여름에는 시원하게, 겨울에는 따뜻하게 할 수 있는 코팅제(TARC) 개발

일정 온도에서 적외선을 통과시키지 않는 이산화 바나듐

기존 에너지 절약 사용된 ‘쿨 루프’ 시스템의 단점을 보완

1.5% 정도를 텅스텐으로 대체해 만든 TARC 개발

[ 위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 2021년 12월 16일, 미국 로렌스 버클리 국립 연구소 재료 과학부 소속인 쥔차오 우 교수와 그의 연구팀이 지붕 코팅제에 적합한 소재를 개발해 과학 학술지 Science에 게재했다. 

그동안 도시 온도를 낮추기 위해 쿨 루프를 적용하는 경우가 많았는데, ‘쿨 루프’는 가시광선, 자외선, 적외선 등을 반사해서 열전도를 줄이는 역할과 흡수되거나 반사되지 못한 태양에너지를 방출하는 능력을 가진 표면을 말한다. 쿨루프는 크게 3가지로 쿨루핑 재료로 만든 지붕, 태양 반사 코팅으로 만든 지붕, 그리고 식물로 지붕을 이룬 그린루프가 있다.

이들의 공통점은 뜨거운 여름에 실내 온도를 낮추는 역할을 해 에너지 절약에 큰 역할을 할 수 있지만 반면에 겨울에도 태양 에너지를 반사시키기 때문에 난방비를 더욱 증가시키기 때문에 문제가 있다. 

이러한 단점을 극복하고자 우 교수팀은 계절에 따라 열 방출뿐만 아닌 보온까지 이뤄지게 만드는 소재인 ‘이산화바나듐’에 주목했다. VO2(이산화바나듐)는 섭씨 67도를 기준으로 이보다 낮은 온도에는 적외선 열복사를 차단, 즉 열이 전자기파로 방출되는 것을 막고 67도 이상에서는 외부로 열을 방출한다. 

연구진은 이산화바나듐 속에 있는 바나듐의 1.5% 정도를 텅스텐으로 바꿀 시 67도의 임계점을 섭씨 25도로 낮출 수 있다는 점을 발견했고 이러한 점을 활용한 개발한 물질을 ‘Temperature-Adaptive Radiative Coating (TARC)’라 칭했다.

에너지 절약의 성능을 확인해보고자 연구진은 TARC 시트, 시판용 검은색 지붕, 그리고 흰색 지붕 샘플을 나란히 배치하고 온도 변화 및 햇빛의 양에 따른 반응을 기록했다. 

이러한 기록을 바탕으로 미국 내 서로 다른 기후를 대표하는 15개의 도시에서 TARC가 어떠한 성능을 낼지에 대한 모의실험을 진행 및 에너지 절약량을 측정했다. 

실험 결과 15개의 도시 중 12개의 도시에서 TARC가 현재 사용되고 있는 지붕 소재보다 성능이 좋았으며 특히 샌프란시스코 베이 지역과 같이 일교차가 크거나 뉴욕처럼 연교차가 큰 지역에 효과가 좋았다. 이는 미국 일반 가정 전력으로 봤을 때 연간 최대 10%를 절약할 수 있는 정도이다. 

연구진은 TARC를 더 크게 제작해 실제 지붕에 사용될 수 있도록 실험할 예정이다. 그리고 지붕 외에 스마트폰과 노트북 배터리 수명을 늘릴 열 보호 소재, 위성이 극단적인 온도에 견디는데 열 방호 소재로 사용, 텐트, 모자 등 여러 분야에서 활용될 수 있다는 전망을 밝혔다.