'냉각팬·방열판' 사라지나…에너지 제로 금속 냉각 기술 개발

김선경 경희대 교수팀, 열 방출 유도 나노 구조 금속판 제작 성공

(그림1) 열복사를 통한 금속 냉각의 원리를 설명하는 개념도 및 틈새 플라스몬 구조가 적용된 실제 구리 기판의 사진 (왼쪽 그림) 태양광에 노출된 금속 구조물은 태양광의 에너지를 흡수하며 표면 온도가 상승한다. 하지만 열복사를 유도하는 구조가 금속 표면에 도입되면 냉각이 일어난다. 이때 구조에서 방출된 복사광은 대기창을 통해 우주로 빠져나간다. (오른쪽 그림) 틈새 플라스몬 구조 도입 전후 일반 카메라 이미지 및 적외선 영상 이미지. 틈새 플라스몬 구조가 도입되면 복사율이 증대하므로 적외선 영상에서 밝은 이미지로 관측됨. 복사광이 파장 8 ? 13mm의 적외선 영역에서 모두 방출되게 하도록 크기가 다른 다섯 종류의 금속 타일로 구성된 틈새 플라스몬 구조를 설계함. 그림설명 및 제공 = 경희대학교 응용물리학과 부교수 김선경

[아시아경제 김봉수 기자] 한여름 강한 햇볕에 노출된 자동차, 건축물, 통신장비, 태양전지 등엔 방열판, 냉각팬 등 별도의 냉각 장치가 필수다. 금속은 열을 흡수하기만 할 뿐 배출하지 않기 때문이다. 그런데 국내 한 연구진이 열을 복사(방출)할 수 있도록 돕는 나노 구조의 아주 얇은 금속판을 개발했다. 방열판, 냉각팬을 사라지게 하는 등 금속 냉각 방식에 혁신을 일으킬 수 있을 지 관심을 끌고 있다.

한국연구재단은 경희대학교 김선경 응용물리학과 교수팀이 에너지를 소모하지 않으면서 열 방출을 유도하는 나노 구조를 통해 금속 표면의 열복사를 유도할 수 있다는 사실을 밝혀 냈다고 16일 전했다. 즉 두꺼운 방열판으로 열을 옮기는 대신 열 복사를 돕는 나노 구조를 도입한 아주 얇은 금속판으로 금속 자체가 냉각되도록 한다는 원리다. 연구팀은 겨울철(평균대기 섭씨 0도) 야외 태양광 노출 실험에서 이같은 얇은 금속판을 제작해 실험한 결과 나노구조가 적용이 안 된 기존 구리판과 비교해 약4도 이상의 냉각 효과를 확인했다. 평균 온도 25도의 여름철을 가정해 시뮬레이션을 해보니 10도 이상의 냉각 효과가 예측됐다. 뜨거울수록 열복사 에너지가 크기 때문에 여름철엔 냉각 효과가 더 크기 때문이다.

연구팀은 널리 쓰이는 금속인 구리판에 두께 500나노미터(nm)의 황화아연을 코팅하고, 그 위에 정사각형 모양의 구리 타일을 도입하는 방식으로 '틈새 플라스몬' 구조를 제작했다. 금속 판 위에 얇은 유전체를 코팅하고 그 위에 정사각형의 금속 타일을 얹으면 틈새의 유전체 영역에 빛이 강하게 모이는 틈새 플라스몬 현상이 나타난다. 이러한 틈새 플라스몬은 금속이 '흑체(열 복사율 100%의 이상적인 물체)'와 같이 행동하도록 도와 금속 표면에서도 강한 열복사가 나타나도록 한다.

방열판이나 냉각팬 등 기존의 냉각 방식들이 소형화가 어렵고 별도의 에너지가 필요한 반면, 이 원리를 동원하면 자동차, 건축물, 통신장비, 태양열 발전판 등의 냉각 방식에 일대 혁신이 가능할 전망이다. 연구팀은 "이 기술은 구리, 알루미늄, 은, 백금 등 산업체에서 쓰이는 모든 금속에 적용 가능하고, 얇고 신축성이 있어 다양한 모양의 금속 발열체에 부착할 수 있다"고 설명했다. 이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지 '나노레터스(Nano Letters)'에 지난달 21일 온라인 게재됐다

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr