KRICT 한국화학연구원

- 친환경·지속가능 복사냉각 소재로 건물 실외 온도 9℃ 감소 효과 예측

- ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2022년 5월호 표지 논문 게재

□ 전 세계적으로 지속 가능 에너지 기술 개발 및 효율적인 에너지 관리 방안 마련이 시급한 상황에서, 국내 연구진이 추가 에너지 사용 없이

    에어컨처럼 냉각이 가능한 친환경 제로-에너지 냉각 소재를 개발하였다.

  ○ 한국화학연구원(원장 이미혜) 김용석·박찬일 박사·박초연 학생연구원, 중앙대학교 유영재 교수, 캘리포니아대학교 어바인(UCI)

      이재호 교수 공동 연구팀은 최근 발표된 연구에서 다양한 분야의 냉각에 활용할 수 있는 친환경 수동 복사냉각* 소재를 개발했다. 

      * 햇빛의 95% 이상을 반사하여 직사광 아래에서도 열복사에 의해 물체의 표면을 냉각시키는 기술

  ○ 본 기술 개발을 통해 여름철 냉각이 중요한 건물, 자동차, 태양전지 등 다양한 분야에 응용하여 에너지 사용 없이 효율적인 열관리에

      기여할 수 있을 것으로 전망된다. 뿐만 아니라, 생분해되는 친환경 소재를 활용하여 폐기물이 발생하지 않아 친환경 냉각 소재로

      널리 활용될 것으로 기대된다.

□ 수동 주간 복사냉각은 플랑크 법칙*에 따라 물체에서 자발적으로 발생하는 전자기복사를 이용하여, 열을 방출시키고

    태양 빛은 반사하여 물체의 표면 온도를 낮추는 기술이다. 즉, 수동 복사냉각 기술은 낮에도 복사냉각을 유지하기 위해서

    태양 빛을 95% 이상 반사하면서 열방출을 용이하게 하는 소재 기술이 관건이다.

    * 플랑크 법칙 : 물리학에서 특정 온도의 흑체로부터 나오는 모든 파장의 복사를 설명하는 법칙

  ○ 지구의 대기를 구성하는 분자들(O₂, CO₂, H₂O 등)은 적외선 영역(0.8－25 μm 파장) 대부분의 열을 흡수하지만, 그중 대기창 영역

      (8－13 μm 파장)의 열은 오히려 투과시키는 특성을 보인다. 이 대기창 영역에서 물질의 방사율*을 제어하면 열 방출을 극대화해

      표면을 시원하게 할 수 있다.

      * 방사율 : 물질에서 에너지가 외부로 방출되는 비율

  ○ 기존까지 연구된 수동 복사냉각 소재는 태양광을 반사하기 위해 알루미늄(Al) 혹은 은(Ag) 기판 위에 열 방출을 위한 구조체들을

      도입했기 때문에, 비싸고 충격에 약하며 공정이 복잡하고 대면적화가 어렵다는 등의 단점으로 실제 건물에 응용하기 어려웠고,

      분해와 재활용이 불가능해 사용 후에 환경 문제를 일으킬 수 있었다.

□ 이에 화학연과 중앙대 공동 연구팀은 별도의 반사층 기판 없이 생분해성 고분자인 폴리락타이드(PLA) 내에 열유도 상분리 공정을 통해

    계층적 기공 구조*를 가지도록 설계했다.

   * 다공성 물질에서 마이크로 크기의 기공 안에 나노 크기의 기공이 계층적 형태로 형성된 구조

  ○ 연구팀은 기공 구조 제어를 통해 PLA 필름의 태양광 반사율 특성을 조절하는 것은 물론이고, 열복사가 우수하여 낮에도

      복사냉각 효과가 뛰어난 신소재를 개발하였다.

  ○ 이번에 개발한 신소재를 옥외에서 테스트한 결과, 개발된 복사냉각용 필름은 여름철 직사광 아래에서 주변 온도 보다

      9℃ 가량 냉각되었으며, 상용 화이트 페인트보다 냉각 효과가 우수한 것으로 확인되었다.

  ○ 특히 미국 켈리포니아 어바인 대학에서 실시한 시뮬레이션 결과에 따르면, 서울 기준 약 100m₂의 면적을 가진 건물에

      이 기술을 적용 시 연간 최대 8.6%의 전력소비를 줄일 수 있어, 우수한 에너지 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 

  ○ 또한 이번 연구에서 개발된 PLA 필름의 생분해성 평가 결과, PLA 소재 특유의 생분해성으로 시료의 크기가 점차 줄었으며,

      12일 차에는 최종적으로 분해됨을 확인하였다. 따라서 향후 상용 페인트를 대체할 경우 건축 폐기물 발생을 줄일 수 있어

      경제적 친환경 소재로 활용될 것으로 기대된다.

□ 화학연 이미혜 원장은 "이번 기술 개발로, 소재 및 에너지 소자 분야 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 에너지 절감 및

    효율적인 열관리를 위한 핵심기술을 선점할 수 있을 것으로 전망된다."라고 말했다.

  ○ 이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 'ACS Sustainable Chemistry & Engineering' 2022년 5월호 표지 논문으로 게재됐다.

  ○ 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 산업통상자원부의 산업연계형저탄소공정전환 핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.