한여름 찜통차 걱정 끝? 야누스 냉각소재 개발

GIST 송영민 교수팀, 태양빛 반사와 내부 열 방출 동시에

[아이뉴스24 최상국 기자] 여름철 뙤약볕 아래 차를 세워두면 차 안은 금새 찜통이 된다. 유리를 통과한 태양 복사열이 차량 내부 물체를 가열하고, 가열된 내부 물체는 장적외선 파장을 재복사해 차량 내부에 열이 갇히는 ‘온실효과’를 만들어낸다. 차량에 방치된 영유아들이 열사병으로 사망하는 안타까운 일이 종종 발생하는 것도 밀폐된 공간에서는 순식간에 온도가 급상승하는 현상 때문이다.

광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학과 송영민 교수 연구팀은 이같은 문제를 해결하기 위해 별도의 전원 없이도 밀폐된 공간의 온도를 낮춰줄 수 있는 냉각소재를 개발했다고 밝혔다.

연구팀이 '야누스 복사 냉각기'라고 이름붙인 이 새로운 소재는 외부의 태양열은 반사하고 내부 공간의 열은 밖으로 빼내는 두 가지 기능을 동시에 할 수 있어 밀폐된 공간의 극단적 가열을 방지할 수 있다.

연구팀은 "쾌적한 실내온도 유지를 위한 차량지붕용 소재 뿐 아니라 전자기기의 발열을 막을 방열소자나 냉방에너지 절약을 위한 건축물 시공 등으로의 응용을 위한 단초가 될 것"으로 기대했다.

야누스 냉각 구조가 적용된 열적으로 밀폐된 공간의 열 방출 모식도 [GIST 송영민 교수 제공]

개발된 소재는 위에서부터 차례로 폴리머(PDMS), 은(Ag), 석영(SiO2)으로 된 두께 500μm정도의 다층패널이다. 온도를 낮추고자 하는 공간의 위를 덮는 형태로 냉각 효과를 낼 수 있다.

태양광을 90% 이상 반사하는 은(Ag)을 기준으로 위 아랫면에서의 열복사 특성을 분리했다. 윗면은 8~13 μm의 장파장 적외선 대역만 선택적으로 복사해 열방출 능력을 극대화하고 아랫면은 광대역 복사로 가장 많은 열을 흡수할 수 있도록 구조체를 설계함으로써 열적으로 밀폐된 공간의 열을 빼는 효율을 높였다.

직사광선 아래에서 주차된 차량에 적용된 야누스 구조의 모식도. (확대된 구조) 제안된 야누스 구조는 위에서부터 순차 적으로 폴리머, 은(Ag), 및 마이크로 공진 구조의 석영(SiO2)으로 구성됨. (야누스 냉각기 윗면 폴리머) 야누스 냉각기의 윗면은 폴리머를 통해 대기 투과율이 높은 부분에서만 선택적 열복사 특성을 가짐.(야누스 냉각기 아랫면 석영) 야누스 냉각기 아랫면은 석영 기판을 통해 흑체 복사의 전체 파장 영역에서 광대역 열복사 특성을 보임. [GIST 송영민 교수 제공]

자연적 열 방출인 복사현상을 이용하는 냉각방식은 기존에도 있었다. 하지만 한 쪽 단면에서만 열을 방출하기에 냉각재가 부착된 표면의 냉각에만 그쳐 온실효과가 발생한 내부공간의 열을 배출시키기는 어려웠다.

개발된 냉각소재는 맨 아래 놓인 석영 구조체가 접하고 있는 밀폐된 공간 내부의 열을 흡수(광대역 복사)하면, 그 위의 폴리머 구조체가 이 열이 주변 공기를 데우는데 쓰이지 않도록 하면서 전자기파 형태로 방출(선택적 복사)해 밀폐공간의 온도를 낮춘다.

연구팀은 실제 차량모사 환경에서 측정한 결과 차량 내부의 온도를 43℃에서 39℃로 4℃가량 낮출 수 있는 것으로 나타났다고 밝혔다. 이는 자동차 소비전력의 10%를 절감할 수 있는 수준이다.

송영민 교수는 "이번 연구에서는 10㎠ 면적의 냉각판으로 실험했지만, 시뮬레이션을 통해 폴리머 기판의 경우도 시연 가능함을 확인했기 때문에 롤투롤 공정으로 대면적 제작이 가능할 것으로 기대한다"면서 "후속 연구에서는 주변 환경에 따라 적외선 복사 특성을 끄고 켤 수 있는 방식으로 온도 항상성을 유지하는 복사 장치를 고안할 계획"이라고 밝혔다.

(왼쪽부터) 김도현, 이길주, 허세연 연구원, 송영민 교수[GIST 송영민 교수 제공]

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구지원사업, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이 연구의 내용은 국제학술지 사이언스 어드밴시즈(Science Advances)에 9월 4일 게재됐다.

◇논문명: A Janus Emitter for Passive Heat Release from Enclosures

◇저자: 송영민 교수(교신저자), 허세연 박사과정, 이길주 박사과정(이상 공동 제1저자), 김도현 통합과정, 김영재 박사, 사토시 이시이 박사(일본국립재료과학연구소), 김민석 박사과정, 석태준 교수, 이봉재 교수(KAIST), 이헌 교수(고려대, 이상 공동저자)

최상국기자 skchoi@inews24.com

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