한국연구재단 "에너지 효율 높일 ‘고분자 복합재’ 개발"

냉난방 에너지 효율을 끌어올릴 고분자 복합재가 국내에서 개발됐다.

한국연구재단은 김건우 전북대 교수 연구팀이 주변 온도에 따라 열방사율(물체의 표면에서 방출이 가능한 열복사 에너지의 정도)을 스스로 조절하는 ‘고분자 복합재’를 개발했다고 17일 밝혔다.

김건우 교수. 한국연구재단 제공

국내 냉난방 에너지 소비는 전체 에너지 소비의 40%를 차지한다. 에너지 효율을 높이기 위해 에너지 사용 없이 표면 냉각이 가능한 복사냉각 기술이 부각되지만, 이때도 냉각이 필요하지 않은 상황에서도 불필요한 냉각이 이뤄진다는 점에서 한계가 있다.

복사냉각은 대기의 창 영역인 8-12μm 파장에서 열방사율이 좋은 소재를 활용해 쉽게 복사열을 우주로 방출시키는 것을 말한다. 복사냉각 기술이 적용된 소재는 온도가 낮은 겨울철에도 냉각이 이뤄져 표면 온도를 더 떨어뜨리는 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위해 다양한 온도의 환경에 감응하는 새로운 복사냉각 기술의 개발이 필요하지만, 실질적인 진전은 없던 상황이다.

이에 연구팀은 상전이 소재를 활용해 고온에서 열방사율을 높이고, 저온에서는 낮추는 등 스스로 열방사율을 조절할 수 있는 고분자 복합재를 개발했다.

상전이 소재는 고온에서는 금속 성질을 보여 열상사율이 낮은 반면에 저온에서는 세라믹 성질을 가져 열방사율이 높다. 목표하는 성질과 반대의 특성을 가져 이를 역으로 활용할 방안이 필요했다.

연구팀은 이러한 상전이 소재를 나노 입자화해 특정 열방사율을 가진 고분자 안에서 분산시켰다. 상전이 입자가 금속의 성질을 가질 때 산란되는 원적외선을 고분자가 대신 흡수하게 함으로써 열방사율을 높이는 방법을 고안한 것이다.

이를 통해 만들어낸 고분자 복합재의 열방사율은 섭씨 70도에서 15%의 변화율을 보였다. 또 고분자 복합재로 덮인 방열체는 외부 온도에 상관없이 내부 온도를 섭씨 70도로 유지시켜 주는 것을 관찰할 수 있었다.

김건우 교수는 "연구팀이 개발한 고분자 복합재로 표면을 구성하면, 외부 온도와 상관없이 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있어 냉난방 에너지 소비를 줄일 수 있다"며 "배터리처럼 온도에 민감한 제품에 활용했을 때는 일정한 온도 유지가 가능해 성능을 극대화하는 것이 가능하다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재기술개발사업 나노미래소재원천사업, 교육부와 한국연구재단이 추진하는 지자체-대학 협력기반 지역혁신사업의 지원으로 수행됐다.

연구 성과는 지난달 31일 재료공학 분야 국제학술지 ‘컴포지트 파트 비 엔지니어링’ 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr