기후변화 시대 전기없이 냉방 가능한 복사냉각 액정소재에 색상까지 구현

2024년 키스트 연구팀이 기후변화 시대에 외부 전기 없이도 냉방을 가능하게 하는 복사냉각 액정 소재에 색상까지 구현해 디자인과 에너지절감을 동시에 해결했다. 

 

키스트 전기 없이도 냉방 가능 복사냉각 액정소재

전 세계 소비전력의 20%가 냉방에 사용된다. 복사냉각 기술은 선택적으로 태양광을 반사하거나 흡수해서 열을 방출하거나 온도를 떨어뜨리는 무전력 냉방기술이다. 전력소모가 심한 에어컨을 보조해서 차세대 친환경 냉각기술로 주목받는다. 

 

 한국과학기술연구원(키스트, KIST)의 나토포토닉스 연구센터 강진구 박사팀이 외부 전력 없이 냉각하면서 동시에 색상을 낼 수 있는 색상형 복사냉각 액정소재를 개발했다. 

 

https://www.kist.re.kr/ko/research/advanced-materials-recent-research.do?mode=view&articleNo=13442&title

 

 기존에 알려진 색상형 복사냉각 소재는 빛 흡수를 이용해 색깔을 냈기 때문에 온도 하강 효과가 낮았다. 대안으로 제시된 빛 반사를 이용한 광결정 형태의 색상형 소재들은 냉각 성능은 뛰어났으나 뚜렷한 색상을 구현하는데 한계가 있다. 

 

 낮 시간용 복사냉각 소재는 태양광 흡수를 낮추기 위해 흰색을 띠어서 여러 색상 구현이 어려워 심미적 요소가 필요한 건물이나 차량에 활용이 어려웠다. 이에 냉각과 심미성을 동시 충족하는 색상형 복사냉각 소재 개발이 관심을 끌었다. 

 

키스트가 복사냉각 액정소재에 색상 구현. KIST

 

 키스트 연구팀은 굴곡진 나선형 액정 광결정을 제작해서 이 문제점을 해결했다. 이번 연구에서 사용한 상용화 액정 LC242는 복사냉각으로 정렬시키면 주기적 구조를 통해 색을 띠는 광결정을 형성한다. 

 

 원구팀은 원심력으로 물질을 도포하는 회전코팅 공정으로 이런 색상형 광결정에 굴곡을 부여해 기존 광결정과 달리 선명한 색상을 구현할 수 있었다. 심미성이 고려되는 건물과 차량뿐 아니라 야외 레저용 소품과 군사용 텐트에도 전기 없이도 냉방을 공급할 수 있다.

 

 성능 또한 우수하다. 필름, 하부 금속 박막과 결합한 결과 한낮에 동일 색상 상용 페인트보다 약 30.8도, 주변 공기보다 약 3.1도 낮은 온도를 달성할 수 있었다. 

 

 게다가 이 액정을 단순한 저가 회전 코팅 공정으로 신속하게 제작할 수 있다. 대면적화에 성공한다면 향후 전자기기나 모빌리티 등에 광범위하게 냉각에 이용될 것이라고 강진구 박사는 밝혔다.

 

복사 냉각과 응용

복사냉각(radiative cooling)은 물체가 열복사에 의해 열을 잃는 자연스러운 과정이다. 어떤 물체가 흡수하는 빛 에너지가 방출하는 빛 에너지보다 적을 때 물체의 온도가 감소하는 현상이다.

 

 플랑크 법칙에 의하면 모든 물체는 자발적으로 연이어 전자기 복사를 발산한다. 복사(輻射)는 에너지를 파동이나 입자의 형태로 방출한다는 의미다. 복사와 방사는 둘다 영어로 radiation이다. 동사로는 radiate이다. 

 

 적외선은 전자기파 중의 하나다. 적외선은 파장 8~ 13 µm의 건조하고 깨끗한 대기를 통과할 수 있다. 에너지를 흡수하고 해당 파장에서 그 에너지를 복사할 수 있는 물질은 강한 냉각 효과를 나타낸다. 

 

 복사냉각 현상의 원리는 낮동안 태양광선으로 인해 온도가 올라갔던 지표면이 밤 사이 열 에너지를 적외선 형태로 공기 중이나 대기권 밖으로 내보내 온도가 내려가는 현상이다. 즉, 지구 지표면의 열이 지구 밖으로 빼앗겨 공기 중의 온도가 떨어진다. 

 

 전기 없이도 시원한 복사냉각기술도 개발됐다. 자동차 표면이나 빌딩 겉표면이 흡수한 열기를 외부로 방출하는 방식으로 전기를 쓰지 않고도 온도를 낮출 수 있다.  

 

 국내 연구팀이 복사냉각 원리를 응용한 페인트와 필름을 개발했다. 2024년 5월 한양대 연구팀은 기존 도료의 성능저하 원인을 규명하고 강화제를 첨가해 바르기만 해도 열을 식힐 수 있는 페인트를 개발하고 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재했다. 

 

 복사냉각 원리로 만든 필름은 2024년 4월 현대자동차그룹이 개발한 친환경 기술이다. 차량의 유리에 부착하면 별도의 전기 소모 없이도 차량 내부의 온도를 낮출 수 있다. 

 

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맺음말

2024년 키스트 연구팀이 기후변화 시대에 외부 전기 없이도 냉방을 가능하게 하는 복사냉각 액정 소재에 색상까지 구현해 디자인과 에너지절감을 동시에 해결했다.