서울공대 기계공학부 고승환 교수팀, 전기에너지 소비 없는 복사 냉각 기술 개발 
- 햇빛 아래 차량 과열, ‘투명 냉각 필름’ 하나로 잡는다 
- 여름철 냉방 부하 20% 절감으로 전기차 효율 극대화

여름철 차량 과열을 줄이기 위해, 전기를 쓰지 않고도 열을 외부로 방출하는 ‘투명 복사냉각 필름’ 기술이 개발됐다. 이 기술은 다양한 국가와 계절, 주차 및 주행 조건에서의 실제 차량 실험을 통해 검증됐으며, 여름철 실내 온도를 최대 6.1°C 낮추고 냉방 에너지를 20% 이상 절감하는 효과를 보였다.

서울대학교 공과대학은 기계공학부 고승환 교수 연구팀이 MIT 강 첸(Gang Chen) 교수, 현대차·기아의 기초소재연구센터 및 열에너지통합개발실 연구팀과 공동으로 차량 유리에 적용 가능한 대면적 투명 복사 냉각(STRC, Scalable Transparent Radiative Cooling) 필름을 설계·제작하고, 여러 지역의 기후와 운행 조건에서 수행한 실차 평가를 통해 냉방 에너지 절감과 탄소 저감 효과를 입증했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌리더연구사업의 지원으로 수행됐으며, 에너지·환경 분야 국제저명학술지 '에너지 앤드 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)'에 2월 4일 온라인 게재됐다.

여름철 태양 복사에 노출된 차량은 실내 온도가 빠르게 상승해 막대한 냉방 에너지를 소비한다. 기존 차량용 로이(Low-E) 코팅*이나 틴팅 필름**은 태양 빛의 유입을 일부 차단할 뿐, 이미 실내에 축적된 열을 외부로 효과적으로 방출하지 못해 냉각 효과에 한계가 있었다.
* 로이(Low-E) 코팅: ‘저방사 코팅'이라고도 불리며, 유리 표면에 은(Ag) 등 금속 층을 얇게 입혀 복사열의 이동을 최소화하는 기술
** 틴팅 필름: 흔히 '썬팅'이라고 부르는 틴팅(Tinting) 필름은 자동차 유리에 점착하여 태양 에너지를 반사하거나 흡수하는 필름

이를 해결할 대안으로 주목받는 복사냉각 기술은 입사되는 태양광 에너지를 차단하는 동시에 내부 열기까지 외부로 배출해, 전력 없이도 실내를 냉각시킬 수 있는 획기적인 기술이다. 그러나 기존 개발된 대부분의 복사냉각 소재들은 불투명해 정작 열 유입이 가장 많은 자동차 유리창에는 적용하기 어려웠다.

연구팀은 가시광 투과율 70% 이상을 유지하면서도 태양 근적외선을 반사하고, 중적외선 영역에서 차량 내부 열을 외부로 방출하는 다층 구조의 대면적 투명 복사냉각 필름을 개발했다. 이 필름은 전기에너지를 소비하지 않고 차량 실내 온도 상승을 억제하고 열쾌적성 도달 시간을 축소해 전기자동차의 전기소모를 최소화할 수 있다.

한국, 미국, 파키스탄 등 서로 다른 기후 지역에서, 여름과 겨울, 주차 및 주행 조건을 포함해 수행한 실차 실험 결과, 대면적 투명 복사 냉각 필름을 적용한 차량은 모든 조건에서 일관되게 실내 온도가 낮게 유지됨을 확인했다.

특히, 여름철 냉방 에너지 절감 효과는 겨울철 난방 증가분을 크게 상회했다. 또한, 실차 데이터를 반영한 시뮬레이션 결과, 에어컨 작동 후 쾌적 상태에 도달하는 시간이 17분 단축되는 것으로 나타났다. 연구진의 분석에 따르면, 이 기술을 미국 전체 승용차에 적용할 경우 연간 약 2,540만 톤의 이산화탄소 배출 저감이 가능하며, 이는 도로 위 차량 약500만대를 제거하는 것과 동등한 효과를 나타낸다고 분석했다.

제1저자인 이민재 연구원(서울대학교/현대차·기아)은 “이번 연구는 실험실 성능에 머무르지 않고, 서로 다른 국가와 계절, 운행 조건을 고려해 실제 차량으로 검증했다는 점에서 의미가 크다”라고 말했다.

고승환 교수는 “투명 복사냉각 기술이 실제 차량 환경에서도 적용 가능함을 실증적으로 보여준 첫 사례”라고 밝혔다.

▲ 그림1. 대면적 투명복사냉각 필름의 차량 적용 개념도

가시광 투과, 근적외선 반사, 중적외선 방출 기능을 동시에 수행하는 4층 구조의 STRC 필름과 차량 유리 적용 개념을 나타낸다.


▲ 그림2. 여름철·겨울철 차량 평가를 기반으로 한 미국 이산화탄소 배출 저감량 분석 결과           
여름철과 겨울철 주차 조건에서 STRC 적용 차량의 실내 온도 및 냉난방 에너지 소비량을 평가한 결과를 바탕으로, 해당 기술을 미국 전역의 차량에 적용했을 때 예상되는 이산화탄소 배출 저감량을 분석했다


[참고자료]
- 논문/저널명: Towards decarbonization in transportation: scalable transparent radiative cooling for enhanced vehicle energy efficiency, Energy & Environmental Science
- DOI: https://doi.org/10.1039/D5EE06609C

[문의]
서울대학교 기계공학부 고승환 교수 / 02-880-7114 / maxko@snu.ac.kr