덥고 건조할 때 잎을 말아 뒷면을 드러내 태양빛을 반사하고, 밤에는 잎 표면에 맺힌 수분이 방출하는 열(잠열)로 냉해를 막는 '포플러'의 열관리 전략을 모사한 인공소재가 개발됐다. 건축 외벽·지붕·임시 보호소 등에서 전력 없이 스스로 온도를 조절하는 열관리 기술 적용 가능성을 크게 높였다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 송영민 전기 및 전자공학부 교수팀이 김대형 서울대 교수팀과 이와 같은 '유연 하이드로겔 기반 열조절기(LRT)'를 개발했다고 18일 밝혔다.
LRT 핵심 소재는 리튬 이온(Li⁺)과 하이드록시프로필 셀룰로오스(HPC)를 하이드로겔에 결합한 구조다. Li⁺는 주변 수분을 흡수·응축해 잠열을 조절하고 따뜻함을 유지한다. 또 온도가 올라가면 HPC 분자들이 뭉쳐 하이드로겔이 불투명해지고, 태양광이 반사돼 자연 냉각 효과가 강화된다.
이에 LRT는 주변 온도·습도·조도에 따라 네 가지 열조절 모드로 전환된다. 전력 없이 주변 환경에 맞춰 스스로 냉·난방 모드를 전환하는 자연 모사형 열관리 장치다.
실외 실험 결과, LRT는 기존 냉각 소재보다 여름에는 최대 3.7도 더 낮고, 겨울에는 최대 3.5도 더 높은 온도를 유지했다. 7개 기후대(ASHRAE 기준) 대상 시뮬레이션에서는 기존 지붕 코팅보다 연간 최대 153메가줄(MJ)/㎡ 에너지 절감 효과가 있는 것으로 나타났다.
연구팀은 Li⁺와 HPC의 농도를 조절해 열조절 특성을 세밀하게 조정할 수 있음을 확인했고, 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자를 추가해 소재 내구성과 기계적 강도도 크게 향상시켰다.
송영민 교수는 “이번 연구는 자연의 지능형 열조절 전략을 공학적으로 재현한 기술로, 계절과 기후 변화에 스스로 적응하는 열관리 장치를 제시했다는 데 의미가 있다”며 “향후 다양한 환경에 적용 가능한 지능형 열관리 플랫폼으로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 전기 및 전자공학부의 김형래 박사과정이 공동 제1저자, 송영민 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 '어드밴스드 머터리얼즈'에 지난 4일자 온라인 게재됐다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 과학기술원 이노코어 사업, 중견연구사업, 나노 및 소재기술개발사업, 미래의료혁신대응기술개발사업, 해외우수연구기관협력허브구축사업, 산업통상자원부와 한국산업기술기획평가원이 지원하는 바이오산업기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
