빛을 반사하고 열을 배출하여 건물을 냉방하는 물질

스탠포드 대학(Stanford University) 연구진은 빛을 반사함과 동시에 일정 주파수에서 지구의 대기를 통해 외부로 열을 배출할 수 있는 물질을 개발하고 있다. 이러한 물질을 활용한다면 무더운 여름날에 건물과 같은 구조물을 효율적으로 냉방하는데 도움을 줄 것으로 기대된다. 이 물질은 주위 공기의 온도 이하까지 스스로를 냉각할 수 있다. 스탠포드 대학 연구진은 대학의 지붕위에서 이와 관련한 테스트를 진행하고 있으며, 규모 확대에 대한 작업을 진행 중이다.

스탠포드 대학 전기공학과 Shanhui Fan은 이 물질을 개발하는데 중심적인 역할을 하였다. 그는 새로운 물질이 열역학 법칙에 위배되는 것처럼 보일 수 있으나 이와 같은 행동을 할 수 있도록 광학공학적(Optical Engineering) 트릭을 사용하고 있다고 밝혔다. 보통 어떤 물체를 냉각하는 방법은 차가운 환경 속에 방치하는 것이다. 이렇게 하면 뜨거운 물체는 자신이 갖고 있는 열을 주변으로 배출하게 된다.

그렇지만 Fan이 개발한 물질은 제어된 주파수에서 빛을 반사하고 열을 배출함으로써 주변의 공기보다도 더 냉각된다. 8~13마이크로미터의 이 물질은 지구의 열창(Thermal Window)에 부합하는 주파수에서 열을 배출하도록 되어 있다. 그리고 배출된 열은 대기를 통과하여 우주에 도달하게 된다. 따라서 우주를 일종의 방열판으로 사용한다면 매우 경제적으로 비용을 절감할 수 있을 것이다. 과학자들은 지난 몇 십년간 이러한 효과에 대해 연구해왔으며, 이러한 현상을 패시브 복사냉각(Passive Radiative Cooling)이라고 부르고 있다. 이들은 야간에 열을 배출함으로써 건물을 보다 효율적으로 냉방하는 시스템을 만들기 위해 노력하였다. 그리고 Fan처럼 열창을 통해 열을 배출하는 물질을 만드는데 성공하기도 하였다.

그러나 지금까지 개발된 패시브 냉방 시스템 중 주간에 활용이 가능한 것은 없었다. 이는 여기에 사용된 물질이 태양광을 흡수하기 때문이다. 실제로 열을 배출하는데 아주 우수했던 물질은 대부분 검은색이었다. 그러나 검은색은 많은 양의 태양광을 흡수한다는 문제도 있다.

Fan은 열을 배출하면서 거울처럼 빛도 반사하는 물질을 제조하는 방안을 도출하였다. 그는 8인치 정도의 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer) 위에 유리로 된 이산화규소(Silicon Dioxide)와 산화하프늄(Hafnium Oxide)이 교대로 층을 이루는 박막으로 새로운 물질을 제조하였다. 이 물질은 태양광의 97%를 반사하면서 열창으로 열을 배출할 수 있다. Fan은 "태양광 아래에서 가열되기 보다는 냉각될 수 있다는 물질이라는 점이 다소 모순적일 수 있으나 연구진은 이러한 일을 구현할 수 있도록 장치를 설계하였다"고 말한다. 스탠포드 연구진은 박막으로 구성된 물질의 특성과 관련한 실증테스트를 위해 검게 칠해진 실리콘과 알루미늄을 각각 비교하였다. 실리콘은 열을 잘 배출할 수 있으며, 알루미늄은 빛을 잘 반사할 수 있다. 이번 패시브 냉방 설계와 관련한 연구결과는 Nature 저널에 발표되었다.

호주 시드니 공과대학(University of Technology in Sydney)의 응용물리학자인 Geoff Smith는 "스탠포드 대학의 연구진은 광학공학을 적절히 활용하여 한계를 뛰어넘고 있다"고 말한다. Smith와 다른 과학자들은 주간이 아닌 야간 시간대에 건물 패시브 냉방을 위한 물질과 시스템을 선보이고 있다. 그러나 과거 시스템은 태양광을 적절히 반사할 수 없다는 문제로 주간에 적절한 냉방이 이루어지지 못하였다. Fan은 개발된 물질로 지붕 전체를 덮는다면 에어컨을 사용할 필요는 없다고 말한다.

연구진은 코팅된 창을 만드는데 활용하는 제조 기술을 이용하여 경량의 플라스틱막 위에 약 2마이크로미터 두께의 물질을 제조할 계획이다. 이렇게 되면 설치가 용이해지는 장점이 있다. 연구진은 앞으로 8인치 시제품을 1평방미터 크기의 물질로 확대할 계획이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 빛을 반사하고 열을 배출하여 건물을 냉방하는 물질