전 세계적으로 지속가능한 에너지기술 및 효율적인 에너지관리방안 마련이 시급한 상황에서 국내 연구진이 에너지 없이 에어컨처럼 냉각이 가능한 친환경 제로에너지 냉각소재를 개발했다.
한국화학연구원(원장 이미혜) 김종석·박찬일 박사, 박초연 학생연구원, 유영재 중앙대 교수, 이재호 캘리포니아대 UCI 교수 공동연구팀은 최근 다양한 분야 냉각에 활용할 수 있는 친환경 수동 복사냉각 소재를 개발했으며 과학기술분야 국제학술지 ‘ACS Sustainable Chemistry & Engineering’ 2022년 5월호 표지논문으로 게재됐다.
수동 주간 복사냉각은 플랑크법칙에 따라 물체에서 자발적으로 발생하는 전자기복사를 이용해 열을 방출시키고 태양빛은 반사해 물체의 표면온도를 낮춘다. 수동 복사냉각기술은 낮에도 복사냉각을 유지하기 위해 태양빛을 95% 이상 반사하면서 열방출을 용이하게 하는 소재기술이 중요하다.
지구 대기를 구성하는 산소, CO₂, 물 등은 0.8~25㎛ 적외선 파장 대부분의 열을 흡수하지만 그중 8~13㎛ 대기창 영역의 열은 오히려 투과시키는 특성을 보인다. 대기창 영역에서 물질의 방사율을 제어하면 열방출을 극대화해 표면을 냉각할 수 있다.
기존 연구된 수동 복사냉각소재는 태양광을 반사하기 위해 알루미늄 또는 은기판 위에 열방출을 위한 구조체들을 도입했기 때문에 비싸고 충격에 약했다. 또한 공정이 복잡하고 대면적화가 어렵다는 등의 단점으로 실제 건물에 응용할 수 없었으며 분해와 재활용이 불가능해 사용 후 환경문제를 발생시킬 수 있었다.
효율적 열관리·친환경성 동시 만족
이에 따라 화학연과 중앙대 공동연구팀은 별도의 반사층기판 없이 생분해성 고분자인 폴리락타이드(PLA) 내에 열유도 상분리 공정을 통해 계층적 기공구조를 가지도록 설계했다. 연구팀은 기공구조제어를 통해 PLA필름의 태양광 반사율 특성을 조절하는 것은 물론이고 열복사가 우수해 낮에도 복사냉각효과가 뛰어난 신소재를 개발했다.
이번에 개발된 친환경 수동 복사냉각소재는 햇빛의 95% 이상 반사해 직사광 아래에서도 열복사에 의해 물체의 표면을 냉각시키는 기술로 이번 기술개발을 통해 여름철 냉각이 중요한 건물, 자동차, 태양전지 등 다양한 분야에 응용해 에너지 없이 효율적인 열관리가 가능할 것으로 기대된다.
또한 생분해되는 친환경 소재를 활용해 폐기물이 발생하지 않아 친환경 냉각소재로 널리 사용될 전망이다.
옥외에서 테스트한 결과 개발된 복사냉각용 필름은 여름철 직사광 아래에서 주변온도보다 9℃가량 낮았으며 상용 화이트 페인트대비 냉각효과가 우수한 것으로 확인됐다.
특히 미국 캘리포니아대에서 실시한 시뮬레이션에 따르면 서울 기준 약 100m² 면적의 건물에 이 기술을 적용할 경우 연간 최대 8.6%의 전력소비를 줄일 수 이어 우수한 에너지절감효과가 있는 것으로 나타났다.
또한 PLA필름의 생분해성을 평가한 결과 PLA 소재 특유의 생분해성으로 시료의 크기가 점차 줄었으며 12일차에는 최종적으로 분해됨을 확인했다. 향후 상용 페인트를 대체할 경우 건축 폐기물 발생을 줄일 수 있어 경제적 친환경 소재로 활용될 것으로 기대된다.
이미혜 화학연 원장은 “이번 기술개발로 소재 및 에너지소자분야 관련기업과 적극적인 협업을 통해 에너지절감 및 효율적인 열관리를 위한 핵심기술을 선점할 수 있을 전망”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 화학연 기본사업, 산업부 산업연계형저탄소공정전환 핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
전 세계적으로 지속가능한 에너지기술 및 효율적인 에너지관리방안 마련이 시급한 상황에서 국내 연구진이 에너지 없이 에어컨처럼 냉각이 가능한 친환경 제로에너지 냉각소재를 개발했다. 
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