이헌 교수팀, 에너지 사용없이 냉각되는 복사냉각 페인트 개발

▲ 신소재공학부이헌 교수

소재의 냉각에 큰 에너지의 소모가 요구되는 것은 지극히 상식적이다. 마치 마술과도 같이 에너지를 사용하지 않고 냉각을 시킬 수 있는 복사냉각 소재의 가능성이 최근 입증된 이후 다양한 복사냉각 소재가 여러 응용분야에 적합한 형태로 응용될 수 있도록 집중적으로 연구되고 있다. 한낮의 태양빛 아래 에너지를 사용하지 않고 냉각을 시키기 위해서는 우선 입사되는 태양광을 흡수하지 않고 효과적으로 반사시켜야 하며, 냉각이 일어나기 위해서는 소재가 품고 있는 열에너지가 저절로 장파장 적외선의 형태로 외부로 방사시켜 배출되어야 한다. 그러면 에너지를 사용하지 않고 주변온도보다 훨씬 낮은 온도로 소재를 냉각시킬 수 있다.  장파장 적외선의 방사가 잘 일어나는 즉 방사율이 높은 소재일수록 빨리 냉각되며, 특히 소재가 방사하는 적외선의 파장이 대기에 흡수되지 않는 8 ~ 13 마이크론 파장에 집중된다면 방사의 의한 열배출이 효과적으로 이루어져 냉각효과가 증대된다. 일반적으로 복사냉각은 대기온도가 높을수록 효과적으로 일어나며 장파장 적외선의 방사는 지구대기 투과도에도 밀접한 관련이 있다. 대기의 습도와 이슬점이 낮을수록 8 ~ 13 마이크론 파장의 적외선은 대기에 흡수되지 않고 방사되므로 이때 복사 냉각이 더 잘 일어나게 된다. 따라서 복사냉각은 사막과 같은 기온이 높고 건조하여 이슬점 온도는 낮은 곳에서 가장 효율적으로 일어나게 된다.

입사태양광의 반사소재로는 은 박막을 사용하고, 진공증착된 무기질 소재의 다층박막으로 장파장 적외선의 방사를 촉진하여 주변온도보다 낮은 온도로 냉각되는 결과를 미국 스탠포드 대학의 연구팀이 2014년에 처음 보고했고 이후 역시 은 박막을 가 내포된 폴리머 필름에 코팅시켜 에너지 사용 없이 냉각되는 결과를 2017년에 미국 콜로라도 대학의 연구팀이 보고했다. 그러나 태양빛 반사를 위하여 은을 사용하는 경우 복사냉각 소재의 제조원가가 높아지며 은이 공기중에서 쉽게 산화되면 태양빛을 반사시키지 못하고 흡수하기 때문에 은이 사용된 복사냉각 소재는 쉽게 상용화되지 못하고 있다. 한편 은을 사용하지 않고 다공질 폴리머 필름으로 태양광을 산란시켜 반사하고 동시에 장파장 적외선을 효과적으로 방사하는 폴리머 혼합물이 제안되었지만, 여전히 높은 제조원가와 다공성 구조로 인한 재료의 제한적인 수명문제가 아직 해결되지 못했다.

복사냉각소재가 상용화되기 위해서는 무엇보다도 생산원가가 낮고 야외 사용환경에서 소재의 내구성이 충분하여야 하며, 소재가 다양한 형태로 응용될 수 있도록 필름이나 페인트 같은 형태로 구성되어야 한다. 한편 국내에서는 2018년 한국 연구재단 미래소재 디스커버리 사업의 일환으로 고려대 신소재공학부 이헌 교수를 단장으로 제로에너지 복사냉각 연구단이 조직되어 활발히 연구하고 있다.

이헌 교수팀도 CaCO₃ 미세입자를 이용하여 복사냉각 기능이 있는 백색 페인트를 개발하여 2020년 4월에 특허출원 했다. 이 소재는 입사태양광의 흡수를 4%로 줄였고 8~13 마이크론 적외선의 방사률을 90% 이상으로 증대시켜 상온에서 93W/m2의 냉각성능을 입증했다. 이 페인트를 칠할 경우 태양이 비추는 조건에서 주변 대기온도보다 6.5도 냉각됐으며 야간에도 유사한 냉각효과를 보였다. CaCO₃ 미세입자를 이용한 페인트의 경우 페인트 칠 된 표면이 습기를 흡수하여 내구성이 떨어지는 단점이 있어 이를 극복하기 위하여 흡습성이 없고 강도가 높은 복합 세라믹 나노입자를 사용하여 복사냉각 백색페인트를 제조했다. 이 새로운 복사냉각 백색 페인트의 경우 입사태양광의 흡수를 4%로 유지하면서 8~13 마이크론 적외선의 방사률은 93.5%까지 증가시켜 100W/m²의 냉각성능을 보였으며, CaCO₃ 페인트에 대비하여 코팅막의 두께가 절반으로 감소하여도 복사냉각 성능이 유지된다. 실험결과에 따르면 기존의 TiO₂를 사용한 백색페인트가 칠해진 시편을 오전 10시부터 오후 1시까지 태양빛 아래 노출시켰을 경우 온도가 최대 6.3^oC, 평균 3.6^oC 가열되었으나, 이헌 교수팀이 개발한 복사냉각 페인트를 칠했을 경우 최대 8.8^oC, 평균 5.5^oC 냉각됨을 확인했다. 이 복사냉각 페인트는 나무, 금속, 천 등에 잘 도포되어 에너지 소모없이 주변 온도 이하로 냉각기능을 수행하였다. 이번 연구는 한국연구재단 미래소재 디스커버리 사업의 재정지원으로 수행됐다.

[ 그 림 설 명 ]

(1) 고려대 연구팀이 개발한 복사냉각기능이 있는 백색 페인트의 모습

(2) 복사냉각 페인트의 작동원리

(3) 복사냉각 페인트의 냉각성능 시험모습

(4) 복사냉각 페인트의 냉각성능 측정결과
일반 백색페인트는 햇빛을 받아 주변 공기온도 이상으로 가열되나 고려대 연구팀이 개발한 복사냉각 페인트는 한 낮의 햇빛을 받아도 최대 8.8^oC, 평균 5.5^oC 냉각됨. 그래프의 노란색 바탕은 입사 태양광의 세기를 나타낸 것임. 실험은 2020년 8월 25일 고려대학교 안암캠퍼스 신공학관 지붕에서 수행되었음.
 
 

(5) 복사냉각 페인트의 냉각성능 측정결과
(4)와 같은 데이터 임. 일반 백색페인트는 햇빛을 받아 주변 공기온도 이상으로 가열되나 고려대 연구팀이 개발한 복사냉각 페인트는 한 낮의 햇빛을 받아도 최대 8.8^oC, 평균 5.5^oC 냉각됨. 그래프의 노란색 바탕은 입사 태양광의 세기를 나타낸 것임. 실험은 2020년 8월 25일 고려대학교 안암캠퍼스 신공학관 지붕에서 수행되었음.

(6) 복사냉각 페인트의 실제 적용 예
일반 백색 페인트와 고려대 연구팀의 복사냉각 페인트가 도포된 우산과 건물모형 (목재 개집)의 사진과 적외선 열화상 사진. 일반 페인트가 칠해진 표면대비 고려대의 복사냉각 페인트가 칠해진 표면의 온도는 6 ~ 8도씨 이상 냉각됨.
 

 
 
(7) 복사냉각 페인트의 실제 적용 예

(6)의 실험 결과임. 일반 백색 페인트와 고려대 연구팀의 복사냉각 페인트가 도포된 우산과 건물모형 (목재 개집)의 실시간 온도 측정 결과. 고려대 연구팀의 복사냉각 페인트가 도포된 경우 주변의 공기온도보다 3~4도씨 낮아짐을 보여줌.