[대전=NF통신] 이기종 기자= 한국연구재단(NRF)은 광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학과 송영민 교수팀이 외부전원 없이 밀폐된 공간의 온도를 낮춰줄 친환경 소재로 된 구조체를 개발했다고 7일 밝혔다.

화석연료 고갈로 인한 차세대 대체에너지 개발 수요와 더불어 에너지를 효율적으로 이용하려는 노력이 전 세계적으로 활발하다.

또 외부전원 공급 없이 발열제품 또는 빌딩·플랜트 등의 온도를 낮추기 위한 기구인 수동복사 냉각 구조 역시 그 같은 노력의 일환이다.

최근에는 야간뿐만 아니라 주간에도 사용할 수 있는 수동형 복사 냉각 구조 연구가 활발하다.

주간 활용을 위해서는 태양광은 강하게 반사시키고 내부 열은 전자기파의 형태로 외부공간으로 효과적으로 방출해야 한다.

특히 주차된 차량이나 건물같이 열적으로 밀폐된 공간에는 기존 수동 복사 냉각기를 이용한 주간 냉각에 한계가 있다.

이는 건물 및 차량 유리의 경우 가시광영역에서 투명하나 장 적외선(10 μm 이상의 전자기파)을 반사하는 특성 때문이다.

이로 인해 유리를 통과한 태양광은 차량 내부 물체를 가열하고 가열된 내부 물체는 장적외선 파장을 재복사한다.

또 재복사된 장적외선 파장은 내부에 열이 갇히는 온실효과를 만든다.

한편 현재까지 연구된 수동형 복사 냉각 구조는 대기를 향하고 있는 소자의 열 방사율을 극대화시켜 냉각하는 방식이다.

이는 부착된 주변 위치만 냉각되므로 실내에서 가열되거나 온실 효과로 인해 내부가 가열되는 상황에서는 냉각하기 어려운 구조이다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 복사 스펙트럼 제어를 통해 상단의 선택적 복사기와 하단의 광대역 복사기 역할을 하는 야누스 열 복사기를 제작하고 밀폐공간 냉각을 이뤘다. 

연구과정을 보면 이상적 선택적 복사기를 개발하고 냉각성능을 평가했다.

이는 기판의 방사율이 대기의 창 영역(8~13 μm)에서 선택적으로만 존재할 경우 복사로 우주로 열을 방출하는 양이 대기로부터 흡수되는 열의 양보다 월등히 많게 되기 때문에 복사 냉각에 보다 효과적이다.

이를 위해 기존 유전체 다층 박막 또는 메타구조를 도입한 선택적 복사기는 특성이 이상적 수치에 도달하기에는 턱없이 부족한 수준이며 공정방식도 복잡하다.

이를 극복하기 위해 낮은 복사 특성을 갖는 일부 파장에서 공진이 발생할 수 있도록 표면 플라즈몬 폴라리톤(sSPP) 구조와 분산 관계를 사용해 이상적 선택적 복사기를 개발했다.

이후 시뮬레이션을 통해 얻은 열 복사 구조를 분석하기 위해 폴리머(PDMS), 은(Ag), 석영(SiO2)을 이용해 설계된 구조를 반도체 공정을 통해 제작하고 태양광 아래에서 온도변화를 관찰했다.

이 과정에서 주변 대기온도보다 선택적 복사 소재의 표면 온도가 최대 약 6 ℃ 낮은 것을 확인했다.

또 공간 냉각을 위해 단면 복사 특성만 가진 기존 수동 복사 냉각 시스템과는 차별된 양면 복사 특성을 갖는 복사 냉각기를 제안했다.

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.

이를 통해 태양광을 강하게 반사(90% 이상)하는 금속 은(Ag)을 기준으로 위 아랫면에서의 복사 특성을 분리하고 아랫면은 밀폐된 공간에서 열을 흡수하고 흡수된 열을 윗면을 통해 방출시킨다.

이러한 원리로 인해 로마신화에 나오는 두 얼굴의 신, 야누스를 따라 야누스 복사 냉각기라고 명명한 이유이다.

이 연구결과에 의하면 기존 수동복사냉각 소재가 표면만 냉각시키는 데 반해 이 소재는 차량 내부의 온도를 43℃에서 39℃로 4℃가량 낮출 수 있는 것으로 나타났다.

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

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구지원사업(기초연구실 및 중견연구지원사업)과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐고 국제학술지 사이언스 어드밴시즈(Science Advances)에 9월 4일 게재됐다.