How materials you’ve never heard of could clean up air conditioning

한번도 들어본 적 없는 소재로 친환경적 에어컨을 만드는 방법

과학자들은 압력이나 다른 힘을 가할 때 온도가 크게 변하는 유망한 "열량 재료 ”들을 찾아내고 있다.

몇 년 전 카탈루냐 공과대학과 케임브리지 대학의 연구원들이 냉각 및 냉장에 큰 영향을 미칠 수 있는 일련의 간단한 실험을 수행했다.

그들은 페인트와 윤활유를 생산하는 데 사용하는 일반적 화학물질 네오펜틸글리콜(neopentyl glycol)의 유점성 결정(plastic crystal)을 챔버에 넣고 기름을 첨가한 뒤 크랭크장치로 피스톤을 작동했다. 유체가 압축되고 압력이 가해짐에 따라 결정의 온도가 약 40˚C 상승했다.

이는 적어도 지난해 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 저널에 연구 결과를 발표할 당시만 해도, 압력을 가한 재료에서 기록된 가장 큰 온도 변화였다. 또 압력을 완화하면 정반대의 효과가 나타나 결정이 극적으로 냉각된다.

연구팀은 이 결과로 기존 냉매를 대체할 만한 유망한 접근법을 부각시킴으로써 잠재적으로 “성능 저하 없이 환경 친화적 냉각”이 가능하도록 했다고 밝혔다. 이런 발전이 매우 중요한 이유는 국제에너지기구(International Energy Agency)가 추정하듯이, 부의 증가와 인구 증가, 기온 상승으로 인해 주요 기술 개선 없이는 2050년까지 실내 냉방에 필요한 에너지 수요가 세 배로 늘 수 있기 때문이다.

이 소재의 온도 변화는 기존의 에어컨 시스템과 냉장고에서 냉각을 구동하는 수소불화탄소(hydrofluorocarbon)의 온도 변화와 엇비슷했다. 그러나 수소불화탄소는 강력한 온실 가스다.

이 작용은 예부터 알려진 현상에 바탕을 둔 것으로, 입술을 대고 풍선을 재빨리 내리눌러본 적이 있다면 익숙할 텐데(단열 과정으로 인해 풍선이 따뜻해진다), 이른바 열량 재료(caloric material)가 압축되거나 외력을 받으면 열을 방출하는 현상 때문에 일어난다. 또 특정 재료를 자기장과 전기장, 또는 자기장과 전기장의 어떤 조합에 놓아두면 경우에 따라 성공하기도 한다.

과학자들이 이런 원리에 기반한 자기 냉장고(magnetic refrigerator)를 수십 년 동안 개발해 왔지만, 아직도 자기 냉장고에는 크고 강력하며 값비싼 자석이 필요한 경향이 있다. 그러나 지난 목요일, 위에서 설명한 실험을 수행한 케임브리지 대학의 재료 과학자 자비에 모야(Xavier Moya)와 N.D. 마투르(N.D. Mathur)가 쓴, 사이언스(Science)에 실린 리뷰 논문에 따르면 연구자들은 이 분야에서 상당한 진전을 보이고 있다.

연구팀이 큰 온도 변화를 겪는 수많은 열량 재료들을 정확히 집어내어 냉난방 시험 장치에 넣고 구동해보고 있다고 저자들은 언급한다. 전기, 변형 및 압력을 이용해 대량의 열을 방출하고 전달할 수 있는 이 재료와 장치들(불과 십여 년 전에 시작해 이제 막 도약중인 접근법)은 이미 수십 년간의 연구를 통해 달성한 자석 기반 냉각 장치의 성능을 따라잡고 있다.

이 기술은 수소불화탄소의 필요성을 줄일 뿐만 아니라, 상변화에 필요한 에너지 양에 비례해 방출되는 열을 고려할 때, 기존 냉각 장치보다 에너지 효율이 더 높을 것으로 기대된다. 결정적 차이점을 꼽자면, 이 기술은 재료가 고체 상태로 유지되는 반면 수소불화탄소와 같은 기존 냉매는 기체 상태와 액체 상태 사이에서 상전이를 반복하며 가동된다는 점이다.

상변화 촉발

이 기술의 작동 방식은 다음과 같다.

많은 소재는 특정한 힘을 받으면 작은 온도 변화를 보인다. 그러나 연구자들은 이상적으로 가능한 한 적은 에너지를 들여 큰 온도 변화를 겪는 재료들을 물색해왔다. 그 중에서도 특정 금속 합금은 변형(strain) 아래서 기대되는 결과를 보여주었고, 일부 세라믹과 중합체는 전기장에 잘 반응했으며, 무기염과 고무는 압력에 유망해 보인다.

이런 힘(forces)이나 장(fields)은 재료 내부의 원자나 분자를 더욱 질서 있게 정렬하여, 자유-유동성 물 분자가 조밀한 얼음 결정으로 변할 때 발생하는 것과 유사한 상변화를 일으킨다. (그러나 열량 재료의 경우, 더 단단해지긴 해도 재료가 고체 상태를 유지하면서 상전이가 발생한다.) 이 과정에서 두 상태 간의 에너지 차이를 설명하기에 충분한 잠열이 방출된다. 힘이 풀리면서 재료가 본래의 상태로 돌아가면 온도가 감소하면서 이를 냉각에 활용할 수 있게 된다.

이는 오늘날 냉각 장치가 작동하는 방식과 크게 다르지 않다. 기존 냉각 장치도 수소불화탄소가 액체에서 기체로 바뀌는 압력까지 감압하니까. 그러나 이런 고체 상태 냉각 접근법은, 적어도 상전이를 일으키기 위해 분자를 결코 멀리까지 움직일 필요가 없기 때문만으로도 훨씬 더 에너지 효율적일 수 있다고 에임스 연구소(Ames Laboratory)의 선임 과학자 준 쿠이(Jun Cui)는 말한다.

시장 진입

경쟁력 있는 상업용 기기를 내놓는 데 있어 관건은 온도 변화가 크고, 본래의 상태로 쉽게 되돌아가며, 고장 없이 이런 변화 사이클을 긴 시간 견디면서도(상업용 냉장고는 수백만 번의 사이클이 되풀이되는 동안 작동한다), 비싸지 않은 알맞은 소재를 찾아내는 것이다.

특정 재료와 사용 사례들이 점점 시장 진입에 가까워지고 있다고 메릴랜드 대학의 재료 과학자 이치로 다케우치(Ichiro Takeuchi)는 말한다. 그는 약 10년 전에 외력에 반응하는 재료로 냉각 장치를 생산하는 회사인 메릴랜드 에너지 앤 센서 테크놀로지(Maryland Energy & Sensor Technology)를 설립했다.

그의 연구 그룹은 가열과 냉각을 유도하기 위해 니켈 티타늄(nickel titanium)으로 된 튜브를 압축하고 풀어주는 냉각 장치 시제품을 개발했다. 튜브 속을 흐르는 물이 초기 단계 동안 열을 흡수하고 발산한 뒤, 그 과정을 반대로 진행하면서 그릇이나 생활 공간을 식힐 때 사용할 물을 냉각한다.

이치로 다케우치의 연구 그룹이 개발한 냉각 장치 시제품 : 이치로 다케우치 제공

이 회사는 초기 제품으로, 특정하진 않았지만 가격이 더 저렴한 소재를 써서, 대형 냉장고나 창문형 에어컨만큼의 냉각 성능을 요하진 않는 와인 쿨러를 생산할 계획이다.

사이언스 논문의 저자 중 한 명인 모야는 약 1년 6개월 전에 자신의 스타트업 기업을 공동 설립했다. 영국 케임브리지에 소재한 바로칼(Barocal)은 “네오펜틸글리콜과 관련이 있지만 그보단 더 나은” 유점성 결정을 쓰는 열펌프 시제품을 개발했다고 밝혔다.

통틀어 약 십여 곳의 스타트업 기업이 이 기술을 상용화하기 위해 생겨났고, 중국 거대 가전 기업인 하이얼(Haier)과 애스트로노틱스아메리카(Astronautics Corporation of America)를 포함해 다수의 기존 기업도 그 잠재력을 탐색하고 있다.

쿠이는 향후 5~10년 안에, 힘과 외력에 반응해 온도를 변화시키는 재료를 기반으로 한 최초의 상용제품들을 만나볼 수 있을 것으로 예상하지만, 일반적 냉방기들과 경쟁이 될 만한 가격을 갖추는 데는 아마 몇 년이 더 걸릴 것이라고 말한다.

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