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1974년 미국의 F. S. Rowland 교수와 M. J. Molina 교수가 CFC(Chloro Fluoro Carbon) 및 halon gas가 성층권의 오존층을 파괴

1974년 미국의 F. S. Rowland 교수와 M. J. Molina 교수가 CFC(Chloro Fluoro Carbon) 및 halon gas가 성층권의 오존층을 파괴한다는 논문을 발표한 이래, 오존층 보호를 위한 비엔나 협약과 오존층 파괴 물질의 사용 규제를 근간으로 하는 1987년의 선진 24개국이 주창한 몬트리올 의정서(Montreal protocol) 및 1992년 코펜하겐 개정안에 의거 각종 CFC 및 halon gas 등을 점진적 사용 축소 및 궁극적으로는 전폐키로 하고 각국별로 이의 사용규제법 제정과 대체 물질 개발에 심혈을 기울이고 있다. 실제로 CFC에 대해서는 1995년으로 전폐 시한이 이미 지났고, HCFC(Hydro Chloro Fluoro Carbon)에 대해서는 위 도표와 같이 그 사용 만료가 속속 다가오고 있다.

이러한 국제 환경의 변화에 따라 캐리어㈜에서도 이에 대한 대체 냉매(代替冷媒, alternative refrigerant)에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 실제로 일본에서는 소용량 공조기에는 R-410a, 중대용량 공조기에는 R-407c의 사용으로 제품 개발에 임하고 있으며 일본 냉동 공조 공업회의 결정으로 HCFC 삭감 목표도 2004년으로 잡고 있다. 캐리어㈜도 이에 발맞추어 환경 친화적인 대체 냉매(R-410a) 사용 에어컨 개발을 주력을 기하고 있으며 현재 개발 중인 분리형 에어컨 P3/P4 기종 및 new CDU 기종에 이를 채용할 예정이다. 구체적으로 환경을 위한 대체냉매에 대해 알아보기로 한다.

 
  냉매의 종류와 명명법
냉매의 사전적 정의는 냉동기에서 저열원으로부터 열을 흡수하여 고열원으로 운반, 방출하는 작동 유체(作動流體, working fluid)의 총칭으로 되어 있다. 이 말은 전문적인 용어의 술어로 난해하기 때문에 쉽게 설명하여 열을 흡수하기 위해 증발하고, 방출하기 위해 응축되는 열교환 매개 물질로 이해하면 될 것이다. 이를 수행하기 위해서는 상변화(相變化, phase change - 에어컨강좌 코너를 참조)가 일어나는 것이 자명한 일이나 때로는 brine과 같이 상변화 없이 액상으로만 냉매의 역할을 하는 것도 있다. 상변화를 거치는 냉매를 1차 냉매(primary refrigerant), 상변화 없는 냉매를 2차 냉매(secondary refrigerant)라고 한다.
냉매는 크게 무기화합물(無機化合物, inorganic compound) 냉매와 유기화합물(有機化合物, organic compound) 냉매로 나뉘며, 유기 화합물 냉매에는 할로겐화탄화수소화합물, 환식(環式) 유기화합물, 불포화 유기화합물, 불포화 탄화수소의 하나인 지방족 화합물, 산소화합물, 유황화합물, 질소화합물, 공비혼합물(共沸混合物, azeotrope) 등 그 종류가 많으나, 본 장에서는 에어컨에 주로 사용되는 할로겐화탄화수소화합물과 공비혼합물에 대해서만 다루기로 하겠다.
할로겐화탄화수소화합물은 크게 CFC(염소-불소-탄소 화합물, HFC(Hydro Fluoro Carbon, 수소-불소-탄소 화합물), HCFC(수소-염소-불소-탄소 화합물)로 나뉘어지며 오존층 파괴 기구(mechanism)의 주범인 염소 가스가 없는 HFC는 대체 냉매로 각광 받고 있다. 이에 비하여 HCFC의 경우는 염소가 포함되어 있어도 공기 중에서 쉽게 분해되지 않아 오존층에 대한 영향이 작으므로 지금까지는 사용되고 있다. 이러한 할로겐화탄화수소화합물 냉매는 1921년 미국의 W. Carrier 박사가 암모니아가 아닌 새로운 냉매 개발에 대한 연구를 시작한 이래 미국의 화학자인 Midgley가 개발한 포화 탄화수소를 할로겐족 원소(F, Cl, Br, I, At)로 치환한 것으로 1930년 미국의 듀퐁(DuPont) 사에 의해 프레온(Freon)이라는 상품명으로 일반에 알려지게 되었다.
이 냉매에 대한 명명법은 다음의 식으로 사용되고 있으며, 여기서 R은 Refrigerant(냉매)의 약자이다.

R-xyz
x = 탄소 원자수 - 1
y = 수소 원자수 + 1
z = 불소 원자수

일례를 들어 CHClF2(monochlorodifluoromethane)의 경우, 탄소 원자수는 1, 수소 원자수는 1, 불소 원자수는 2이므로 위 식에서, R-022, 즉, R-22가 된다. 비슷한 방법으로 CFC 화합물에서 CCl3F(trichloromonofluoromethane)는 R-11, CCl2F2(dichlorodifluoromethane)는 R-12임을 알 수 있다.
공비화합물 냉매의 명명법은 간단하여 R-500부터 개발 순서대로 R-501, R502,……의 일련 번호로 구성된다.
 
  오존파괴 계수와 지구 온난화
오존층이 파괴되면 어떤 일이 벌어질까? 우리는 한 낮에 태양을 바라볼 수 있고, 태양 빛은 우리 의지와 관계 없이 지구 표면에 떨어지고 있다. 그러나 우리가 인지하지 못하는 가운데 오존층은 적외선, 가시 광선, 자외선으로 구분되는 태양빛에서 나오는 자외선을 적정하게 차단하고 있으며, 이 자외선은 살균의 효과가 있어 건강선(일명 도르노선)으로 불리우기도 하나 이에 심하게 노출되면 피부암을 유발하는 등의 역기능이 더하다.

따라서 오존층 보호의 필요성을 절감하게 되었고, 냉매에 대한 오존 파괴 계수(ODP, Ozone Depletion Potential)라는 지수를 마련하게 되었다. 이는 R-12의 경우를 1로 하여 상대적으로 나타낸 값을 지니게 된다.

알베도(albedo)라는 말을 기억하십니까? 그럼 혹시 온실 효과(溫室效果, greenhouse effect)라는 말은요? 알베도는 태양빛에 대한 흡수, 산란, 반사율을 나타내는 단위로 우리가 살고 있는 지구는 대기가 있어 흡수율이 높기 때문에 알베도 값이 높습니다(0.35, 달의 경우는 0.07, 수성의 경우는 0.06). 온실 속은 여름이고 겨울이고 덥죠. 냉매에서 발생되는 염소나 취소(Br, Brome) 등은 이와 같이 지구 온난화 현상을 가속시켜 남극의 얼음을 다 녹여서 이 세상을 물바다로 만들려고 하고 있답니다. 그리하여 이에 대해서도 지구 온난화 계수(GWP, Global Warming Potential)라는 지수를 마련하여 냉매에 대한 평가를 하게 되었다. 표 1의 주요 냉매의 ODP와 GWP를 나타내었다.


냉매 종류 ODP GWP 비고
R-12 CFC 1.000 8500
R-22 HCFC 0.055 1700
R-134 HFC 0.000 1300 대체 냉매
R-410 HFC 0.000 1730 대체 냉매
R-407 HFC 0.000 1530 대체 냉매[표 1] 주요 냉매의 특성
 
  계수대체 냉매의 종류와 특성
지금까지 알려진 대체 냉매는 그 종류가 많으나 그 중에서도 각광을 받았던 것은 표 1에서 보는 바와 같이 ODP, GWP 특성이 좋은 R134a였다. 그러나 이 냉매는 윤활성이 좋지 않고 압력 손실이 크며 열전달 계수가 낮은 특성을 지녀, 이후 신냉매 또는 혼합 냉매로 불리우는 R-410a와 R-407c에 대한 연구로 집중되었다. 이는 주로 AREP(Alternative Refrigerant Evaluation Program)이라는 대체 냉매 연구 위원회에서 수행하였는 데 각 냉매의 특성을 살펴보면 다음과 같다.


1) R-410a

근공비 혼합물(近共沸混合物, near azeotrope)로 R-32(50%), R-125(50%)의 2중(binary) 혼합물이다. 비등점이 거의 같으므로 취급이 쉬우나 포화 압력(증기압)의 상승(R-22 대비 약 50% 증가) 및 낮은 압력 손실을 특징으로 하고 있다. R-22와 거의 같은 열역학적 효율을 지니며 높은 열전달 계수를 자랑한다. 상품화된 것으로는 DuPont의 AC9100, Allied Signal의 AZ20을 들 수 있다.

2) R-407c

비공비 혼합물(非共沸混合物, zeotrope, nonazeotrope)로 R-32(23%), R-125(25%), R-134a(52%)의 3중(ternary) 혼합물이다. 비등점이 다른 혼합물로 비공비 혼합물의 특성상 누설시 증기압차로 R-32가 먼저 빠져 나가고 조성의 변동을 초래하여 서비스 문제를 야기하고 있다. 실제로 일부만의 보충은 난제이며, 그 외 다른 열역학적 특성은 R-22와 거의 유사하고 독성도 낮다.
상품화된 것으로는 DuPont의 AC9000, ICI(Imperial Chemical Industries), PLC의 KLEA66을 들 수 있다.
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