. 국적별로는 한국인이 40건, 미국인 66건, 프랑스인 49건, 일본인 44건, 기타 외국인 46건 등이었으며 시간이 지날수록 HCFC계보다는 HFC계의 특허출원이 증가되고 있는 것으로 나타났다.
[국내 업계 동향]
국내에서 사업을 영위하는 냉매관련업체는 줄잡아 수천곳이 넘는다.
이중 대표적으로 눈에 띄는 활동을 벌이고 있는 업체는 울산화학(후성테크)을 비롯 테크노켐, 엔티엠인터내셔날, 화인텍, 삼광가스테크 등을 꼽을 수 있다.
○ 울산화학-후성테크
먼저 불소화학공업의 선구자로 불리는 울산화학(대표 지해석)은 국내에서 가장 대표적인 냉매제조 기업이다.
이 회사는 지난 91년부터 5년간 진행된 정부의 1단계 CFC대체물질 기술개발계획에 따라 지난96년 연산 1만3천톤 규모의 공장을 건설, 순수 국내기술로 개발한 HCFC-141b/142b를 생산하고 있다.
또한 부설연구소에서 제3세대 대체물질의 하나인 HFC-32(디플루오르메탄)의 개발에 성공했으며 올해 3월에는 기존 HFC-23(제품명 KORFRON-23) 공장에 정제.증류공정을 신규 증설함으로서 반도체에칭가스用 순도 99.999%이상의 고순도 냉매를 생산중이다.
이외에도 CFC-11, CFC-12, HCFC-22, HFC-134a, HFC-404a, HFC-134a, HCFC-123 등 수십여종 이상의 냉매를 자체생산 또는 수입하여 공급하고 있다.
경기도 안산에 위치한 후성테크(대표 송한주)는 울산화학으로부터 공급받은 불소화합물의 판매를 목적으로 지난 88년 설립됐으며 KORFRON-12.22.134a.142b 등 약 8백톤규모의 저장 및 충전시설을 보유하고 있다.
한편 지난해 후성테크는 냉매사업이 포함되어 있는 화학사업부문에서만 무려 6백82억4천만원의 매출실적을 올린바 있다.
○ 엔티엠인터내셔날
일본 제1의 냉매업체인 NKK와의 한일합작법인인 엔티엠인터내셔날(대표 이병철)은 국내최초로 자동차 에어컨용 캔가스(제품명 알파플러스)를 도입, 획기적인 돌풍을 일으키고 있는 주역이다.
1회용 신냉매(HFC-134a)를 사용하는 엔티엠의 캔가스는 자동차 에어컨의 압력점검을 위한 매직폴드게이지를 비롯 오일체커, 오리컨디셔너, 오일챠지 등의 ‘매직시스템’을 통해 손쉽고 간편한 점검과 충전이 가능하다.
또한 올해들어서도 에어컨 냉매 미세누출 진단.밀봉용 ‘스톱리크’ 세트와 신개념 에어컨 충진.세척장비인 ‘MF-200'을 선보이는 등 고순도 캔냉매의 정착과 활성화를 위해 전사적 노력을 경주하고 있다.
전국적으로 체계적인 판매망을 지니고 있다는 점도 이 회사의 강한 경쟁력중 하나의 중요 요인으로 지적된다.
이에 힘입어 현재 ‘매직시스템’은 르노삼성자동차에서 우수제품으로 채택되어 정비공장, AS센터, 협력업체 등에 공급중에 있다.
특히 매직시스템은 국내는 물론 해외에서도 탁월한 성능과 편의성을 인정받아 중국과 이스라엘에 수출되고 있으며 지난달 20일부터는 인도네시아의 메르세데스 벤츠 자카르타 A/S센터도 에어컨과 관련한 모든 제품을 납품하고 있다.
○ 화인텍
코스닥등록기업인 화인텍(대표 김홍근)은 초저온보냉제 전문제조업체이지만 올해 3월 연간 18만병 규모의 고압용기 제조업에 진출을 선언, 이미 산업용가스 업계에도 잘 알려진 업체이다.
화인텍은 안정적인 해외공급선을 바탕으로 관련시장내에서의 입지를 강화하고 있다.
현재 R410a는 원천 특허업체이자 세계 최대의 공급량을 보유한 미국 하니웰(Honeywell)社와 전략적 제휴를 체결, 국내에 독점적으로 공급하고 있으며 중국거래선과도 접촉함으로서 저렴한 제품을 안정적으로 공급하는데 주력하고 있다.
또한 국내 룸에어컨 및 대형 냉동기 제조업체의 대다수와 자동차 제조업체 등 대형 실사용업체들을 주요 고객으로 확보하고 있다는 점은 이 회사의 최대 강점으로 꼽히는 부분이다.
이와관련 화인텍은 자사의 냉매시장점유율이 HCFC-22는 35%, HFC-134a는 27%에 달하고 있는 것으로 파악하고 있다.
실제로 화인텍은 지난해(6월 결산법인) 냉매사업부문에서만 수출 80억8천만원, 내수 80억7천만원 등 총1백61억원의 매출을 기록한바 있으며 지난해 7월부터 지금까지 92억6천만원의 매출을 올린 것으로 집계됐다.
○ 삼광가스테크
세계적인 냉매제조업체인 미국 얼라이드시그널社로부터 냉매를 공급받고 있는 삼광가스테크(대표 유동길)는 연간 80억원 수준의 매출을 기록중인 국내 냉매업계를 주도하고 있는 대표적인 판매업체중 하나이다.
이 회사는 자동차에어컨용 HFC-134a(제품명 Genetron-134a)를 비롯해 HCFC-123, HCFC-124, AZ-20, AZ-50, Genetron-141b, Genetron-142b, Genetron-123 등 다양한 제품라인업을 갖추고 철저한 고객서비스를 접목시켜 괄목할만한 성장세를 나타내고 있다.
적용분야 또한 에어컨 및 냉동공조 분야는 물론 자동차, 발포, 분사제, 살균제 등 다각화를 이루었다는 부분과 각 분야를 넘나드는 고른 유통망 및 영업능력이 특징이다.
특히 얼라이드시그널社의 지속적이고 광범위한 대체냉매 개발.연구노력에 힘입어 세계수준의 기술력과 노하우로 무장하고 있으며 신속하고 안정적인 공급에도 만전을 기하고 있다.
○ 테크노켐
테크노켐(대표 오석재)는 지난 97년 8월에 설립된 환경벤처기업으로 자연냉매(HC)분야에서는 국내에서 거의 유일무이한 존재로 꼽힌다.
테크노켐 기술개발연구소에서 개발한 ‘OS-12a’, ‘OS-12b’는 천연탄화수소계 혼합냉매((R-600a & R-290계열)로 국내 발명특허는 물론 전세계 77개국에 특허등록되었거나 출원한 상태이다.
이 제품은 냉각성능과 효율특성(COP), 신뢰성을 R-12냉매와 동등한 수준으로 확보했으며 오존층붕괴지수(ODP), 지구온난화지수(GWP), 에너지소비효율(EER) 등에서 탁월한 환경친화성을 지니고 있다.
특히 ‘OS-12a’, ‘OS-12b’는 HCFC, HFC, HC 등의 대체냉매중 업계.학계에서 최대의 관심을 끌고 있는 자연냉매라는 사실이 이 회사의 최대 경쟁력이다.
지난 2000년 중국에 5백만달러에 달하는 냉매 생산설비를 수출했고 미국의 냉매전문업체인 얼라이드 시그널社와 공동마케팅 업무제휴를 체결했으며 미국 EPA 인증 및 ISO-9001인증도 획득했다.
특히 올해 5월에는 일본 냉매시장의 50%를 점유하고 있는 Kyokuto社와 국내 최초로 천연냉매 장기수출계약을 체결, 3년간 무려 1천2백50만달러의 수출실적이 예고되고 있다.
[냉매의 표기법]
냉매를 표기할 때 CCl4, CBrClF2, CCl2FCCl2F, CH3CH2CH3 등 화학식을 사용하면 매우 복잡하기 때문에 국제표준화기구(ISO)에서 제시한 방식에 따라 각 냉매별로 특정한 번호를 붙여 사용한다.
번호 앞에 냉매(Refrigerants)의 첫글자를 인용, ‘R+번호’ 방식으로 표기하는 것이다. 물론 프레온 22 등과 같이 상품명에 냉매번호를 붙이는 사례도 있지만 공식적 명칭은 아니다.
표기법에 대해 좀더 자세하게 살펴보면 메탄.에탄 및 프로판계 냉매는 ‘R+△○□'과 같이 세자리로 표현한다.
각각의 숫자는 냉매에 포함된 원소의 숫자와 관계가 있는데 백단위인 △은 탄소원자의 수에서 1을 뺀 숫자이며 십단위인 ○은 수소원자의 수에 1을 더한 숫자이다. □는 불소원자의 수를 적으면 된다.
이와관련 메탄계 냉매는 백단위 숫자가 0(zero)이기 때문에 냉매번호가 두자리 숫자이며 에탄계 냉매는 백단위 숫자가 항상 1이다.
예외적인 경우로 R13B1 등이 있는데 R13B1의 분자식은 CBrF3으로 브롬 원자 1개를 포함하고 있다.
또한 에탄계 냉매에서 수소 원자를 할로겐 원소로 치환하면 물성치가 다른 이성체(isomer)가 존재하기 때문에 치환한 할로겐 원소의 안정도에 따라 냉매번호 오른쪽에 a나 b 등을 붙이기도 한다.
400번대로 표시하는 비공비혼합냉매는 혼합냉매를 이루고 있는 구성냉매의 번호.질량조성비를 명시하며 관례적으로 비등점이 낮은 냉매부터 먼저 명시한다.
반면 공비혼합냉매는 500번대로 표기하는데 개발된 시기의 순서에 따라 R500, R501, R502 등으로 번호가 매겨진다.
마찬가지로 유기화합물냉매가 600번대를 사용하며 유기화합물냉매 중 부탄계가 R60△, 산소화합물 R61△, 유기화합물 R62○, 질소화합물 R63○ 등으로 개발순서에 따라 일련번호를 붙인다. 암모니아, 물, 탄산 등과 같은 무기화합물냉매는 700번대로 십자리와 일자리에 화합물의 분자량을 쓴다.
마지막으로 프로필렌(R1270)이 속하는 불포화 유기화합물 냉매는 1000번대이며 100단위 이하는 할로겐화탄소 냉매와 동일한 방식으로 표기한다. |
