세라믹기술원, 다층 세라믹 활용 '친환경 복사냉각 소재' 개발

기존 기판 대비 15배 이상 물리적 강도 증가, 크기 변화는 3.5%까지 감소  
건축 자재, 자동차, 데이터센터 등 냉각이 필요한 다양한 에너지 분야에 적용 가능

한국세라믹기술원(원장 정연길) 김영재 박사, 전승규 연구원과 부산대(총장 차정인) 전자공학과 이길주 교수 공동연구팀이 산업부 세라믹분야 스마트그린 제조혁신 지원사업과 과기부 세종과학펠로우쉽 기초연구사업 지원으로 복사냉각 소재의 기계/화학적 문제점들을 해결해 상용 가능한 복사냉각 건축소재를 개발했다.

복사냉각 기술은 추가적인 에너지 소모 없이 온도를 조절하는 기술로서 환경 및 에너지 문제가 고조되고 있는 현재 주목받고 있는 친환경적 에너지 관리 기술 중 하나다. 

태양 복사 에너지 파장의 반사율을 높여 태양열 흡수를 줄이고 대기의 창 파장 영역에서 방사율을 높여 저온(-3K)의 우주 공간으로 물체의 복사열의 방출을 극대화해 복사냉각을 구현할 수 있다. 

대기의 창(atmospheric window): 대기의 투과율이 높게 나타나는 파장 영역으로 대략 8-13 μm에 해당한다. 해당 영역 내의 파장을 갖는 전자기파는 대기 중에서 에너지가 흡수되지 않고 우주 공간으로 방출될 수 있다.

기존에 제시된 복사냉각 구조물은 공정 과정이 복잡해 공정 과정에서 크기 변화가 발생해 비효율적이고 대량 생산이 어려워 상용화하기 힘든 문제점이 있었다. 

공동연구팀은 이러한 문제점을 개선하기 위해 다공성 산화알루미늄층 사이에 붕규산염 유리 층을 끼워 넣은 샌드위치 형태의 스택(stack) 구조에 열을 가하면 다공성 층의 빈 공간들로 유리 입자가 침투해 각 층을 결속 시킬 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

제작된 패널은 기존 Al₂O₃ 기판 대비 15배 이상 물리적인 강도가 증가됐고 공정 과정에서의 크기 변화는 10%에서 3.5%로 감소해 일정한 물성으로 대량생산이 가능하다.

또한 패널 기준 양쪽 영역 사이의 단열력이 4배정도 개선돼 보다 효율적인 복사냉각이 가능하며 태양광이 강한 파장 영역에서의 반사율 또한 높아져 복사냉각을 위한 광학적 특성도 90%에서 96%까지 개선됐다.

각 단일층은 테이프 캐스팅(tape casting) 공정으로 제작돼 비교적 적은 비용으로 대량 생산이 가능해 경제적인 장점이 있으며 복사냉각 패널의 패턴화를 통해 유리창에 적용할 경우 높은 가시성을 유지하는 동시에 복사냉각 효과를 얻을 수 있다.

이와 더불어 공동연구팀은 실제 환경에서의 먼지, 강수 등에 의한 오염이 발생한 샘플을 테스트한 결과 반사율, 열 전도성 등의 변화가 적음을 확인해 연구의 실용성을 더했다. 

세라믹기술원 김영재 박사는 "야외에서 냉각 테스트를 진행한 결과, 주변 온도 대비 7℃ 가량 냉각되는 성능을 보였다"며 "건축 자재, 자동차, 데이터센터, 실외장치 등 여름철 냉각이 필요한 다양한 에너지 분야에 적용돼 효율적인 열관리에 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 저명한 해외 저널 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'(영향력 지수 17.52, JCR 응용과학 분야 상위 6.9%)에 7월 23일자로 온라인 게재됐다. 

진주=강연만 기자 kk77@kukinews.com