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 강직하면서도 단열 성능을 제공하는 특성을 가진 엔지니어링 재료의 가능성을 입증했습니다. 

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.”

보통, 높은 탄성 계수를 가지고 있어 강직도가 증가하는 재료는 절연성이 없으며, 오히려 높은 열 전도성을 가지고 있습니다. 

하지만 강직성을 유지하면서도 좋은 절연체 역할을 하는 재료가 필요하다면 어떨까요? 이러한 재료는 전자를 고온으로부터 보호하기 위한 열 절연 코팅을 만드는 상황에서 유용하게 활용될 수 있습니다.

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. 

이 과정은 이러한 재료의 유기층에 있는 탄소-탄소 사슬을 벤젠 고리로 교체하는 것을 포함합니다. 이는 탄성 계수와 열 전도성을 제어하거나 조절할 수 있는 상황을 만들게 됩니다. 

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

강직하면서도 절연성을 갖는 재료를 만드는 것 외에도, 연구는 유기층에 키랄리티를 도입하는 데에도 기여했으며, 이는 유기층의 조성을 크게 변경하지 않고도 동일한 강직도와 열 전도성을 유지할 수 있음을 의미합니다. 이 분야의 추가적인 진전은 이러한 변화가 재료의 강직도나 열 전도성에 미치는 영향을 걱정하지 않고도 다른 특성을 최적화할 가능성을 보장할 수 있습니다. 

이러한 재료의 실제 적용 가능성을 평가할 때, 많은 기업이 이 연구로부터 혜택을 받을 수 있습니다. 이들 기업은 연구를 진행하고, 대규모로 시험하며, 그 이점을 기존 제품 라인에 통합하거나 새로운 제품 라인을 전면적으로 만들 수 있는 연구개발(R&D) 자원을 보유하고 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 기업 몇 곳을 논의하고, 이들이 어떻게 이 혁신을 채택할 수 있는지 살펴보겠습니다. 

#1. Owens Corning

Owens Corning (OC ) 의 Foamular 제품 라인은 고성능 압출 폴리스티렌 단열재로 구성됩니다. 압출 폴리스티렌 폼은 폐쇄 셀로 이루어져 표면 거칠기가 개선되고 강직도가 높아지며 열 전도성이 감소합니다. 

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 Hydrovac이라는 이름의 이 공정은 이러한 솔루션을 제조합니다. 이 공정은 기공이 없는 일관된 폐쇄 셀 구조를 제공하여 습기를 차단하면서 두께 1인치당 R값 5를 제공합니다. 단열의 맥락에서 R값은 건물의 단열이 열 흐름을 얼마나 잘 차단하는지를 나타내는 척도이며, R값이 높을수록 단열 제품의 성능이 뛰어납니다.

The product has compressive strengths ranging from 15 to 100 psi and is manufactured in compliance with ASTM C5781. It could be the ideal choice in Protected Roof Membrane Assemblies (PRMA) for vegetative roofs, which can withstand wet soils and loads. Additionally, it is lightweight, easy to handle, and compatible with common exterior claddings and finishes. Not only does the product offer up to 13 times more resistance to water than conventional EPS insulation, but it also retains a minimum of 90% of R-value over 20 years.

앞서 언급한 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트(2D HOIP) 연구는 Owens Corning에게 이 분야에서 리더십을 강화할 새로운 방안을 제공할 수 있습니다. 

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

#2. Gore

2D HOIP에 대한 연구를 논의하면서, 이러한 재료가 전자 재료에 대한 열 절연을 제공할 잠재력이 있음을 확인했습니다. 모바일 기기용 열 절연을 전문으로 하는 Gore는 이러한 재료와 연구로부터 혜택을 받을 것입니다.

Gore Thermal Insulation은 고급 열 관리 솔루션으로 공기보다 낮은 전도성을 가지고 있습니다. 이는 설계 유연성을 높이고 설계자가 z축 열 전도성을 보다 정밀하게 제어함으로써 열을 전달할 수 있게 합니다. z축 제어가 향상되면 구성 요소가 더 높은 수준에서 더 오랜 기간 동안 작동하도록 돕는 우수한 확산 옵션을 제공하고, 형태 요인을 축소하며, 표면 온도 요구 사항을 충족시킵니다. 

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.

1959년 Bill과 Vieve Gore에 의해 설립되어 미국 델라웨어 주 뉴어크에 본사를 둔 Gore는 연간 매출 48억 달러를 기록하고 있습니다. 

재료의 특성과 열 전도성 사이의 역학에 대한 추가 연구

단열은 광범위한 적용 가능성을 가지고 있습니다. 결국 우리 일상 생활의 대부분의 공간과 재료는 열로부터 보호가 필요합니다. 모든 종류의 재료가 모든 적용 시나리오에 맞는 것은 자연스러운 일입니다. 

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.

연구는 또한 우수하고 독특한 절연 특성을 가진 재료 개발에 필요할 몇 가지 상관관계를 제시했습니다. 예를 들어, 수분이 열 성능에 부정적인 영향을 미친다는 점을 확인했습니다. 반대로, 재료 압축을 통해 얻은 밀도 증가가 특히 균일하게 분포된 공기 틈이 있는 재료의 경우 열 전도성을 감소시키는 경향이 있었습니다.

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 용량에 관해서는, 가장 뚜렷한 흡착 강화는 목재 섬유로 만든 열 절연 재료와 폐 골판지에서 추출한 셀룰로오스로 만든 재료에서 발견되었습니다. 이는 가공이 부실하고 제품이 불균일한 경우에 해당합니다.

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 구멍 환경 탐사에 사용되는 전자 장치의 능동형 열 보호

먼저 심부 구멍 환경 탐사가 무엇인지 살펴보겠습니다. 이는 전자 장치가 셰일 오일을 추출하고 활용하기 위해 사용되는 가장 중요한 적용 분야 중 하나이며, 고온과 고압이 결합된 영역입니다. 이러한 열 조건은 전자 부품의 안전한 작동을 위협할 수 있습니다. 이 경우 연구원들은 능동형 열‑절연 시스템을 연구했으며, 이는 나선형 원형 냉각 플레이트(ACP), 상변화 물질(PCM)이 포함된 열 저장 용기, 그리고 에어로겔 매트(AM)로 구성됩니다. 

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. 

연구 결과, 에어로겔 매트 층이 필요하며 내부 ACP 케이스가 더 나은 열 보호 성능을 보인다는 것이 밝혀졌습니다. 또한 연구는 심부 구멍 환경에서 사용하기 위한 절연 재료와 결합된 하이브리드 열 보호를 위해 나선형 흐름을 갖는 원형 냉각 플레이트(ACP)를 제안했습니다.

2022년에 진행되어 Nature 저널에 발표된 또 다른 연구는 웨어러블 전자를 위한 부드럽고 신축성 있는 열 보호 기판을 조사했습니다. 

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.

결과는 유망했으며, 이 기판은 150% 이상의 복잡한 변형을 견디면서 최적화된 조건에서 피부 표면 온도 상승을 82% 이상 감소시킬 수 있었습니다. 

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.

배치는 그래파이트와 같은 단일 구성 요소 절연 솔루션(공기 또는 그래파이트)보다 장치 접합 온도에 미치는 영향을 최소화하고, 동시에 장치의 정상 상태 시스템 성능을 향상시키기 위해 수행되었습니다. 실험을 위해 약 350 µm의 유사한 두께를 가진 네 가지 독특한 열 솔루션이 제작되었습니다. 이후 이러한 솔루션은 3DMark—Sling Shot Extreme을 통해 Pixel에서 열 스트레스 테스트를 받았습니다. 

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.

The 연구 결과 고성능 절연-그래파이트 복합재가 고출력, 얇은 모바일 전자 아키텍처를 강화하는 데 상당한 효용을 제공할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 최적 설계 구성은 각 모바일 전자 시스템이 시스템 전력 및 사용 가능한 공간의 다양성으로 인해 고유한 열 과제를 제시하기 때문에 달라질 수 있습니다.

전반적으로, 열 보존은 더 푸른 미래를 위한 지속 가능한 모델을 달성하는 데 큰 잠재력을 가진 실천입니다. 효과적인 절연 또는 열 관리에 대한 모든 연구는 본질적으로 재료에 대한 연구이며, 고유한 특성을 조사하고 필요에 따라 최적화하는 것입니다. 현재 연구 추세는 이미 충분한 작업이 진행되고 있음을 보여주며, 이러한 노력은 앞으로 더욱 강화될 것입니다. 

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