1989년 프레온계 냉매의 대체 가능한 물질로서 $CO_2$재 출연하게 되었고, 그 이후 관련 연구는 점차 증가하였다. 1996년 북미 지역에서 $CO_2$의 연구는 일리노이 대학내 ACRC (Air Conditioning and Refrigeration Center)에서 최대로 시작되었다. 연구비의 90%는 산업체에 의해 지원되었고, 나머지는 미국 정부에 의해 지원되었다. 본 고는 자동차 및 가정용 에어컨 및 열펌프 시스템 및 구성부품 개선에 대한 전반적인 연구활동에 관해 기술하였다. 또한 시스템 성능 비교 결과는 열전달, 압력강하, 사이를 변환,냉매 분해에 대한 연구 지침을 제시하였고, 지속적인 연구 노력을 통하여 천연냉매를 이용하여 간접적인 지구온난화 가스 방출을 최소화하기 위한 시스템 효율을 증가시키고 빈다. $CO_2$의 고유 특징인 초임계 $CO_2$사이클, $CO_2$의 열역학 및 전달 물성치를 통한 효율 개선, 내부 열교환을 통한 사이클 성능 개선방안도 기술되었다.