새로운 연구가 우수한 열 관리를 위한 효과적인 재료 구축 방법을 제시

우리는 종종 재료를 그 특성에 따라 인식합니다. 그러나 재료 과학 및 공학에서 이룬 진보 덕분에 서로 크게 대조되는 특성을 결합한 재료를 생산할 수 있게 되었습니다. 

최근 사례에서, 연구팀은 열에 노출될 때 높은 강성과 낮은 열전도도를 함께 갖는 재료를 설계할 수 있음을 보였습니다.

노스캐롤라이나 주립대학 기계·항공공학 부교수이자 해당 논문의 공동 교신 저자인 Jun Liu는 이 발견의 독특함과 재료에 대해 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 이제 강직하면서도 뛰어난 열 절연체인 다양한 재료를 발견했습니다. 또한, 필요에 따라 재료의 강직도와 열 전도성을 제어하도록 엔지니어링할 수 있습니다.”

많은 재료에서는 높은 탄성계수와 열전도도가 함께 나타나는 경향이 있습니다. 그러나 높은 강성이 언제나 나쁜 단열 성능을 뜻하는 보편적 법칙은 아닙니다.

강성이 높으면서 열을 잘 전달하지 않는 재료는 고온으로부터 전자기기를 보호하는 코팅 등에 유용할 수 있습니다. 여기서 보호 대상은 개별 전자가 아니라 전자 부품이나 장치입니다.

재료를 더 깊이 탐구하고 연구에 대해 더 알아보면, 연구진이 작업한 재료가 2차원 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트(2D HOIP)의 하위 집합임을 알 수 있습니다. 이 재료는 ‘고도로 정렬된 결정 구조에서 유기층과 무기층이 교대로 배열된’ 얇은 필름으로 구성됩니다. 가치가 더해지는 점은 무기층이나 유기층 중 하나의 조성을 조절할 수 있다는 것입니다. 

연구진은 유기층의 탄소 사슬 일부를 벤젠 고리를 포함하는 구조로 바꾸어 분자 간 상호작용을 조절했습니다. 이를 통해 탄성계수와 열전도도의 관계를 조사했습니다.

연구는 팀이 최소 세 가지 서로 다른 2D HOIP 재료를 개발하도록 도왔으며, 이 재료들은 강직도가 높아질수록 열 전도성이 감소했습니다.

또한 유기층에 키랄성을 도입해 조성을 상당히 바꾸더라도 강성과 열전도도를 비슷하게 유지할 수 있음을 보였습니다. 조성을 바꾸지 않았다는 뜻이 아닙니다. 이는 다른 특성을 조절하는 데 도움이 될 가능성을 제시하지만, 모든 변경에서 같은 성능을 보장하지는 않습니다.

이 연구의 상용화 가능성을 검토할 수 있는 기업으로는 단열재와 열관리 제품 업체가 있습니다. 다만 아래 기업들이 해당 2D HOIP 기술을 이미 도입하거나 연구진과 협력하고 있다는 증거는 아닙니다.

#1. Owens Corning

Owens Corning (OC )의 FOAMULAR 제품군은 압출 폴리스티렌(XPS) 단열재입니다. 폐쇄기포 구조를 이용하며, 제품별 열저항과 압축강도 등급이 다릅니다.

그 고성능 압출 폴리스티렌은 내구성 있고 다재다능하며 탄력적인 제품을 통해 단열을 제공하며, 건축, 엔지니어링 및 건설 분야의 다양한 사용 사례에 유용합니다. 단열 특성 외에도, 이 재료는 습기에 대한 저항성을 가지고 있습니다. 

Owens Corning은 독점적인 제조 공정을 보유하고 있습니다. 해당 공정은 폐쇄기포 구조의 XPS 단열재를 만듭니다. 폐쇄기포는 내부 공간이 전혀 없다는 뜻이 아니라 기포들이 서로 연결되지 않은 구조를 말합니다. 일부 제품의 명시 열저항은 두께 1인치당 R-5이며, R값은 열 흐름에 대한 저항을 나타냅니다.

제품군의 압축강도는 등급에 따라 약 15~100 psi이며 관련 규격은 ASTM C578입니다. 원문의 C5781은 각주 숫자가 붙은 오기입니다. 용도와 설치 조건에 맞는 제품을 선택해야 하며, 내수성과 장기 열저항에 관한 제조사 비교·보증 수치는 해당 시험 조건과 보증 요건을 확인해야 합니다.

2D HOIP 연구는 새로운 단열 설계의 가능성을 보여주지만, Owens Corning의 기존 XPS 제품에 이 물질이 사용된다는 뜻은 아닙니다.

1938년에 설립되어 오하이오 주 톨레도에 본사를 둔 Owens Corning은 2023년에 순매출 97억 달러를 기록했습니다.

#2. Gore

Gore는 모바일 기기용 열관리 제품을 공급합니다. 이 분야가 연구와 관련될 수는 있지만, 해당 회사가 연구 물질을 채택했거나 그로부터 이익을 얻을 것이라고 단정할 수 없습니다.

Gore Thermal Insulation은 열관리 제품입니다. 제조사는 이 제품의 두께 방향 열전도도가 공기보다 낮다고 설명합니다. 단열층은 특정 방향의 열 흐름을 줄이고, 흑연 같은 열확산층은 다른 방향으로 열을 퍼뜨립니다. 두 역할은 구분해야 하며 효과는 장치 설계에 따라 달라집니다.

정교한 열 절연 특성 외에도, Gore의 솔루션은 통합이 용이하고 초기 설계 단계부터 상용화까지 설계 지침 및 모델링 통합을 지원하는 엔지니어 팀의 지원을 받는 등 다른 성능 이점을 제공합니다.

1958년 Bill Gore와 Vieve Gore가 설립한 회사로, 미국 델라웨어주 뉴어크에 본사를 둔 Gore의 연간 매출은 원문에서 약 48억 달러로 소개되었습니다. 이는 기사 작성 당시의 역사적 수치이며 현재 매출을 뜻하지 않습니다.

재료의 특성과 열 전도성 사이의 역학에 대한 추가 연구

단열재는 다양한 용도로 쓰이지만 모든 재료가 모든 상황에 적합한 것은 아닙니다. 필요한 온도 범위, 기계적 특성, 수분 노출 등을 함께 고려해야 합니다.

열 절연 성능 연구와 셀룰로오스 기반 열 절연 재료의 실내 공기질에 미치는 영향을 조사한 연구는 열 전도성에 영향을 주는 다양한 요인을 조사했습니다. 이러한 요인에는 사용된 원료 유형, 제조 공정, 밀도, 수분 함량 및 시험 환경 온도가 포함됩니다.

인용된 연구에서는 수분과 밀도, 기공 구조가 열성능에 영향을 주었습니다. 특정 시료에서 압축 후 열전도도가 낮아진 결과를 모든 단열재에 일반화할 수는 없습니다. 밀도가 높아지면 고체를 통한 열전달이 커지는 경우도 있습니다.

연구는 자연 밀도에서 열 성능이 가장 우수한 특정 제품 조성을 자세히 조사했습니다. 한 제품은 셀룰로오스 아세테이트, 폐담배 필터, 폐담배 종이 및 폐 알루미늄 코팅 종이로 구성되었습니다. 또 다른 제품은 폐지만으로 구성되었습니다. 

흡착 성능은 재료의 섬유 구조와 가공 균일성에 따라 달랐습니다. 목질 섬유나 폐골판지 유래 셀룰로오스의 결과를 모든 조성에 동일하게 적용해서는 안 됩니다.

이 연구는 재활용된 농업·산업 폐기물로 만든 열 절연 재료를 분석했기 때문에 유용하다고 판단되었습니다. 이러한 재료는 건축 자재에 자주 사용되지만 아직 충분히 개발되지 않았습니다.

현재 논의를 촉발한 연구는 전자 제품을 열로부터 보호하는 것을 목표로 했습니다. 이와 관련된 연구 사례도 있습니다. 예를 들어, 중국 시안의 시안자오통대학 연구팀은 심부 구멍 환경 탐사를 위한 전자 장치의 능동형 열 보호에 대한 실험 연구를 수행했습니다. 다음 섹션에서는 해당 연구와 그 결과를 더 자세히 살펴보겠습니다.

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심부 시추공 환경의 전자기기를 위한 능동 열보호

심부 시추공 탐사에서는 전자기기가 높은 온도와 압력을 견뎌야 합니다. 석유·가스 탐사 등이 한 예이며, 고온은 부품의 안전한 작동을 방해할 수 있습니다. 연구진은 능동형 열‑절연 시스템을 연구했습니다. 나선 유로를 갖는 환형 냉각판(ACP), 상변화 물질(PCM)을 넣은 축열 용기, 에어로젤 매트(AM)를 결합한 구성입니다.

팀은 ACP의 구조, 배치 및 작동 매체 흐름 속도가 열 보호 성능에 미치는 영향을 실험적으로 측정했습니다. 성능은 두 가지 매개변수, 즉 온도 제어 능력과 시스템 작동 시간을 의미했습니다. 

시험에서는 에어로젤 매트층의 필요성과 ACP의 내부 배치가 갖는 이점을 확인했습니다. 이는 특정 시험 장치의 결과이며, 시추공 환경에 적용하려면 구조와 작동 조건에 맞춘 검증이 필요합니다.

2022년에는 Nature 본지가 아니라 npj Flexible Electronics에 웨어러블 전자기기용 부드럽고 신축성 있는 열보호 기판 연구가 발표되었습니다.

웨어러블 전자를 위한 부드럽고 신축성 있는 열 보호 기판

오늘날 많은 의료 응용 분야는 웨어러블 전자의 효과적인 활용에 기반하고 있습니다. 이러한 제품은 신중한 취급이 필요합니다. 그러나 작동 중에 장치가 과열되어 열 불편이나 피부 손상을 일으킬 수 있습니다. 연구팀은 고급 열 보호를 제공할 수 있는 재료와 구조를 찾기 위해 조사했습니다. 

그들은 복합 설계를 특징으로 하는 부드럽고 신축성 있는 열 보호 기판을 보고했습니다. 이 기판은 널리 사용되는 고분자 물질인 폴리디메틸실록산에 열 흡수 미세구를 내장한 복합 구조로, 레진 쉘 내부에 캡슐화된 상변화 물질을 포함합니다.

연구에서는 150%를 넘는 변형에서도 작동하는 구조와 피부의 최대 온도 상승분을 약 82% 줄인 결과를 보고했습니다. 피부의 절대온도 자체가 82% 내려갔다는 뜻이 아니며, 결과는 시험 및 모델 조건에 해당합니다.

열 스트레스를 받는 Google Pixel 3XL에서 정상 상태 시스템 성능을 향상시키는 재료

적절한 열 절연 재료를 선택하는 또 다른 흥미로운 사례는 초고확산 용량을 가진 그래파이트 호일과 초저열 전도성을 가진 절연 시트를 사용하는 것이었습니다. 이들은 수정된 Google Pixel 3XL에 적용되어 표면 접촉(피부) 온도를 낮추었습니다.

비슷한 두께인 약 350 µm의 열관리 구성 네 가지를 제작하고 3DMark—Sling Shot Extreme으로 수정된 Pixel 3XL을 시험했습니다. 목적은 접촉면 온도를 낮추면서 프로세서 접합온도의 상승을 작게 유지하는 것이었습니다. 흑연은 열을 퍼뜨리는 재료이며 공기나 단열층과 역할이 다릅니다.

결과는 유망했습니다. 정상 상태 접촉 온도는 그래파이트, 절연재, 공기와 같은 단일 구성 요소 열 솔루션에 비해 최대 접합 온도(TJ) 상승이 1°C 미만인 상황에서 최대 3.2°C 감소했습니다.

이 연구 결과는 고성능 단열재와 흑연의 복합 구성이 얇고 전력 소모가 큰 모바일 기기에 도움이 될 가능성을 보여줍니다. 최적 구성은 각 장치의 전력, 공간과 냉각 조건에 따라 달라지므로 개별 검증이 필요합니다.

열관리는 에너지 효율과 장치의 안전한 작동을 개선하는 데 기여할 수 있습니다. 재료의 기계적·열적 특성을 이해하고 용도에 맞게 조절하는 것이 핵심이며, 실험실 결과를 상용 제품으로 옮기는 데에는 추가 개발이 필요합니다.

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