한국연구재단은 경희대 응용물리학과 김선경 교수 연구팀이 추가적인 에너지 없이 열방출을 유도하는 나노구조를 통해 금속표면의 열복사를 유도할 수 있음을 밝혀냈다고 16일 밝혔다.
두꺼운 방열판으로 열을 옮기는 대신 열복사를 돕는 나노구조를 도입한 아주 얇은 금속판으로 금속 자체가 냉각되도록 한다는 것이다.
실제 연구팀은 약 0도 수준의 겨울철 야외 태양광 노출 실험에서 나노구조가 적용이 안된 기존 구리판과 비교해 약 4도 이상의 냉각 효과가 있음을 확인했다.
또, 여름철(평균온도 약 25도)을 가정해 시뮬레이션 한 결과 10도 이상의 냉각 효과가 예측됐다.
뜨거울수록 열복사 에너지가 크기 때문에 여름철 냉각효과가 더 클 것이라는 설명이다.
이번 연구의 핵심은 널리 쓰이는 금속인 구리판에 두께 500nm의 황화아연을 코팅하고, 그 위에 정사각형 모양의 구리 타일을 도입하는 방식으로 ‘틈새 플라스몬’ 구조를 제작한 것이다.
금속 판 위에 얇은 유전체를 코팅하고 그 위에 정사각형의 금속 타일을 얹으면 틈새의 유전체 영역에 빛이 강하게 모이는 틈새 플라스몬 현상이 나타난다.
이러한 틈새 플라스몬 금속이 ‘흑체(열복사율이 100%인 이상적인 물체)’와 같이 행동하도록 도와 금속표면에서도 강한 열복사가 나타나도록 한 것이다.
이번 연구결과는 기존 전도나 대류를 이용하는 냉각방식이 소형화가 어렵고 추가적인 에너지를 필요로 하는 문제를 해소할 수 있는 단초가 될 것으로 기대된다.
연구팀 관계자는 “이번에 개발한 복사 냉각 기술은 구리, 알루미늄, 은, 백금 등 산업체에서 쓰이는 모든 금속에 적용 가능할 뿐만 아니라 얇고 신축성이 있어 다양한 모양의 금속 발열체에 부착할 수 있다”고 설명했다.
한편, 이번 연구 성과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘나노레터스’4월 21일자 온라인판에 게재됐다.
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