"나뭇잎 원리 모사" KAIST, 자율형 열 조절 신소재 개발

포플러 나뭇잎의 열관리 전략을 모사한 인공소재가 개발됐다. 포플러는 덥고 건조할 때 잎을 말아 뒷면을 드러내 햇볕을 반사하고 밤에는 잎 표면에 맺힌 수분이 방출하는 열(잠열)로 냉해를 막는 생존 전략을 가졌다. 낮과 밤 그리고 온도와 습도의 변화에 따라 열을 조절해 적응하는 방식이다. 인공소재는 이러한 원리를 모사해 개발됐다. 건축 외벽·지붕·임시보호소 등에 적용했을 때 전력 없이 스스로 온도를 조절하는 열관리가 가능할 것으로 기대된다.

KAIST는 전기 및 전자공학부 송영민 교수 연구팀이 서울대 김대형 교수팀과 공동으로 포플러의 자연 열 조절 방식을 모사한 '유연 하이드로겔 기반 열 조절기(Latent-Radiative Thermostat·LRT)'를 개발했다고 18일 밝혔다.

(왼쪽부터) KAIST 전기 및 전자공학부 정효은 석박사통합과정, 김형래 박사과정, 송영민 석좌교수, 장세희 박사 후 연구원, 김도현 석박사통합과정, 곽현규 석사과정, (상단 왼쪽부터) 서울대 김대형 교수, SAIT 허세연 박사, MIT 신윤수 박사. KAIST 제공

LRT는 스스로 냉·난방 기능을 바꿀 수 있는 열 조절 장치로 개발됐다. 이 기술은 수분의 증발·응축에 따른 잠열 조절과 빛 반사·투과를 이용한 복사열 조절을 하나의 장치에서 동시에 구현할 수 있게 한다.

핵심 소재는 리튬 이온과 하이드록시프로필 셀룰로오스(HPC)를 PAAm 하이드로겔에 결합한 구조로 완성됐다.

리튬 이온은 주변의 수분을 흡수·응축해 잠열을 조절함으로써 따뜻함을 유지하고 HPC는 온도 변화에 따라 투명·불투명하게 변하면서 햇볕의 반사·흡수량을 조절해 냉각과 난방 모드를 전환한다.

온도가 올라가면 HPC 분자가 뭉쳐 하이드로겔이 불투명해지고, 태양광이 반사돼 자연 냉각 효과가 강화된다. 이를 통해 LRT는 주변 온도·습도·조도에 맞춰 네 가지 열 조절 모드를 각각 전환할 수 있다.

예컨대 이슬점 이하의 밤·한랭 환경에서는 공기 중 수분을 흡수·응축하는 원리로 열을 방출해 따뜻함을 유지하고 약한 태양광이 비치는 추운 낮에는 햇볕을 투과해 흡습된 수분이 근적외선을 흡수해 난방 효과를 낸다.

또 고온·건조한 환경에서는 내부 수분이 증발하며 강력한 증발 냉각이 일어난다. 강한 태양과 고온 조건에서는 HPC가 불투명해져 햇볕을 반사하는 동시에 증발 냉각이 작동해 온도를 낮춘다.

이들 기능은 전력 없이도 주변 환경에 맞춰 스스로 냉·난방 모드를 전환할 수 있게 하는 자연 모사형 열관리 장치로 작동한다. LRT로 여름에는 시원함을, 겨울에는 따뜻함을 유지토록 한 것이다.

포플러 나뭇잎의 열관리 전략을 모사한 하이드로겔 기반 자율 온도조절기의 작동 개념도. KAIST 제공

공동연구팀은 리튬 이온과 HPC의 농도를 조절해 다양한 기후 조건에 맞춰 열 조절 특성을 세밀하게 조정할 수 있음을 확인했다. 또 TiO₂ 나노입자를 추가해 소재의 내구성과 기계적 강도를 높였다.

실외 실험에서 LRT는 기존 냉각 소재보다 여름에는 최대 3.7도 낮고, 겨울에는 최대 3.5도 높은 온도를 유지하는 결과를 나타냈다. 특히 7개 기후대(ASHRAE 기준)를 조건으로 진행한 시뮬레이션에서는 기존 지붕 코팅보다 연간 최대 153MJ/m²의 에너지 절감 효과가 있는 것도 확인됐다.

이번 연구는 자연계의 고도화된 열관리 기능을 공학적으로 구현한 사례로 건축 외벽·지붕, 재난 임시시설, 야외 저장소 등 전력 기반 냉난방이 어려운 환경에서 활용할 수 있는 차세대 열관리 플랫폼이 될 것으로 기대된다.

송 교수는 "이번 연구는 자연의 지능형 열 조절 전략을 공학적으로 재현한 기술"이라고 정의하며 "이는 계절과 기후변화에 스스로 적응하는 열관리 장치를 구현한 것으로 향후 다양한 환경에 적용 가능한 지능형 열관리 플랫폼이 될 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 전기 및 전자공학부 김형래 박사과정 학생이 공동 제1 저자, 송영민 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과(논문)는 지난 4일 재료과학 분야 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr