고성능 컴퓨팅과 전기차 전환을 위한 냉각 혁명, 미국 액침 냉각 오일 시장의 공급망 동향

액침 냉각유 HS Code 271019

AI 데이터센터 수요 증가로 인한 다양한 발열 통제 솔루션 급부상
젠슨 황 엔비디아 CEO는 최근 실적 컨퍼런스 콜에서 자사 AI 가속기 블랙웰 사용을 위해서는 액체냉각 시스템 등 획기적인 발열 통제 솔루션이 AI 전환에 ‘게임 체인저’가 될 것이라고 언급했다. AI 모델 가동 시 서버 발열은 추론 속도에 큰 영향을 미치므로 서버 온도를 20~25도 사이로 맞추기 위한 냉각 및 공조 시스템은 AI 데이터센터 구축에 필수적인 요소로 여겨진다. 기존에는 에어컨 및 환기 시스템을 통해 공기를 차갑게 하여 서버의 발열을 통제하는 ‘공랭식’이 지배적이었으나, 전력 소모가 크고 및 공간 효율성이 떨어져 새로운 솔루션의 필요성이 증대되었다.
이러한 배경 아래 상용화 된 기술이 ‘액체 냉각’이다. 서버 내부에 냉각수를 수랭식 라디에이터 또는 냉각 유닛을 통해 순환시켜 열을 제거하는 방식으로, 공랭식보다 냉각 효율성 및 공간 효율성이 좋다. 하지만 전자 장비에 액체를 순환시키는 것은 누수, 부식, 불순물 축적 등의 문제가 잠재되어 있다. 액체 냉각보다 한 단계 발전된 기술로 주목받고 있는 기술은 ‘액침 냉각’으로, 서버나 전자 장비를 비전도성 액체에 완전히 담가 열을 제거하는 방식으로, 냉각 효율성이 가장 높으며, 비전도성 액체를 사용하기 때문에 누전이나 전기적 손상 위험이 없다는 장점이 있다.

전기차 배터리에도 활용되는 액침 냉각
액침 냉각은 데이터센터뿐만 아니라 전기차 배터리의 발열 문제를 해결하기 위한 기술로도 주목받고 있다. 배터리 온도가 올라가면 전력 소비량도 증가할 뿐만 아니라 화재 위험성도 높아지므로 전기차도 발열 통제 기술이 중요한 분야 중 하나이다. 전기차 배터리는 고속 충전과 방전 과정에서 높은 열이 발생하는데, 액침 냉각은 배터리 셀의 온도를 균일하게 유지하고 열 폭주를 억제하여 화재나 폭발로 이어지는 것을 막을 수 있으며, 충전 중 열 발생을 효과적으로 관리하여 충전 시간을 단축하고 배터리 수명을 연장하는데 기여한다. 일례로 CES 2024에 참가한 대만 전기차 배터리 스타트업 XING Mobility는 배터리 셀을 특수 냉각유에 담가 최적의 전기차 배터리 열 관리 솔루션을 선보여 주목을 받기도 하는 등 상용화 단계에 다가가는 추세임에 따라 액침 냉각액에 대한 수요도 높아질 것으로 전망된다.

액침 냉각 기술 설명 및 주안점 : 고품질, 친환경성

액침 냉각 기술은 서버를 절연된 냉각액에 직접 담그는 방식으로 서버 전체를 액체에 침수시켜 발열을 즉시 제거한다. 액침 냉각은 사용되는 절연 유체에 따라 단상(Single Phase) 방식과 2상(Two-Phase) 방식이 있다.

<단상 방식과 2상 방식의 비교>

구분	단상 방식 (Single-phase)	2상 방식 (Two-phase)
개념도
냉각 원리	냉각액이 액체 상태로 유지되며 열을 흡수한 후 외부 열교환기로 이동해 열을 배출	냉각액이 기화해 열을 흡수하고 응축기에서 다시 액체로 변환된 후 재순환
냉각액 종류	전기 절연 액체 (예: 합성 오일, 실리콘 오일)	낮은 비등점의 전기 절연 액체 (예: 불소계 냉매, 3M Novec)
열 전달 방식	순환 펌프를 통해 열을 외부로 전달	냉각액의 기화와 응축을 통해 열 전달, 자연 대류로 순환 가능
냉각 효율	열 전달 효율이 안정적이지만 상대적으로 낮음	높은 열 전달 효율을 제공하며, 작은 공간에서도 효과적
운영 온도	냉각액이 기화하지 않아 더 넒은 온도 범위에서 안정적	냉각액의 비등점에 따라 제한되며 보통 약 50℃ 내외에서 기화 시작
장점	구조가 단순해 설치 및 유지 보수가 용이하고 냉각액이 기화하지 않아 밀폐된 구조에 적합	냉각 효율이 높고, 기화 과정으로 인해 자연 대류를 통한 효율적 순환 가능
단점	고열 밀도 서버 환경에서 효율이 떨어질 수 있으며, 냉각액 순환 펌프가 필수	복잡한 응축 시스템을 구축해야 하기 때문에 초기 구축 비용이 높음
적합 환경	중간 열 밀도 서버, 일반적인 데이터센터 환경	고열 밀도 서버, 고성능 컴퓨팅(HPC) 및 AI 작업 부하 환경
운영 비용	상대적으로 낮음	초기 설치 비용이 높지만 고효율 냉각으로 장기 운영 비용 절감 가능
환경적 영향	친환경적인 절연 액체 사용 가능	일부 냉매의 환경 영향 고려 필요, 재사용 가능하나 주기적 보충 필요

 
액침 냉각에 사용되는 냉각액은 전기 비전도성과 높은 열전도성을 가져야 하며, 장비와의 화학적 반응을 최소화해야 한다. 대표적으로 실리콘 오일, 플루오르화 탄소 화합물, 미네랄 오일 등이 사용된다. 그러나 일부 냉각액은 장기 사용 시 파울링(침전물 축적)이나 이물질 생성 문제가 발생할 수 있어, 냉각액의 품질 유지와 재활용 방안이 설계 단계에서 중요한 과제로 떠오르고 있다. 이 외에도, 일부 냉각액(PFAS과불화화합물 기반 유체)은 환경 규제로 인해 사용이 제한되고 있어 친환경적이고 지속 가능한 냉각액 개발이 기술적 도전 과제로 여겨진다.

액침 냉각액 시장 동향
시장조사기관 Marketsandmarkets에 따르면, 액침 냉각액 시장은 2023년 18억달러 규모에서 2030년까지 32억달러 규모로 연 평균 8.2%씩 성장할 것으로 예측된다. 미국 시장에 대한 통계치는 없으나, 액침 냉각 솔루션의 주 수요처인 데이터센터와 전기차 산업을 모두 미국이 선두하고 있는 바, 전 세계에서 가장 큰 액침 냉각 수요 시장이 형성되어 있는 것으로 추측된다.

액침 냉각액 주요 제조 기업

특수 냉각액은 실리콘 오일, 미네랄 오일, 플루오르화 탄소화합물 등 고급 윤활유를 원료로 제조하므로 화학 및 정유 회사들의 제품 라인업 중 하나로 출시되고 있다. 주요 기업은 다음과 같다.
- 3M(미국) : 3M은 Novec Engineered Fluids라는 브랜드의 특수 냉각액을 제조하며, 데이터센터와 전기차 배터리의 액침 냉각에 사용되고 있다.
- Engineered Fluids(미국) : ElectroCool 및 ElectroSafe라는 브랜드로 특수 냉각액을 제조, 데이터센터의 서버 냉각 및 전기차 배터리 냉각을 위해 설계되었으며, 비전도성, 고효율 열전달, 친환경성을 강조한다.
- Shell(네덜란드) : 가스-액체 전환 기술을 활용한 액침 냉각액 제조하며, 천연가스의 화학적 변환을 통해 윤활유 등을 생산하여 석유 기반 제품 대비 친환경적이다.
- Sinopec Lubricant Company(중국) : 세계 4위의 윤활유 제조 업체로 고순도의 냉각유를 제조한다.

수입 동향

액침 냉각액은 HS코드는 2710.19로 전기전열유(석유와 역청유(원유를 제외한다) 및 따로 분류되지 아니한 조제품(석유 또는 역청유의 함유량이 전중량의 100분의 70 이상인 것으로서 석유 또는 역청유가 조제품의 기초적 성분으로 되어 있는 것에 한한다)) 및 웨이스트 오일에 해당된다.

HS코드 2710.19 기준 2023년 미국 수입액은 약 360억 달러로 전년대비 약 23% 감소하였다. 최대 수입국은 2023년 수입액 약 80억달러를 기록한 캐나다로, 전체 수입시장의 22.3%를 차지한다. 우리나라는 미국 접경국인 캐나다, 멕시코를 제외한 원거리 국가로서는 가장 많은 양을 수출하고 있으며, 2023년 수입액 34억 5천만달러를 기록하며 3위에 올랐다.

미국의 수출동향

한편, 미국은 액침 냉각액의 주요 수출국이기도 하다. 2023년 수출액은 약 550억 달러로 전년대비 21.5% 감소했으나 여전히 글로벌 공급망에서 중요한 역할을 하고 있다. 최대 수출 대상국은 멕시코로, 2023년 수출액 113억 달러를 기록하며 전체 수출의 약 20.6%를 차지했다. 캐나다는 54억 달러로 세 번째로 큰 수출국이며, 미국과의 지리적 근접성과 산업적 연계성이 주요 요인으로 꼽힌다. 이 외에도 남미, 유럽, 아시아 등 다양한 지역으로 수출이 이루어지며, 데이터센터와 전기차 배터리 수요가 높은 국가들에서 미국산 냉각유의 시장 점유율이 지속적으로 증가하고 있는 것으로 분석된다.

관련 정책 및 제도
액침 냉각액과 같은 특수 화학 제품은 주로 환경 보호, 안전 등의 규제 법령을 적용 받는다. 특히 액침 냉각 기술 중 2상 방식은 유해물질을 포함한 냉매를 사용하고 있다. 일부 냉각액 (PFAS 기반 화학 유체)은 환경 규제를 받을 뿐만 아니라, 미국의 경우 유해물 피해 소송으로 패소할 경우 수십억 달러 규모의 비용이 발생할 수 있기 때문에 주의해야 한다. 일례로 글로벌 화학 기업 3M은 PFAS 생산을 2025년까지 중단할 계획을 발표 하기도 하였다.

시사점

액침 냉각 기술은 데이터센터, 전기차 배터리, 에너지저장장치(ESS) 등 다양한 고발열 장비의 열 관리 문제를 해결 할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 그러나 여전히 초기 투자 비용이 크고 기술적인 과제들이 있으며, 냉각유의 안전성 및 환경 오염 가능성에 대한 문제 역시 남아있다. 따라서 국내 기업의 냉각유 시장 진출 전략 모색 시, 기술 개발 차원으로는 무독성, 생분해성을 갖춘 친환경 제품을 고려해야 하며, 시장 전략 차원으로는 데이터센터 외에 전기차, ESS, 선박용 배터리 등 다양한 응용 분야에 맞춘 전용 냉각유 개발을 통해 시장 점유율을 확대해야 할 것이다.



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