우주로 열을 내보내는 복사 냉각, 기후 대응에 기여할 가능성

도시가 확장되고 밀집하면서 콘크리트와 아스팔트 표면도 늘어나고 있다. 건물과 도로가 열을 흡수하면 주변이 더워지고 냉방 수요가 증가한다. 배출량은 사용하는 에너지원에도 좌우된다. 이에 메릴랜드대학교 연구진이 한 가지 해결책을 개발했다. 2023년에 발표한 냉각 유리라는 미세다공성 코팅으로, 복사 냉각을 이용한다. 일반적인 투명 창유리가 아니라 유리를 포함한 코팅이다.

복사 냉각의 진전

기후 대응에는 이미 생산한 전기를 더 효율적으로 사용하는 일도 포함된다. 냉각 유리는 두 가지 원리를 결합한다. 높은 알베도로 태양 복사의 상당 부분을 반사하고, 대기가 비교적 잘 통과시키는 파장대에서 적외선을 방출해 열을 우주로 내보낸다. 햇빛을 반사하는 과정과 열복사를 방출하는 과정은 서로 다르다. 약 −270 °C인 우주 배경은 차가운 기준으로 작용하며, 진공이 대류를 통해 열을 운반하는 것은 아니다.

연구진은 논문에서 재료를 다음과 같이 설명한다.

“장파 적외선을 선택적으로 방출하고 태양 반사율이 비교적 높은 미세다공성 유리 골격과, 햇빛을 강하게 산란시키며 제조 중 다공성 구조가 치밀해지는 것을 막는 산화알루미늄 입자로 이루어진 무질서한 광자 복합재.”

코팅은 여러 조건에서 좋은 결과를 보였다. 제조 방식은 더 큰 규모의 생산에 적합할 가능성이 있지만, 2023년 당시 연구진은 추가 시험과 실제 응용 개발을 계속하고 있었다.

출처: www.cera.cool

성능에 관해 연구 초록은 다음과 같이 밝힌다.

“이 미세다공성 유리 코팅은 습도가 최대 80%에 이르는 환경에서도 정오에 약 3.5 °C, 야간에 약 4 °C의 온도 하강을 가능하게 한다.”

상세 측정 결과는 조건을 구체적으로 구분한다. 정오에는 상대습도 30%에서 코팅이 30 °C인 주변 공기보다 약 3.5 °C 낮았다. 야간에는 습도가 최대 80%일 때 17.5 °C인 공기보다 약 4 °C 낮았다. 중층 공동주택 지붕에 관한 시뮬레이션은 냉방과 관련된 연간 이산화탄소 배출량을 약 10% 줄일 가능성을 제시했다. 건물의 모든 배출량이 일반적으로 그만큼 감소한다고 실측한 결과는 아니다.

복사 냉각 자체는 새로운 개념이 아니다. 여기서 주목할 점은 성능, 실외 환경에 대한 내구성, 더 큰 규모로 생산할 가능성이 결합되어 있다는 것이다.

방열판이란 무엇인가?

방열판은 다른 물체에서 열을 받아 주변으로 내보내는 장치다. 전자·기계 시스템에서 과열을 막는 데 쓰인다. 뜨거운 부품과 접촉하면 보통 열전도가 일어나며, 주변으로 열을 전달할 때는 대류와 복사가 작용할 수 있다. 여기서 설명하는 냉각 유리는 하늘과 우주를 향해 적외선을 방출함으로써 에너지를 내보낸다.

방열판의 주요 원리와 특성은 다음과 같다.

열전도: 재료 내부를 통해 열이 전달되는 과정이다. 프로세서 같은 뜨거운 부품은 접촉한 방열판으로 열을 전달한다.

재료: 알루미늄과 구리는 열을 잘 전달하므로 흔히 사용된다. 부품에서 열을 옮겨 더 넓은 면적으로 분산한다.

설계와 표면적: 핀 등의 구조는 열교환 면적을 넓힌다. 더 많은 공기가 방열판과 접촉할 수 있어 열 방출이 향상된다.

대류: 표면을 흐르는 공기나 액체가 열을 운반한다. 수동 냉각은 자연적인 공기 순환 등을 이용하며, 능동 시스템은 팬과 펌프로 흐름을 늘려 열전달을 강화한다.

복사: 방열판은 적외선 형태로도 에너지를 내보내며, 이 과정도 냉각에 기여한다.

효과는 재료의 열전도도, 설계와 표면적, 주변 온도, 공기나 액체의 흐름에 달려 있다. 적절한 열 관리는 전자·기계 시스템의 신뢰성과 수명을 높이는 데 기여한다.

복사 냉각이란 무엇인가?

복사 냉각은 물체가 복사를 방출해 에너지를 잃는 자연적인 과정이다. 지표 부근의 온도에서는 주로 적외선이 방출된다. 이 과정은 지구 에너지 수지의 일부이며 다양한 기술에 활용할 수 있다.

물리적 원리는 다음과 같다.

적외선 복사: 물체는 온도에 따라 스펙트럼과 세기가 달라지는 전자기파를 방출한다. 지표의 일반적인 온도에서는 주로 적외선 영역에 해당한다. 다른 형태의 열교환도 고려할 때, 유입되는 에너지보다 손실되는 에너지가 많으면 물체가 식는다.

우주로의 방출: 약 8–13마이크로미터의 대기창을 비롯한 일부 적외선 파장대는 대기를 비교적 잘 통과한다. 적합한 표면은 이를 통해 우주로 열을 내보낼 수 있다. 습도, 구름 등 주변 조건이 결과에 영향을 준다.

주간과 야간 냉각: 햇빛이 없으면 주변 공기보다 낮은 온도에 도달하기가 쉽다. 낮에는 흡수한 태양 에너지가 냉각 효과를 상쇄한다. 그러나 반사율이 높고 적절히 설계된 재료는 이번 연구처럼 낮에도 복사 냉각을 구현할 수 있다.

알베도와의 관계: 알베도는 가시광선뿐 아니라 태양 복사 전체 가운데 반사되는 비율을 나타낸다. 알베도가 높으면 태양 에너지 흡수가 줄어든다. 복사 냉각은 열복사의 방출에 관한 것이다. 두 성질은 상호 보완적이다. 어두운 표면은 적외선을 방출하더라도 햇빛을 더 많이 흡수해 뜨거울 수 있다.

응용 분야: 건물, 차량, 기술 설비에 복사 냉각을 적용하는 연구가 진행 중이다. 설계와 조건에 따라 냉방용 전력 수요를 줄이거나 기존 냉각 시스템의 효율을 높일 수 있다.

햇빛의 반사와 적외선 방출은 서로 다른 과정이며, 함께 자연 및 인공 표면의 열 수지에 영향을 준다.

기후 해결책을 개발하는 기업들

다음 상장사들은 에너지 또는 이동 수단 관련 기술을 제공한다. 이번 연구에 사용된 냉각 유리의 제조사로 소개하는 것은 아니다.

표에는 2023년 11월 기사에 실린 과거 수치를 보존했으며, 검증된 최신 시장 데이터는 아니다. 주당순이익은 당시 주식 구조를 반영할 수 있다. 적자 기업의 음수 주가수익비율은 의미 있는 가치평가 배수가 아니다. 삽입된 차트와 시세는 더 최근 정보를 표시할 수 있다.

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL 가격 차트

FuelCell Energy (FCEL )는 연료전지 발전소를 개발·제조·운영하고 유지보수 서비스를 제공한다. 전기화학적 변환은 유사한 연소 기술보다 효율을 높이고 일부 오염물질을 줄일 수 있다. 그러나 설비는 천연가스, 바이오가스 등 여러 연료를 사용할 수 있어 자동으로 화석연료나 이산화탄소 배출이 없는 것은 아니다. 기후상 이점은 연료, 효율, 폐열 활용 여부에 달려 있다.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP 가격 차트

Brookfield Renewable Partners (BEP )는 북미, 남미, 유럽, 아시아에서 수력·풍력·태양광·저장 설비로 구성된 대규모 자산을 운영한다. 지분 단위는 토론토에서도 거래된다 (BEP.UN.TO ). Brookfield Renewable Corporation (BEPC )은 교환 가능한 주식을 통해 파트너십 지분과 경제적으로 동등한 투자 노출을 제공하려는 별도 법인 구조다. 두 증권은 법적으로 다른 종류다. 그룹은 재생에너지 자산을 통한 장기적인 가치 창출에 집중한다.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT 가격 차트

ChargePoint Holdings (CHPT )는 전기차 충전 장비, 소프트웨어 서비스와 지원을 제공한다. 주택, 기업, 차량 운영 사업자, 공공장소 등에 솔루션을 공급한다. 전기 이동 수단의 이용을 도와 석유계 연료 의존도를 줄일 수 있다. 배출량에 미치는 효과는 발전 방식과 차량에도 달려 있다.

복사 냉각을 개발하는 다른 기업들

비상장사 CeraCool은 복사 냉각의 실용화와 생산 확대를 추진한다. 이번 연구의 냉각 유리를 개발한 연구진이 설립한 회사다.

CeraCool 은 햇빛을 반사하고 적외선 열을 내보내는 도료를 개발했다. 회사는 코팅 자체의 전력 소비 없이 냉각할 수 있다고 설명하며, 그 원리로 태양 복사의 95% 이상을 반사하고 대기 투과창을 통해 우주로 열을 동시에 방출하는 것을 제시한다. 도료가 모든 조건에서 모든 냉방을 대체한다는 뜻은 아니다. 회사에 따르면 지붕이나 일부 도로 표면처럼 뜨거워지는 곳에 분사하거나 붓으로 바를 수 있다.

SkyCool Systems도 복사 냉각 기술을 개발하는 비상장사다.

SkyCool Systems는 반사율이 높고 적외선을 방출하는 재료로 냉각 솔루션을 개발한다. 패널은 증기 압축식 냉각 시스템의 효율 개선 등에도 활용할 수 있다. 기술이 목표로 하는 에너지 절감과 환경상 이점의 크기는 설치 방식과 운전 조건에 따라 달라진다.

맺음말

기후 대응은 지속가능한 에너지원 활용과 함께 비효율적인 에너지 사용도 줄여야 한다. 복사 냉각이 기여할 수 있다. Aaswath Raman은 TED 강연에서 기온 상승, 냉방 수요 증가, 그에 따른 배출이 이어지는 피드백 고리의 가능성과 복사 냉각이 이를 제한하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 논의한다.

다른 발전 사례인 후면 접점형 마이크로미터 크기 태양전지와 더불어 CeraCool 같은 기업의 시도가 기사 이후 수년 동안 이점을 가져올 수 있다. 결과는 생산 확대와 실제 성능에 달려 있다.