화학연·SK이노, AI 냉각소재 공동개발 착수

인공지능(AI) 반도체와 데이터센터의 전력 밀도가 기하급수적으로 늘어나면서 냉각 기술이 차세대 소재 개발의 핵심 전장으로 떠올랐다. 엔비디아의 최신 AI 가속기 한 개가 소비하는 전력이 1,000W를 넘어서면서, 기존 공기 냉각 방식만으로는 칩 온도를 안정적으로 유지하기가 사실상 불가능해진 상황이다.

한국화학연구원(원장 신석민)과 SK이노베이션 환경과학기술원(SKI, 원장 김필석)은 9월 15일 대전 화학연 본원에서 차세대 냉각 소재 공동 개발 협약을 체결했다. 두 기관은 이번 협력을 통해 소재 합성부터 산업 현장 적용까지 전 과정을 함께 진행하기로 했으며, 2026년 내 1차 소재 후보군 선정을 목표로 설정했다.

공동 개발의 핵심 기술은 '2상 냉각(Two-Phase Cooling)'이다. 냉각액이 열을 흡수하면서 액체에서 기체로 상태가 바뀌는 상변화 과정에서 막대한 열을 제거하는 원리다. 물이 100도에서 증발할 때 다량의 열을 흡수하는 것과 같은 메커니즘으로, 단순히 온도 차에 의존하는 기존 수냉식보다 냉각 효율이 수십 배 높다.

기존 공기 냉각 방식은 팬으로 뜨거운 공기를 배출하는 구조로 물리적 한계가 분명하다. 수냉식도 유체의 열용량에 의존하기 때문에 1kW급을 넘는 고발열 칩에는 역부족이다. 반면 2상 냉각은 같은 부피의 냉각재로 수십 배 열을 처리할 수 있어, 차세대 AI 칩에 적합하다는 평가를 받는다.

화학연은 불소계·탄화수소계 등 다양한 소재군에서 안전성과 환경 영향을 최소화하면서 냉각 성능을 극대화하는 신소재 후보군을 도출하는 역할을 맡는다. SK이노베이션 환경과학기술원은 도출된 소재를 양산 가능한 제조 공정으로 연결하고 실증 테스트를 주도한다.

신석민 화학연 원장은 '이번 협력은 정부출연연의 기초·응용 연구 역량과 기업의 공정·상용화 역량을 결합한 이상적인 모델'이라며 '2027년부터 파일럿 실증에 들어가겠다'고 밝혔다. SKI 측은 AI 데이터센터 냉각 솔루션 시장을 미래 핵심 사업으로 보고 있다고 전했다.

글로벌 데이터센터 냉각 시장은 2025년 약 180억 달러(약 24조 원)에서 2030년 430억 달러(약 57조 원)로 연평균 19% 이상 성장할 전망이다. 2상 냉각 방식은 이 시장 내 고성능 세그먼트에서 비중이 빠르게 확대되고 있다.

해외에서는 3M의 '노벡(Novec)' 계열 불소계 냉각재가 사실상 시장 표준이었지만, 2025년 3M이 환경 규제 문제로 해당 사업을 완전 철수하면서 대체 소재 확보가 시급해졌다. 이 공백을 국내외 화학 기업들이 겨냥하고 있으며, 한국은 이번 협력을 통해 선점 기회를 노린다.

국내에서는 SK이노베이션 외에도 롯데케미칼, 한화솔루션 등 대형 석유화학 업체들이 반도체 및 AI 인프라용 특수 소재 개발에 자원을 집중하는 추세다. 범용 화학 제품의 수익성 악화를 타개하기 위해 고부가 기능성 소재로 포트폴리오를 전환하려는 구조적 움직임의 일환이다.

정부도 이 흐름을 정책으로 뒷받침하고 있다. 산업통상자원부는 2026년 예산안에 AI 인프라 핵심 소재 국산화 R&D 예산 850억 원을 반영했으며, 출연연-기업 간 연구개발 협력 모델에 별도 인센티브를 부여하는 방안을 추진 중이다.

업계는 이번 화학연·SKI 협력이 양산 가능한 국산 2상 냉각 소재의 초석이 될 것으로 기대한다. 고성능 냉각재의 국산화가 실현되면 AI 데이터센터 인프라 구축 비용 절감은 물론 글로벌 공급망 안정성 측면에서도 의미 있는 진전이 될 전망이다.