온도 따라 열방사율 조절하는 고분자 복합재 개발

냉난방 에너지 소비 절감을 위한 새로운 고분자 복합재가 개발됐다. 한국연구재단은 김건우 전북대학교 교수 연구팀이 주변 온도 변화에 따라 열방사율을 조절하는 고분자 복합재를 개발했다고 밝혔다.

우리나라의 냉난방 에너지 소비는 전체 에너지 사용량의 40%를 차지하고 있지만, 이를 획기적으로 줄일 수 있는 기술적 대안은 부족한 실정이다. 이에 연구팀은 온도 변화에 따라 열방사율을 조절하는 복합재를 개발했다.

복사냉각 기술은 에너지 사용 없이 표면 냉각이 가능하지만, 겨울철에도 지속적인 냉각이 이루어지는 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 고온에서는 열방사율을 낮추고, 저온에서는 높이는 상전이 소재를 활용해 자동으로 방사율을 조절하는 기술을 적용했다.

연구팀은 상전이 소재를 나노 입자로 변환해 고분자 내에 분산시키는 방식을 채택했다. 이 과정에서 상전이 입자가 금속 성질을 띨 때 발생하는 원적외선을 고분자가 흡수해 방사율을 조절하도록 설계됐다. 이러한 방식으로 만들어진 복합재는 섭씨 70도에서 열방사율이 15% 변화했으며, 해당 소재를 적용한 방열체는 외부 온도와 관계없이 일정한 온도를 유지하는 효과를 보였다.

김건우 교수는 “이 기술을 적용한 소재는 외부 온도 변화와 상관없이 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있어 냉난방 에너지 소비를 줄이는 데 효과적”이라며 “배터리처럼 온도에 민감한 제품에도 활용할 수 있어 성능 최적화에 기여할 수 있다”고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재기술개발사업, 교육부와 한국연구재단이 주관하는 지자체-대학 협력기반 지역혁신사업의 지원으로 수행된 연구 성과는 재료공학 분야 국제학술지 Composite Part B Engineering에 1월 31일 게재됐다.

개발된 온도반응형 복합재는 대기의 창(8~14㎛) 내에서 정밀한 열 방출 조절이 가능하도록 설계됐다. 연구팀은 폴리에틸렌(PE) 내에 이산화바나듐(VO₂)과 인듐주석산화물(ITO) 입자를 분산시켜 온도 변화에 따라 열방사율이 조절되는 복합 메타물질을 개발했다.

고온에서는 열 방출을 감소시키고, 저온에서는 증가시키는 효과를 실현했으며, 방사율 변화율을 최적화할 수 있도록 원적외선 흡수율에 대한 이론적 접근도 적용됐다. 실내·실외 실험과 시뮬레이션을 통해 복합재의 열 방출 메커니즘이 규명됐다.

냉난방 에너지 절감 효과가 클 것으로 예상되는 이 기술은 의류, 신발, 자동차 내장재, 건축 자재 등 다양한 산업 분야에 적용 가능하다. 특히 전기차 내장재로 활용하면 내부 냉난방 에너지 소비를 줄여 주행거리를 증가시키는 효과도 기대된다.

김 교수는 “탄소 배출을 줄일 수 있는 신소재 개발을 목표로 연구를 진행했다”며 “고분자 기반 복합재로 구현돼 다양한 제품에 적용이 가능하며, 친환경적이고 실용적인 대안이 될 것”이라고 강조했다.