다양한 산업 현장의 '열 전달'을 보다 효과적으로 수행할 수 있게 하는 기술이 국내에서 개발됐다. 기존 대비 최대 5.5배 열전달 성능 확보가 가능하다. 발전소 복수기, 담수화 설비, 수분 회수 장치 및 고효율 열관리 시스템의 열전달 효율을 높이고 에너지 소비를 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다.
한국과학기술원(KAIST·총장 배충식)은 남영석 기계공학과 교수, 임성갑 생명화학공학과 교수팀이 표면 고분자 코팅막 두께·구조를 조절해, 수증기가 물로 변할 때 물방울은 더 많이 생기고, 생긴 물방울은 더 빨리 떨어지게 하는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
차가운 음료수 컵 표면에 물방울이 맺히는 것과 같은 '응축' 현상은 산업 현장에서는 발전소 증기를 다시 물로 바꾸거나, 바닷물에서 민물을 얻고, 전자기기에서 발생한 열을 식히는 데 폭넓게 이용된다.
응축 과정에서는 표면의 물이 빨리 빠져나가는 것이 중요하다. 작은 물방울들이 합쳐진 '물막'이 '열저항' 역할을 해 열전달 효율을 떨어뜨린다. 반면, 물이 작은 물방울 형태로 맺혀 계속 떨어지면 새로운 표면이 반복해서 드러난다. 이런 '적상응축' 상황은 열을 더 효과적으로 전달할 수 있다.
다만 기존 기술에 딜레마가 있다. 물방울을 더 많이 만들고자 표면을 울퉁불퉁하게 만들면 물방울이 그 구조에 걸려 잘 떨어지지 않았다. 반대로 표면을 매끄럽게 만들면 새 물방울이 만들어질 자리가 줄었다.
연구팀은 그동안 고분자막 '결함'으로 여겨졌던 나노 크기 작은 알갱이(응집체)를 활용해 문제를 해결했다. 아주 얇은 고분자막을 만드는 방식으로, 표면에 물방울이 맺히는 '씨앗 자리' 역할을 할 나노 알갱이를 조성했다. 이로써 맺히는 물방울이 약 3배 많이 생겼다. 여기에 열처리를 더해 물방울이 표면에 달라붙는 힘도 줄였다.
실제 응축기에 많이 쓰이는 구리관에 이 고분자막을 입혀 성능을 확인한 결과, 열을 전달하는 능력을 나타내는 '응축 열전달계수'가 최대 약 88㎾·m⁻²·K⁻¹를 기록했다. 이는 물막이 생기는 일반 구리 표면보다 열전달 성능이 최대 약 5.5배 높은 수준이다. 기존 발수 코팅 표면과 비교해도 50% 이상 높은 성능을 보였다.
남영석 교수는 “물방울 생성·제거를 조절해 열전달 효율을 높이는 새로운 방법을 제시했다”며 “이 기술은 복잡한 모양의 표면에도 매우 얇고 균일하게 코팅할 수 있어 산업용 열교환기를 비롯한 다양한 에너지·환경 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 덧붙였다.
연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션스'에 7월 16일 온라인 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
