(왼쪽부터)김종우 박사, 신다슬 박사.(사진=재료연 제공)

한국재료연구원(KIMS)은 나노재료연구본부 김종우 박사팀과 재료공정연구본부 신다슬 박사팀이 국내 최초로 소재-부품-모듈 전주기 자기냉각 기술을 개발하는 데 성공했다고 9일 밝혔다. 본 연구성과는 기존 가스를 냉매로 하는 냉각기술의 환경 문제를 해소해 친환경 고효율 대체 기술의 시장 진입 가능성을 연 것으로 기대된다.

자기냉각 기술은 가스 냉매를 사용치 않고 인가 자기장에 의해 냉매 온도가 변화하는 자기 열량 효과를 이용해, 고체 상태에서도 냉각을 구현하는 친환경 기술이다. 이러한 자기냉각 기술은 소재 제조 공정에서 높은 단가와 희토류 원소 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.

본 연구팀은 La계(란타넘) 합금과 Mn계(망간) 합금 등의 다양한 자기냉각 소재를 합성해 열간압연·냉간인발·마이크로 채널 가공 과정을 거쳐, 판재 및 세선 와이어 형태의 시편을 제작했다. 해당 공정으로 소재의 미세조직을 정밀하게 제어할 수 있게 돼, 냉각 효율과 신뢰성을 향상했다. 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 조절을 통해 냉각 특성이 개선되는 결과를 확보했다. 이 외에도 연구팀은 국내 최초로 자기냉각 소재·부품의 단열온도 변화를 직접 측정할 수 있는 장비를 개발 및 적용해, 공정별 특성 차이를 정량적으로 검증하고 최적화된 소재-부품-모듈 개발을 가능하게 했다.

국제적으로 냉매 규제는 점차 강화되는 추세이다. 몬트리올 의정서 키갈리 개정안에 따라, 2030년 이후에는 HFC, HCFC, R22 등 주요 가스 냉매의 생산과 사용이 전면 금지될 예정이다. 또한 재생 냉매를 포함한 일회용 냉매 용기의 사용도 전면 제한된다. 더 나아가 일부 독일 등 선진국에서는 기존 냉각 방식을 넘어서는 성능 계수(COP)를 달성한 자기냉각 시스템에 관한 연구 성과와 실증 보고가 잇따르고 있으며, 이는 글로벌 시장에서 자기냉각 기술이 차세대 핵심 냉각 솔루션으로 자리 잡고 있음을 보여준다.

이러한 글로벌 탈탄소 정책과 기후 변화 대응 기조에 따라, 친환경 대체 냉각기술 개발은 더 이상 선택이 아닌 필수로 자리 잡고 있다. 연구팀은 이에 대응해 우수 논문과 핵심 특허 확보로 자기냉각 분야 기술 경쟁력을 지속해서 강화하고 있다. 또한 부품 제조와 비희토류 자기냉각 소재 분야에서 세계 최고 수준의 성과를 일부 달성 및 국제 경쟁력까지 확보하는 중이다.

연구책임자인 김종우 책임연구원은 “본 기술이 상용화되면 기존 가스 냉매 기반 냉각기의 한계를 넘어 친환경적이면서도 안정적인 냉각 솔루션을 제공할 수 있다”고 말했다. 또한 신다슬 선임연구원은 “이번 창의형 융합연구사업을 통해 기술을 더욱 고도화해 국내 산업 생태계 조성과 글로벌 시장 진출에도 기여할 것을 기대한다”고 말했다.

본 연구는 한국재료연구원의 기본사업과 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원으로 수행됐다. 또한 연구 결과는 세계적인 학술지인 레어메탈스(Rare Metals, IF 11.0. 제 1저자 양선영 박사과정생)에 2025년 5월 게재됐으며, 연구팀은 자기냉각 평가 시스템 관련 국내 특허 등록을 완료하고 미국 특허를 출원했다.