찜통차 아이 사망, ‘야누스 복사 냉각기’로 막는다

야누스 냉각 구조가 적용된 열적으로 밀폐된 공간의 열 방출 모식도(좌) 밀폐된 차량 윗면에 야누스 냉각 구조를 적용할 경우, 가장 아래에 있는 석영기판으로 된 광대역 복사기가 아래에 놓인 차량 내부의 열(붉은색으로 표시)을 흡수(노란색 표시)하고 이어 그 위에 있는 폴리머 기판으로 된 선택적 복사기가 이를 대기공간으로 방출(파란색 표시)하는 방식으로 차량 내부의 온도를 낮춘다. (우) 차량 구조를 모사한 모델의 열 방출 이미지

국내 연구진이 ‘찜통차’처럼 밀폐된 공간에서 온실효과로 인한 극단적 과열을 해소할 기술을 개발했다.

한국연구재단은 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학과 송영민 교수 연구팀이 외부전원 없이 밀폐된 공간 온도를 낮춰줄 구조체를 개발했다고 5일 밝혔다. 이는 폴리머(PDMS), 은(Ag), 석영(SiO2)으로 된 두께 500μm(마이크로미터· 100만분의 1m) 정도의 다층패널로, 온도를 낮추고자 하는 공간의 위를 덮는 형태로 냉각 효과를 낼 수 있다. 차량 지붕용 소재, 전자기기 발열을 막을 방열소자, 냉방에너지 절약을 위한 건축물 시공 등에 응용 가능하다.

기존 냉각 소재와 야누스 소재의 열 복사⦁방출 특성 차이점에 대한 개략도(기존 냉각 소재) 내부 열을 반사하여 내부 열 흡수에 불리함(제안 냉각 소재) 밀폐된 내부 공간에서 열 적외선 흡수 및 외부 방출에 유리함.

이 구조체는 태양광을 90% 이상 강하게 반사하는 은을 기준으로 위 아랫면에서의 복사 특성을 분리해 아랫면은 밀폐된 공간에서 열을 흡수하고 흡수된 열을 윗면을 통해 방출시킨다. 연구진은 이런 특성을 고려, 로마신화에 나오는 두 얼굴의 신 ‘야누스’를 기술명에 붙여 ‘야누스 복사 냉각기’라고 명명했다.

자연적 열 방출인 복사현상을 이용하는 냉각방식은 기존에도 있었다. 하지만 한 쪽 단면에서만 열을 방출하기에 부착된 표면의 냉각에만 그쳐 공간의 열을 배출시키기는 어려웠다.

이번에 개발한 냉각소재는 맨 아래 놓인 석영 구조체가 접하고 있는 밀폐된 공간 내부의 열을 흡수하면 그 위의 폴리머 구조체가 이 열이 주변 공기를 데우는데 쓰이지 않도록 하면서 전자기파 형태로 방출해 밀폐공간의 온도를 낮춘다.

직사광선 아래에서 주차된 차량에 적용된 야누스 구조의 모식도. (확대된 구조) 제안된 야누스 구조는 위에서부터 순차 적으로 폴리머, 은(Ag), 및 마이크로 공진 구조의 석영(SiO2)으로 구성됨. (야누스 냉각기 윗면 폴리머) 야누스 냉각기의 윗면은 폴리머를 통해 대기 투과율이 높은 부분에서만 선택적 열복사 특성을 가짐.(야누스 냉각기 아랫면 석영) 야누스 냉각기 아랫면은 석영 기판을 통해 흑체 복사의 전체 파장 영역에서 광대역 열복사 특성을 보임.

실제 차량 모사 환경에서 측정한 결과 기존 수동복사냉각 소재가 표면만 냉각시키는 데 반해 이 소재는 차량 내부의 온도를 43℃에서 39℃로 4℃가량 낮췄다. 이를 자동차 소비전력 절감효과로 환산하면 10% 절감할 수 있는 수준이다.

송 교수는 “이번 연구는 10cm2 면적의 야누스 냉각판을 이용한 것이나, 면적에 비례해 방출에너지가 커지는 적외선 열복사 특성상 차량 같은 큰 체적에서도 냉각 효과를 보일 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시즈’에 게재됐다.