서울대 공대 기계공학부 고승환 교수팀, 

전력 없이 사계절 온도 조절 가능한 친환경 에너지 소재 개발

- 전력 없이 냉각·가열 가능하며 설정 온도로 빠르게 도달할 수 있는 온도 제어기술 개발

- 마이크로-나노 구조의 기계적 변형을 통한 능동적인 복사냉각 특성 제어기술 제시

- 새로운 온도 제어 솔루션을 통한 냉·난방에 필요한 에너지 저감 및 탄소 중립 기대

▲ (좌측부터) 서울대학교 기계공학부 고승환 교수, 편경록 박사과정, 정성민 박사과정, 

유명진 석·박통합과정, 경희대학교 기계공학부 송재만 교수

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 기계공학부 고승환 교수팀이 전력 소비 없이 단일 소재만으로 냉각과 가열이 모두 가능한 혁신적인 에너지 소재를 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

최근, 전 세계적으로 폭염과 한파가 잦아지면서 냉·난방을 위한 에너지 대란, 찜통 차에 의한 어린이 안전사고 등의 사회적 문제들을 촉발하고 있어 온도 제어기술의 중요성이 부각되고 있는 가운데, 에너지 소모 없이 냉각이 가능한 ‘수동복사냉각’ 기술에 대한 국내·외 연구진들의 노력이 활발하게 이뤄지고 있다.

수동복사냉각 기술은 물체로 들어오는 태양 빛은 반사하고 자발적으로 전자기복사를 방출하는 플랭크 법칙을 이용해 열을 우주로 방출하여 냉각 효과를 내는 기술이다. 이는 물체의 태양광 반사율이나 적외선 방사율과 같은 고유한 광학 특성에 의존하기 때문에 전력 소모 없이 냉각이 가능하다는 점이 최대 장점으로 여겨진다.

하지만, 기존의 수동복사냉각은 물체의 고유한 특성을 이용하는 기술의 구현 원리상 냉각이 필요 없는 겨울철에도 냉각 효과를 보여 사계절 적용이 어렵다는 효율성 측면에 한계가 있었다.

그간, 국내·외 유수의 연구진들이 물체의 광학적 특성을 제어하여 온도를 제어할 수 있는 기술들을 개발했지만, 단일 소재 내에서 냉각과 가열이 동시에 가능하며 원하는 온도로 빠르고 효율적으로 도달하는 온도 제어기술 구현에는 어려움을 겪었다.

이에 고승환 교수팀은 “탄성체 고분자 물질과 전기방사 시스템을 이용하여 복사냉각과 가열이 모두 가능한 마이크로-나노 스케일 섬유 기반의 필름을 제작했다”며 “제작된 섬유 기반의 필름은 압력에 의해 섬유 구조가 변할 수 있어 효과적으로 광학적 특성을 제어할 수 있다”고 밝혔다.

연구팀이 개발한 소재는 섬유 구조의 최적화를 통해 태양광 반사율에 결정적인 역할을 하는 미 산란(Mie scattering) 현상을 효과적으로 제어할 수 있도록 설계되었다. 그 결과, 냉각 모드에서는 태양광을 93% 반사하고, 가열 모드일 때는 태양광을 약 10% 반사하며 자유자재로 광학 특성을 변화시켰다.

▲ (좌측) 전력 소모 없이 복사 냉각과 가열이 모두 가능한 단일 소재 기반의 필름에 대한 개략도, 

(우측) 압력에 의한 광학적 특성 변화에 대한 실제 사진과 섬유 구조 제어에 의한 미 산란 현상제어에 대한 개략도

연구팀은 단순히 압력을 조절하는 것만으로도 여름철에는 냉각 효과가, 겨울철에는 가열 효과가 나타나며 냉각과 가열의 정도까지 제어할 수 있다는 것을 입증하였다. 특히, 외부 기상조건에 따라 온도 제어에 효과적인 광학 특성을 갖도록 구조를 제어한 결과, 마치 에어컨처럼 설정한 온도를 빠른 속도로 구현할 수 있다는 것을 입증했다.

또한, 연구팀이 개발한 필름은 태양광을 모사한 램프의 세기가 아무리 변하더라도 자유로운 광학 특성 제어를 통해 온도를 일정하게 유지하는 효과를 보였으며, 기존 복사냉각 및 가열 기술 대비 보다 안전하고 지속 가능한 환경을 조성할 수 있는 능력을 입증하였다.

고승환 교수는 “이번 연구는 단일 소재로 연속적인 온도 변화를 확인한 세계 최초의 실험 사례로, 에너지 소비를 크게 줄이면서도 효과적인 냉·난방 효과를 모두 볼 수 있는 혁신적인 기술”이라며 “이 기술이 상용화되면 새로운 온도 제어 솔루션을 통한 제로에너지빌딩을 통한 탄소 중립, 전기자동차 배터리 소모량 개선, 스마트 팜 등 다양한 분야에 혁신적인 변화를 가져올 수 있는 가치 있는 기술”이라고 덧붙였다.

▲ (상단) 적외선 카메라로 측정한 동일 램프 하 압력에 따른 소재 온도 변화, (하단 좌측) 개발된 소재의 설정 

온도 도달 능력을 보여주는 그래프, (하단 우측) 개발된 소재의 일정 온도 유지 능력을 보여주는 그래프

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 기초지원사업 중견연구자지원사업의 지원을 받았으며, 세계적으로 주목을 받아 응용 물리학 및 재료과학 분야 저명학술지인 스몰(Small)에 2023년 12월 12일 자 온라인에 게재되었다. (논문 제목: Tunable Radiative Cooling by Mechanochromic Electrospun Micro-Nanofiber Matix)

논문 링크 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202308572

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