지스트, 찜통차 예방 실마리···친환경 냉각소재 개발

야누스 포토닉 구조 통한 내부온도 제어···밀폐차량의 극단적 가열현상 해결 기대

야누스 소재 개발 연구팀

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.

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 소재가 ‘표면’만 냉각시키는 데 반해 이 소재는 차량 ‘내부’의 온도를 43℃에서 39℃로 4℃가량 낮출 수 있는 것으로 나타났다.

기존 수동복사냉각 소재는 태양광을 반사하는 알루미늄(Al) 기판, 두께 100 μm의 폴리머(PDMS)로 된 이상적인 광대역 복사기를 말한다.

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.