130여 년 전 화석연료만을 이용하는 엔진 개발과과 함께 정유화학 산업이 어깨를 나란히 하며 지구촌 시대를 열게 했다. 하지만 자동차 배기가스 문제에만 봉착했던 대기 오염원 발생과 지구 온난화문제는 이제 서서히 항공기 엔진의 높은 연료 소모율과 불완전 연소로 전환되고 있다.

물론 바다 길을 여는 대형 선박들이 망망대해에 쏟아내는 대기오염원 ‘미세먼지’와 엔진의 ‘뜨거운 열기’ 역시 자동차 이상의 큰 문제지만 주거지역이나 보행인과의 직접적 연관이 없다 보니 인식을 못하는 것일 뿐 심각하다.

또 하나는 사계가 뚜렷한 한국과 전 세계인 생활공간인 빌딩 숲에서는 실내를 시원하게 하려고 대형 에어컨 실외 기에서 쏟아낸 열기와 동분서주 하는 자동차에서 배출된 열기 또한 결국은 지구를 달구는 데 일조하고 있다.

한 마디로 에어컨, 다시 말해 에어컨 공조시스템의 혈액으로 불리는 냉매가스도 ‘오존층 파괴물질’ ‘온난화 지수’ 등 지금의 현격한 규제만 봐도 자동차 시조처럼 흔들리고 있다는 뜻이고, 순수 전기차 같은 ‘친환경 공조시스템’과 ‘냉매가스’ 대체가 시급한 실정이다.

자동차는 이미 부족한 기계적인 정밀성 충족을 위해 60%에 상당하는 부품을 기계장치가 아닌 ‘전자부품’으로 바꿨지만 지금도 ‘순수 전기 차’가 아니면 더 이상 ‘기계문명의 꽃’도 ‘문명의 이기물’로 인정 못 받는 현실을 에어컨 공조시스템도 무관할 수 없는 만큼 전철을 밟아선 안 된다.

오래전부터 만년설은 속살을 드러내고 빙하가 녹으면서 북극곰 생존 위기를 맞게 하는 등 높아진 바다 수위가 지대가 낮은 남태평양 뉴질랜드 위에 소재한 ‘투발루’나라를 삼키는 이러한 일련의 지구 이변에는 전 지구인이 의존하는 ‘냉‧난방 시스템’도 자동차 이상의 문제를 갖고 있다는 뜻이다.

2002년 월드컵 당시 환경오염원을 어떻게 하면 줄일 수 있을까를 연구한 환경부 교통환경 연구소장 엄명도박사가 승용차량 10대를 모델별과 배기량별로 선택, 차대동력계에서 에어컨 가동과 정지를 비교 실험했다.

랩 주행실험에서 에어컨을 3-4단으로 틀 면 ‘연비 19%’ 나빠진 반면 ‘유독성가스배출 50%’ 이상 증가됐고, 저단인 1-2단 연비는 10% 정도 낮아지고, 배기가스는 25% 정도가 증가 하 는 연구결과를 발표했고 이를 알리는 출간을 통해 2002년 당시 화제를 모았다.

당해 7월 17일은 1902년 미국 기계기술자 ‘윌리스 캐리어’가 실내 습도와 온도 수동 조절만 가능하고 컨디션 기능이 전무한 최초의 에어컨 발명 1백주년을 기념했던 시점이지만 에어컨을 가동하거나 히터를 켜면 전지자동차의 경우도 주행거리가 최소한 3/1로 줄어드는 단점은 아직도 현존하고 있다.

하지만 버스와 자동차, 기차, 비행기 등 각종 운송수단을 비롯 개인집과 빌딩, 관공서, 사무실 등 거의 모든 곳의 기후 조건을 바꾸는 뜨거운 여름과 추운 겨울을 막아주는 유일한 장치는 바로 냉‧난방장치인 만큼 어느새 자동차 이상으로 필수불가결한 생활요소가 돼 버렸다.

위대한 발명품 에어컨을 엔진에 비유하면 친환경 ‘냉매(Refrigerants)’ 개발은 윤활유와 같은 필수품이다. 지구환경을 보호하고 효율이 탁월한 냉매가 개발되지 못하면 현재의 고성능 에어컨디셔너 개념의 냉‧난방장치도 아무 쓸모없게 되기 때문에 가급적 빨리 CFC(염화불화탄소) 물질 사용을 막아야 한다.

폐차를 안 하는 소수의 차량과 일부 건물용의 구형 에어컨 때문에 이 장치 들이 전폐될 때까지는 대기 중의 리크나 방출될 경우 성층권까지 도달하는 염소물질은 최대 1백 년 동안 인간의 삶터인 지구환경에 치명적 위해를 가하게 되고 전 세계적으로 이런 위험요소는 아주 많다.

자동차에 사용해 오던 프레온가스 계열 R12 대신 R134a가 사용되고 있지만 이 또한 지구온난화 유발도가 높아 그 대안으로 2017년부터 생산되는 모든 자동차는 R1234yf 가 개발 대체됐지만 승용차 1대 분량의 냉매 가격이 50만원을 상회하면서 현재 친환경 냉매가스 대체품 생상은 아주 시급한 상황이 됐다.

지난 1987년 24개 선진국과 구주공동체등이 앞장서 몬트리올 의정서를 채택하면서 규제는 강화됐고, 오존파괴물질 사용 규제와 대체물질 개발에 주력하는 만큼 한국도 선도적 역할을 해야 한다.

그런데, 매년 CFCs와 하론 계열 감축을 위해 1992년 2월 몬트리올 의정서에 가입한 한국 전문기업 TCC는 이미 25년 전 현재 듀폰이 선택한 불화수소기반 보다 덜 위험하고 가격까지 저렴한 HC 소재의 친환경 고효율 냉매의 개발을 마치고 생산에 착수한 상태다. 

땅과 하늘, 바다를 지배한 엔진이 지구의 자정 능력을 약화시키고 냉매 역시 오존층 파괴와 지구온난화 주범이라고 대별되는데 있어 냉매의 두 얼굴을 서로 짚어 보자. 

일반적으로 냉매는 냉동장치 등 특정한 사이클(고압호스‧압축기‧증발기)을 돌면서 증발기는 주위 열을 흡수해서 응축기에서 열을 방출시키는 작동유체 과정을 하는데, 압축기의 압축비와 증발기 기능에 적합한 ‘친환경 냉매가스’만이 전력소모나 엔진파워 소모를 적게 하면서 냉‧난방 효율을 극대화 할 수 있는 특성을 발휘한다. 

증발이나 응축의 변화과정을 거치면서 열을 흡수‧방출하는 냉매를 1차 냉매라 하며 열전달을 통해 열을 교환하는 냉매를 2차 냉매라고 하지만 대개는 기체 순환기관에 공급되는 공기‧헬륨‧HC‧수소 등은 1차, 브라인과 부동액 등은 2차 냉매로 분류된다. 

200년대 초기만 해도 할로겐화탄소(halocarbon)과 탄화수소, 유기화합물, 무기화합물 등 4가지 종류의 화합물이 주류를 이룬 가운데 1930년 Midgley와 Henne에 의해 처음 개발된 할로겐화탄소 냉매는 거의 독점적으로 냉동과 공조기 냉매로 사용되면서 명칭도 미국 듀퐁 ‘프레온’으로 고정돼 있다.

또 미국 냉동공조협회로부터 ‘R No’를 받았지만 휘발유 연료와 디젤 연료에서 나타나는 상대적 유해성 물질처럼, 메탄 계 냉매에서도 유사 현상을 보이는 문제가 있다. CH4(R50)와 CCl4(R10), CF4(R14) 등의 경우는 비등점과 임계점 온도 면에서 볼 때 R50⇒R40⇒R30⇒R20⇒R10 순이지만 염소수가 증가할수록 상승하고, 반대로 R10⇒R11⇒R12⇒R13⇒R14 등은 염소가 불소로 치환될수록 낮아지는 성질이 있기 때문이다. 

더욱이 일반적으로 위험하다는 인식을 갖게 되는 가연성을 R14를 정점으로 비교할 때 수소(H2) 수가 많은 물질일수록 높아지고 독성과 마취성은 R10, R20 물질처럼 염소(Cl) 수가 많을수록 강해진다.

열분해에 대한 안정성은 불소가 많이 포함된 R14가 가장 우수하다고 할 수 있지만 이건 2000년 초반 대 상황이고 지금은 이런 물질 자체를 피해야 지구의 야생 동‧식물을 전멸로 몰아가는 2℃ 지구 온도상승을 막을 수 있다. 

그 이유는 R10과 R11, R12, R13, R14 등은 완전하게 할로겐화 된 냉매로 대기권내에서 잘 분해되지 않으며 수명 또한 길기 때문에 성층권에 존재하는 오존 붕괴 원인이 크고, 따라서 3종류의 할로겐화탄소 중 오존층 붕괴지수(ODP)는 CFC가 가장 높음을 알 수 있다.

HCFC의 경우에도 CFC에 비해서는 붕괴지수는 낮지만 핵심적 오존파괴 물질인 염소가 포함된 만큼 환경 친화적인 냉매로 볼 수는 없다. 

반면 2000년대 초기만 해도 수소(H2)와 불소(F), 탄소(C)로 이루어진 ‘수소화불화탄소(HFC)’는 오존층에 어떠한 위해도 가하지 않는 만큼, HFC 계열의 친환경 냉매는 R32와 R125, Rl34a, R143a, Rl52a 등을 꼽았는데 특장 점은 각 HFC별로 숫자를 더하면 항상 5나 8이 된다는 것이다.

또한 냉매를 구성한 물질과 방법에 따라 ‘순수 냉매’와 ‘혼합냉매’ 진짜 ‘친환경 자연냉매’로 분류가 되고, 두 가지 이상의 성분 혼합물에 따라 1차 ‘순수냉매’와 ‘혼합냉매’로 구분되면서 비 공비혼합냉매와 공비혼합냉매에서는 ‘비 공비혼합냉매’가 오존파괴 억제효과가 있다는 연구도 발표 된 바 있었다.

암모니아와 질소는 지구온난화 지수가 낮은 데 반해 친환경 자동차 연료 LPG는 거의 없다. 자연적으로 존재하는 암모니아와 질소는 지구온난화 지수가 낮은 데 반해 LPG는 거의 없지만 냄새에 있어서는 식물은 좋아해도 사람들은 싫어하는 물성이라는 단점도 있다. 이외에도 물(H2O)과 암모니아(NH3), 질소(N2), 탄산(CO2), 프로판, 부탄 등 인공화합물질을 활용하면 자연냉매(HC)가 된다.

전 세계적으로 CFC와 HCFC에 대한 규제가 강화되고 있는 만큼 듀폰은 고가의 수소계열을 출시하고 있지만 탄화수소계 자연냉매 관심이 높은 전 국가들의 고민은 바로 가격 문제다.

아울러 친환경 대체냉매는 오존층붕괴지수 제로와 저(低) 지구온난화지수, 무독성에 높은 에너지 효율성은 우선적 조건이며 무가연성 등은 자주적 선택으로 이뤄질 전망이다.

시대가 변하면서 ‘LPG자동차’는 이미 친환경연료 자동차로 입지를 굳혔고, LNG를 160바 이상으로 압축된 ‘CNG’ 버스와 승용 자가용과 화물차로 확대된 만큼 250g정도 승용차량 에어컨에 주입되는 가연성 친환경․고효율 냉매가스는 아무 문제없는 저렴한 이점만 갖고 있다.

'가연성'이나 ‘비 가연성’ 물성아닌 '요오드' 타입 친환경 냉매가스는 화재 때 냉매가 직접 불을 진화시키는 소화기 역할을 하는 만큼 빌딩 냉매에 적합한 냉매도 이미 개발돼 있다.

1997년 8월 테크노캠 환경벤처기업을 설립한 TCC는 당시 자연냉매(HC) 분야에서는 거의 유일무이한 존재였기에 이런 최첨단 국산제품을 개발하고 판매하는 거고, 천연탄화수소계 혼합냉매(R-600a &R-290계열)로 개발된 ‘OS-12a(R346A)’ ‘OS-12bR436B)’는 국내 발명특허는 물론 전 세계 77개국에 특허 등록과 출원된바 있다.

R-12냉매시대인 만큼 냉각성능과 효율특성(COP), 신뢰성 동등 이상 수준에 더 해 오존층붕괴지수(ODP)와 지구온난화지수(GWP), 에너지소비효율(EER) 등에서도 탁월한 환경친화성 인정과 신기술인증(NT)도 받았다. HCFC와 HFC, HC 등의 대체냉매 중 업계‧학계에서의 최대 관심을 끌었던 자연냉매 기술이 최대 경쟁력 기반이 되면서 지난 2000년 중국에 5백만 달러 냉매 생산설비 수출과 아울러 미국의 냉매전문업체인 얼라이드 시그널사와의 공동마케팅 업무제휴 등 미국 EPA 인증과 ISO-9001인증도 획득했다.

이런 친환경 천연 냉매가스의 탄생은 일본 냉매시장 50%를 점유한 Kyokuto사와 국내 최초 장기수출계약을 체결하는 등 3년간 무려 1천2백50만 달러의 수출실적이 예고된 가운데 1회 충전용인 캔에 ‘OS-12a’와 ‘OS-12b’를 충진 수출했다.

이런 기술은 현재 승용차 기준 듀폰사 수소계열 비가연성 냉매 대비 80%, 가연성 냉매인 134a와 1234yf는 40% 정도의 양에 불과한 250g정도만 주입되기 때문에 안전 위험도 거의 없고, 냄새는 오히려 운전자에게 리크를 알리는 실시간 정보가 될 수 있다.

흔히 나노로 비유하는 고 밀도 특성과 적은 주입량의 노하우로 생산된 전천후적인 친환경 냉매가스 TCC 제품을 내연기관 차량에 주입하는 순간 뛰어난 압축 비율이 연비와 배출가스를 30% 정도 좋아지게 하는 동시에 증발기와 압축기를 비롯한 냉동유 타입도 전혀 구애 받지 않는다.

아울러 최근 출시한 ‘실외기 없는 저 전력’ 차세대 에어컨디셔너기능의 냉‧난방 장치는 건물과 주택은 물론 내연기관이나 전기 차 특히 배터리를 사용하는 데 있어 운행거리와 직결되는 에어컨과 히터 가동 시 급격하게 손실되는 배터리 방전비율 30% 이상을 보상해 준다.

실외기가 있는 냉‧난방장치로서는 도저히 해결 못할 상대 열과 냉기 방출 문제를 간단하게 해결했다. 차가우면 반대는 뜨겁고, 한쪽이 뜨거워지면 그 반대는 차가워지는 열에너지 법칙으로 이해 못할 이 제품 특성은 이렇게 불필요한 온기와 냉기를 방출시켜 주는 ‘실외기’ 자체가 없기 때문에 ‘백문이 불여일견’이다.

일체형의 전력소모는 50W에서 80W, 150W 사이로 ‘마이크로모빌리티‘와 승용차량을 비롯 카고 트럭과 버스용까지 다양한 제품이 개발돼 있고 마스터 전기자동차에도 장착을 준비하고 있다.

더욱이 온도 격차에 의한 화합 비중 달라지면 실내 쪽 고압호스 등에 맺히는 이슬과 성애가 생성되는 에어컨 단점까지 해결한 만큼 전기 차뿐만 아닌 내연기관차량도 친환경 냉매가스 교체비용은 1/10 이고 압축효율은 30% 업그레이드되면서 상대적으로 에너지와 출력 소모까지 30%정도 줄이는 지구환경 지킴이가 된다.

TCC는 정수기 급속 아이스 제조 기술을 공여하면서 3년 전 '전기자동차용' 저전력 일체형, 한 마디로 실외기 없는 에어컨과 히터가 되는 에어컨디셔너 개발·생산에 착수했다.

성질과 특성이 다른 냉매가스들이 2중 고압관로 내를 순환하면서 겨울철엔 차가워진 냉기를 뜨겁게 하고, 반대로 여름철 냉기 발생을 위해 뜨거워진 열은 자체적으로 차갑게 상쇄하는,'열에너지'와 '에너지법칙'에 위배되는 일을 극복해 냈다.

냉매가스 마술사 손에 의해 일찍이 탄생된 다중 '히팅' 파이프와 새로 개발된 친환경 저 전력 냉매의 융합이 열과 냉기를 자체적으로 사라지게 하는 특성과 아울러 변하지 않는 콘덴싱의 양면성을 발휘하고 있다.

실외기가 없는 모든 일체형 에어컨에는 맑은 공기로 정화시켜 주는 다중 필터 기능까지 내장돼 별도의 공기청정기가 없어도 되고, 여름에는 뜨거운 바람, 겨울은 냉기를 전혀 배출하지 않는다. 친환경 신 냉매 기술로 탄생된 실외기 없는 'D/C' 'A/C' 저 전력 냉‧난방 장치는 '빌딩 형‘과 ’소형 가정용'을 비롯 ‘자동차’용으로 구분되지만 냉방과 난방 기능을 자동 선별 한다.

옥외와 실내 온도, 습도와 CO2 농도에 따라 모드가 자동으로 선택되기 때문에 차에서 쉬고 잠을 청하는 카고 트럭 기사 분에게 “저 전력 일체형 냉 ‧ 난방 장치는 아주 필요한 동반자가 될 것이다. 가정용 에어컨을 장착한 경우 시원하고 겨울철 히터 용량도 크지만 주행 상태가 아니면 시동을 걸 수 없는 환경법 때문에 쉬거나 잠을 청할 때 마다 ‘무용지물’이 된다.

이런 문제를 해결하기 위해 국토부는 화석연료를 태우는 ‘무 시동장치’가 아닌 배터리를 이용하는 무 시동장치 구입비 명목으로 21억 원을 지원한 한편 신 기술인정 문호도 개방했다.

친환경 저 전력 냉방장치와 냉매가스가 환경파괴 주범에서 문명의 이기물로 되돌아온다. 현재마이크로 모빌리티에 장착되고 있는 80W급 저 전력 냉 · 난방 장치는 한 여름 실내 온도를 15℃로 낮추지만 체온과 잠열 온도를 포함 2℃ 정도를 마이너스로 상쇄하면 수치상은 17도가 된다.

50w로 가동되는 초소형 급은 IoT와 Heat Pump, 전열 형 열교환기, 융복합 냉‧난방 겸용 복합모델로 증발기에서 발생된 응축수를 고르게 분사하고, 모세관 원리로 방열기에 흐르게 함으로써 열효율을 극대화한 것으로 알려지고 있다.

엔진이 필요 없는 무 시동 개념 냉 ‧ 난방장치 200만대 판매를 목표로 한 TCC는 가장 시급한 겨울철 화두인 종점 첫 출발 버스 기사와 승객을 위한 일체형 또는 기존 시스템을 교체하는 방법을 착안 개발했다.

개발자 오석재 박사는 자칫 ‘환경파괴 主犯’이 될 뻔한 에어컨 냉매가스와 저 전력 냉 ‧ 난방 장치 위상을 찾는데 사활을 걸었다. 실외기가 없기 때문에 한 여름철은 시원한 냉기만큼 외부로 열기를 뿜어내고, 겨울철은 따뜻한 만큼 냉기를 배출하는 실외기 자체가 없는 게 바로 ‘저 전력 냉‧난방장치다.

열과 냉기를 대기 중으로 방출시키는 ‘실외기“ 자체가 없기 때문에 친환경 에어컨디셔너 개념을 갖고 개발된 전천후 적 제품의 교체야 말로 친환경에 앞장서는 한국 기업의 정신과 고질적인 환경 파괴관련 요인을 떨쳐버린 세계적인 문명의 利器’로 되돌리는 마지막 기회라 생각한다.

김경배 교통전문위원 다른기사 보기