지스트, 찜통차 예방 실마리… 친환경 냉각소재 개발  

- 야누스 포토닉 구조를 통한 내부온도 제어… 밀폐차량의 극단적 가열현상 해결 기대 

□ 찜통차처럼 밀폐된 공간에서의 온실효과로 인한 극단적인 과열을 해소할 실마리가 나왔다.

∘ 지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수 연구팀이 외부전원 없이 밀폐된 공간의 온도를 낮춰줄 친환경 소재로 된 구조체를 개발하였다.

□ 쾌적한 실내온도 유지를 위한 차량지붕용 소재 뿐 아니라 전자기기의 발열을 막을 방열소자나 냉방에너지 절약을 위한 건축물 시공 등으로의 응용을 위한 단초가 될 것으로 기대된다.

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

∘ 태양광을 강하게 반사(90% 이상)하는 금속 은(Ag)을 기준으로 위 아랫면에서의 복사 특성을 분리하여 아랫면은 밀폐된 공간에서 열을 흡수하고 흡수된 열을 윗면을 통해 방출시킨다. 로마신화에 나오는 두 얼굴의 신, 야누스를 따라 야누스 복사 냉각기라고 명명한 이유이다.

□ 물론 자연적 열 방출인 복사현상을 이용하는 냉각방식은 기존에도 있었다. 하지만 한 쪽 단면에서만 열을 방출하기에 부착된 표면(surface)의 냉각에만 그쳐 공간(space)의 열을 배출시키기는 어려웠다.

*수동형 복사 냉각 방식: 장적외선을 복사를 통해 방출함으로써 외부 전원 공급 없이 주변 온도를 낮추어주는 냉각 방식

□ 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)하여 밀폐공간의 온도를 낮춘다.

□ 실제 차량모사 환경에서 측정한 결과 기존 수동복사냉각 소재*가 ‘표면’만 냉각시키는 데 반해 이 소재는 차량 ‘내부’의 온도를 43℃에서 39℃로 4℃가량 낮출 수 있는 것으로 나타났다.

*기존 수동복사냉각 소재 : 태양광을 반사하는 알루미늄(Al) 기판, 두께 100 μm의 폴리머(PDMS)로 된 이상적인 광대역 복사기

∘ 이를 자동차 소비전력 절감효과로 환산하면 10% 절감할 수 있는 수준이다.

□ 한편 이번 연구는 10cm2 면적의 야누스 냉각판을 이용한 것이나, 면적에 비례해 방출에너지가 커지는 적외선 열복사 특성상 차량 같은 큰 체적에서도 냉각효과를 보일 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구지원사업(BRL 등)과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 기업으로 기술이전되는 한편 국제학술지 사이언스 어드밴시즈(Science Advances)에 2020년 9월 4일 게재되었다. <끝> 

[그림 4] 야누스 냉각 구조가 적용된 열적으로 밀폐된 공간의 열 방출 모식도

밀폐된 차량 윗면에 야누스 냉각 구조를 적용할 경우, 가장 아래에 있는 석영기판으로 된 광대역 복사기가 아래에 놓인 차량 내부의 열(붉은색으로 표시)을 흡수(노란색 표시)하고 이어 그 위에 있는 폴리머 기판으로 된 선택적 복사기가 이를 대기공간으로 방출(파란색 표시)하는 방식으로 차량 내부의 온도를 낮춘다.