우리 대학 첨단소재공학과 유영재 교수 연구팀이 한국화학연구원 김용석 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 전기차 등의 발열 문제를 해결할 수 있는 수송기기 랩핑 필름용 수동복사냉각 소재를 개발했다. 

수동복사냉각 소재는 열은 방출시키고 태양 빛은 반사해 물체 표면 온도를 냉각시키는 소재다. 플랑크 법칙에 따라 모든 물체가 자발적으로 전자기복사를 방출하는 원리를 활용했다. 외부 전원 공급 없이 수송기기, 빌딩, 배터리 등의 온도를 낮춰 전력소모를 줄일 수 있어 전 세계적인 관심을 받고 있다.

통상 냉방 수요는 주간이나 여름철에 태양광 노출이 많을 때 높게 나타나기에 직사광선 아래에서 높은 복사냉각 성능이 필요하다. 하지만, 주간에는 태양의 복사에너지가 강해 물체 표면에서 외부로 방출되는 열을 쉽게 상쇄시켜 수동 주간 복사냉각을 달성하기 어렵다. 

주간 수동복사냉각은 가시광선과 근적외선 영역(λ=0.3~2.5 ㎛)에서 빛을 반사시켜 태양 복사에너지의 흡수를 줄여야 한다. 또한, 원적외선 영역(λ=8.0~13.0 ㎛)에 존재하는 대기의 창으로 열을 방출할 수 있도록 소재를 설계하는 것이 핵심이다.

무기물·광결정·고분자 등을 이용한 기존 수동복사냉각 소재는 복잡한 구조, 낮은 유연성 등의 문제점이 뚜렷했다. 

문제를 해결하기 위해 연구팀은 현재 수송기기용 랩핑필름으로 널리 사용되고 있는 ‘열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic Polyurethane, TPU)’에 주목했다. 간단한 공정을 통해 효율적인 태양광 반사와 적외선 복사가 가능하도록 바이모달 구조를 갖는 다공성 TPU 필름을 설계했다. 바이모달 기공 구조 제어를 통해 TPU 필름의 광학 특성을 조절한 결과 수동복사냉각 효과가 뛰어난 신소재를 개발하는 데 성공했다. 

개발된 신소재는 탄성이 높고 매우 유연해 복잡한 형상의 물체에도 쉽게 적용할 수 있다. 3D 프린팅으로 제작한 다양한 형태의 모델에 적용한 결과 상업용 쿨링 페인트 대비 8.76℃ 이상 냉각이 이뤄지는 우수한 성능을 보이는 것으로 확인됐다. 

신소재는 랩핑 필름 형태이기에 다양한 구조물에 부착할 수 있다. 냉각이 중요한 건물과 수송기기, 태양전지 웨어러블 소자 등 다양한 분야에 응용 가능하다. 특히 전기차 등 수송기기의 발열 문제를 에너지 사용 없이 해결할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 

이번 연구는 산업통상자원부가 주관하는 ‘산업연계형 저탄소 공정전환 핵심기술개발사업’의 지원을 받아 진행됐다. 연구 성과는 과학기술 분야 국제 학술지 ‘ChemSusChem’ 2022년 12월호 표지 논문으로 게재됐다. 

유영재 교수는 “새롭게 개발한 소재는 수송기기뿐만 아니라 건설, 플랜트, 배터리 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 관련 기업들과의 적극적인 협업을 통해 에너지 절감과 효율적인 열관리를 위한 핵심기술을 선점해 나가겠다”고 말했다.