- KIST, 전기 없이도 여름철 냉방 효율을 높이는 차세대 냉각 소재 개발

- 소재에 색상 부여해 디자인과 에너지 절감 두 마리 토끼 동시에 잡아

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 나노포토닉스연구센터 강진구 박사 연구팀은 외부 전력 없이 냉각하면서 동시에 색상을 낼 수 있는 색상형 복사냉각 액정 소재를 개발했다고 밝혔다.

복사냉각 기술은 태양광의 선택적 반사·흡수를 통해 열을 방출해 온도를 떨어뜨리는 무전력 냉방 기술이다. 따라서 전력 소모가 심한 에어컨을 보조할 수 있는 차세대 친환경 냉각 기술로 주목받고 있다. 낮 시간용 복사냉각 소재는 태양광 흡수를 낮추기 위해 하얀색을 띠고 있다. 이 경우 냉각 성능은 우수하나 여러 색상 구현이 어려워 심미성이 필요한 건물이나 차량에 활용할 수 없다는 단점이 존재한다.

이에 따라 냉각과 심미성을 동시에 충족하는 색상형 복사냉각 소재 개발이 최근 관심받고 있다. 기존에 알려진 색상형 복사냉각 소재는 빛 흡수를 이용해 색깔을 냈기 때문에 온도 하강 효과가 낮았다. 대안으로 제시된 빛 반사를 이용한 광결정 형태의 색상형 소재들의 경우, 냉각 성능은 뛰어났으나 뚜렷한 색상을 구현하는데 한계가 있었다.

연구팀은 굴곡진 나선형 액정 광결정을 제작하여 이러한 문제점을 해결했다. 이번 연구에서 사용된 상용화 액정(LC242)은 복사냉각을 통해 온도를 떨어뜨리는 물질일 뿐만 아니라 유도체를 이용해 나선형으로 정렬시키면 주기적 구조를 통해 색을 띠는 광결정을 형성한다. 연구팀은 회전 코팅 공정을 이용해 이런 색상형 광결정에 굴곡을 부여했고 그 결과 각도에 따라 색상이 다르게 표현된 기존 광결정과 달리 선명한 색상을 구현할 수 있었다.

제작된 색상형 복사냉각 액정 소재를 상부 투명 고분자 필름 및 하부 금속 박막과 결합한 결과 한낮에 동일 색상 상용 페인트보다 약 30.8°C, 주변 공기보다 약 3.1°C 낮은 온도를 달성할 수 있었다고 연구팀은 밝혔다. 본 소재를 이용하면 심미성이 고려되는 건물 외부나 차량의 에어컨 소비량 절감이 가능할 뿐 아니라 야외 레저용 소품이나 군사용 텐트에도 전력 소모 없이 냉방을 공급할 수 있을 것으로 기대한다. 

KIST 강진구 박사는 “이번 연구에서 개발된 색상형 복사냉각 액정 소재는 저가의 단순한 회전 코팅 공정을 통해 신속하게 제작할 수 있다”라며 “본 기술의 대면적화가 성공한다면 향후 전자기기나 모빌리티 등 광범위한 분야의 냉각에 이용될 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요 사업과 산업통상자원부(장관 안덕근)의 지원(20213091010020)으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal(IF: 13.3, JCR 분야 상위 3.1%)」 최신 호에 게재됐다. 

 * (논문명) Efficient full-color daytime radiative cooling with diffuse-reflection-dominant cholesteric liquid crystals

[그림 1] 색상형 복사 냉각 액정 소재 모식도 및 실제 사진

색상형 냉각 소재를 구성하는 나선형 액정 광결정 (좌) 구조 모식도 및 (우) 실제 사진. 첨가물(카이랄 도펀트) 양을 조절하여 전 영역 색상을 구현함.

[그림 2] 색상형 복사 냉각 액정 소재의 냉각 성능

(좌) 개발된 소재로 제작한 여러 색상의 “KIST” 글자를 광학 카메라와 적외선 카메라로 각각 촬영한 결과. 글자 온도가 주변부보다 낮음을 확인.

(우) 색상형 냉각 소재와 상용 페인트의 한낮 온도 변화를 측정한 결과. 상용 페인트 대비 최대 30.8 oC 낮은 온도 달성함.

[사진 1] 공정 실험실에서 연구팀의 김민정 박사후연구원(좌)과 강진구 책임연구원(우)이 직접 제작한 색상형 복사냉각 소재를 보여주고 있다.