Special 차세대 유연성/신축성 소재 및 디바이스 기술 개발 동향

온도에 따라 열방사율을 변화시키는 똑똑한 고분자 복합재

김건우_전북대학교 유기소재섬유공학과 부교수

    서론

열전달의 기본원리는 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로의 에너지의 이동이다. 이러한 에너지의 흐름의 기본원리는 열역학 제2법칙을 통해 “엔트로피”라는 개념으로도 설명되어 진다. “고립계의 엔트로피는 항상 증가한다”는 명제는 “열은 항상 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 자발적으로 흐른다”라는 말과 같다. 온도차이에 따른 열의 자발적 흐름은 전도, 대류, 복사의 형태로 전달되어진다. 더 쉽게 설명하자면, 열 전달의 매개체가 무엇이냐에 따라 열전달 형태를 나누는데, 매개체가 금속이나 고분자 등의 고체라면 전도, 기체를 통한다면 대류로 정의되어 진다. 이미 설명한 것처럼 전도, 대류로 전달될 수 있는 에너지의 크기는 두 지점의 에너지 준위 차이, 즉 온도차이에 따라 결정된다. 세번째 열전달인 복사는 다른 열전달과는 다르게 매개체가 필요없이 “빛”으로 에너지를 전달해준다. 빛이라고 하면 스타워즈에 나오는 광선검처럼 우리 눈에 보이는 것으로 착각하기 쉽지만, 빛은 그 파장영역에 따라 오히려 우리 눈으로 보지 못하는 영역이 훨씬 많다. 열을 가지고 있는 물체가 발산하는 빛의 파장영역은 플랑크 법칙에 의해 다음과 같이 정의되어진다. 

I(ν,T)=(2hν^3)/c^2   1/(e^(hν/kT)-1)

파장별 광의 세기(I)는 온도 T의 물체에서 방사되는 빛의 주파수(ν), 빛의 속도(c), 플랑크 상수(h), 볼츠만 상수(k)로 구할 수 있다. 플랑크 법칙을 쉽게 적용할 수 있게 만든 것이 Wien의 변위 법칙이다. Wien의 변위 법칙을 이용하면 플랑크 법칙을 파장에 관하여 미분하여 가장 큰 세기값을 가지는 파장을 구할 수 있게 된다. 플랑크 법칙을 가장 쉽게 이해할 수 있는 것이 태양빛이다. 태양의 온도가 약 섭씨 5,778도이고 플랑크 법칙을 적용하면 약 250~2500nm 파장의 빛을 형성하는 것을 알 수 있는데, 이 빛의 파장영역이 우리가 느끼는 태양열이다. 우리도 섭씨 32-37도의 체온을 가지고 있기 때문에 빛을 방출한다. Wien의 변위 법칙을 이용하면 우리가 발산하는 빛의 최고 세기를 가지는 파장은 10μm인 것을 알 수 있다. 이 파장영역은 원적외선 영역으로 우리가 볼 수가 없는 영역이지만 열기로 충분히 느낄 수 있다.

다시 열전달에 대한 이야기로 넘어가면, 에너지는 틀림없이 뜨거운 온도에서 차가운 온도로 흐른다. 이 불가역적인 열평준화현상은 사실 우리에겐 매우 불편하다. 우리에겐 에너지의 비평준화가 효율적이다. 한 겨울에 따뜻한 난로의 열이 나만 따뜻하게 해주는 것이 좋지, 방 구석구석을 데우는 것은 비효율적일 것이다. 하지만 열역학 제2법칙에 따라 난로의 열이 방 전체를 데우는 것은 일어날 수 밖에 없는 현상이다. 이러한 열역학 제2법칙을 조금이나마 거스르기 위해서 (또는 지연시키기 위해서) 우리는 차열 기술을 많이 개발해왔다. 겨울이 오기 전에 급히 창문에 뽁뽁이를 붙이는 일은 창을 통해서 열이 새어나가는 현상을 막기 위해 단열성능을 증가시키는 것이고, 한 여름에는 태양 복사열을 막기 위해 팔토시를 착용한다. 이러한 노력은 차열을 통하여 열의 비평준화현상을 만들어 우리가 보다 나은 열적 쾌적성을 느끼게 하기 위해서이다.

그림 1. (A) 고분자 복합재 개략도. 고분자 매트릭스 내에 무작위로 분포된 ITO 및 VO₂ 입자가 열적외선 복사와 상호작용하는 모습을 보여준다. 낮은 주변 온도에서는 VO₂가 절연 상태에 있고, 높은 주변 온도에서는 금속 상태에 있으며, 이때 ITO와 VO₂가 열적외선 복사를 흡수하면서 다중 산란-흡수 과정에서 입자 간 산란 모드를 나타낸다. (B) 다양한 저온 광학 경로 길이(L₁)에 대한 고분자의 열적외선 흡수 계수 변화에 따른 고온 대비 저온 광학 경로 길이 비율(L₂/L₁)의 의존성을 나타낸다. 예로 PMMA와 PE의 열적외선 흡수 계수는 상단 도표의 박스 플롯으로 표시하였으며, 평균값과 표준편차 범위는 색상으로 구분되어 도표 내에 나타냈다. (C) 저온 및 고온에서의 광학 경로 길이(L₁, L₂)와 흡수 계수 변화에 따른 열적외선 방사율 조절 능력(Δε). (D) 고분자 필름 두께 변화에 따른 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 폴리에틸렌(PE)의 열적외선 흡수 계수 (E) 30 °C에서 PE 매트릭스 내 VO₂에 따른 전기장 분포 패턴. (F) 90 °C에서 PE 매트릭스 내 VO₂에 따른전기장 분포 패턴. (G) PE 매트릭스 내 단일 VO₂ 입자의 열적외선 파장에 따른 흡수 효율(Qabs), 산란 효율(Qsca), 소멸 효율(Qext) [4]

열적 쾌적성은 우리에게 중요하다. 우리가 사용하는 에너지 50% 정도가 냉난방에너지로 소비된다는 점은 우리가 얼마만큼 우리의 열적 쾌적성을 우리의 삶에서 중요하게 생각하고 있는 지 말해주고 있다. 그리고 이러한 열적 쾌적성을 값싸게 이룰 수 있도록 우수한 차열 성능을 가지는 소재들이 개발되고 있다. 이 중, 최근 가장 연구가 활발하게 이루어지는 분야가 “복사냉각”이다. 복사 냉각(Radiative cooling)은 대기 창(atmospheric window, 8~14 μm 파장 영역)에서 소재의 방사율을 높여 열이 우주로 자유롭게 방출될 수 있는 현상을 활용한 것으로, 표면에서 추가적으로 ~150 W/m²의 열 방출이 가능하다. 냉각을 위하여 대기 창 파장 영역에서 높은 방사율을 가진 섬유, 건축용 페인트, 창호재 등의 개발이 이루어지고 있다.

그러나 이러한 발전에도 불구하고, 복사 냉각의 에너지 효율성은 여전히 문제로 지적되고 있다. 왜냐하면 복사냉각은 주변 환경 조건에 관계없이 열복사를 방출하기 때문에, 난방이 필요한 상황에서는 오히려 에너지 낭비가 심해지는 문제가 있다. 예를 들어, 겨울철에는 표면의 열방사율을 낮추어 열을 유지할 수 있는 표면으로 교체하는 것이 난방을 위한 에너지 소비를 줄일 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 일부 연구자들은 주변 온도에 따라 재료 표면의 열적외선 방사율을 조절하는 방법을 제시하였다. 즉 낮은 온도에서 낮은 열방사율을 통해 열을 유지하고, 높은 온도에서의 높은 열방사율을 통해 효과적인 복사 냉각을 이루는 것이다. 보통 금속은 낮은 열방사율을 가지고, 고분자는 높은 열방사율을 가진다. 그러므로 높은 온도에서는 고분자 표면을, 낮은 온도에서는 금속의 표면을 가지고 있다면 열방사를 효율적으로 관리할 수 있다. 온도에 따라 열방사율 변화가 가능한 소재 중 가장 각광받고 있는 세라믹이 금속-절연체 상전이 소재이다. 특히 vanadium dioxide(VO₂)는 원적외선 영역에서의 광학적 특성 변화가 온도에 따라 뚜렷하다. VO₂는 68 °C의 임계 온도에서 금속-절연체 상전이(metal-to-insulator phase transition)를 보이며, 임계 온도 이하에서는 절연 상태의 단사정(monoclinic) 구조를 가지고 원적외선에 투명하다. 임계 온도를 넘으면 금속성 성질을 가진 정방정(tetragonal) 구조로 변하여 금속과 같이 원적외선을 반사하게 된다. VO₂는 온도에 따라 표면의 열적외선에 대한 반응이 달라진다는 이점이 있지만, 이와 반대의 광학적 특성 변화, 즉 고온에서 열적외선 방사율의 증가가 필요하고 저온에서는 열적외선 반사가 열적 효율성을 위해서 필요하다. 최근 연구자들은 이러한 상전이 소재의 열적외선 방사율의 특성을 반대로 구현하기 위해서Fabry-Perot 층 구조를 사용하기 시작했다[1]. 

열적외선 흡수 재료를 상부 VO₂ 층과 하부에 금속의 열적외선 반사층 사이에 끼워 넣는 구조로VO₂의 전이 온도 이상에서는 두 금속 층 사이의 열적외선 복사열을 효과적으로 흡수하여 전체 열적외선 방사율을 증가시키는 방법이다. 하지만 이러한 연구는 넓은 면적에 걸쳐 균일한 층 두께를 가진 Fabry-Perot cavity를 구현하는 것은 여전히 큰 과제이다. 다른 방법으로는 고온에서 열적외선 방사율을 향상시키기 위해 패턴화된 금속성 VO₂ 구조 내에서 광자 공명(photonic resonance)을 이용하거나[2], 습도 반응성 섬유형 액추에이터를 이용하여 고전도 섬유 사이의 간격을 조절함으로써 습도 증가에 따라 방사율을 높이는 방식 등이 있다[3]. 이와 같은 접근법 및 다양한 메타물질 기반 열 방사체/흡수체 (예: 공진 메타물질 흡수체)는 가시광선, 중적외선, 적외선 등 넓은 전자기 스펙트럼 영역에서 표면의 스펙트럼 응답을 정밀하게 조절할 수 있는 우수한 성능을 보여주었지만 공진형 메타물질이나 복잡한 패턴의 금속 구조를 대면적으로 균일하게 제작하는 것은 제조 공정상 큰 어려움이 따른다.

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