박준용 교수(교신저자). 금오공대제공





박상아(제1저자) 금오공대 제공





표지논문 이미지. 금오공대제공





다기능성 냉각 패치 개념도. 금오공대 제공




야마토통기계
모델하우스 기반 복사냉각 성능 검증. 금오공대 제공





다기능성 복사냉각 패치 적용의 예. 금오공대 제공




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모듈러 공법으로 대면적 시공된 복사냉각 패치. 금오공대 제공



국립금오공과대학교(총장 김상호) 재료공학부 박준용 교수 연구팀이 자연 중심의 재료 설계 전략을 통해 고기능성 친환경 소재를 연이어 개발하며 국제 학계의 주목을 받고 있다.
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특히 최근 전력 공급 없이 냉방 에너지 부담을 줄일 수 있는 '차세대 패시브 냉각소재 연구'가 나노과학 분야의 세계적 권위 학술지 'ACS Nano'에 게재됨과 동시에 3월호 표지 논문(Outside Front Cover)으로도 선정되면서 연구 성과의 우수성을 다시 한 번 입증했다.
연구를 주도한 박준용 교수(교신저 바다이야기게임장 자)와 박상아 연구원(제1저자)은 이번 연구에서 태양빛을 효과적으로 반사하고 적외선 영역에서 열을 외부로 방출하는 원리를 활용해 별도의 에너지 소비 없이 여름철 온도를 낮출 수 있는 '패치형 복사냉각 소재'를 제시했다.
연구팀은 서로 다른 기능을 갖는 양면 구조(야누스 Janus 구조)를 기반으로 소재를 설계해 실생활에서 활용이 가능한 쿨사이다릴게임 열관리 소재 플랫폼을 구현했다.
최근 패시브 복사냉각 기술은 냉방 에너지 소비를 줄일 수 있는 친환경 기술로 학계와 산업계의 큰 관심을 받아왔다.
그러나 기존 기술은 건물 외벽이나 구조물 표면에 코팅 형태로 적용되는 경우가 많아 시공이 번거롭고, 계절 변화나 사용 환경에 따라 자유롭게 제거하거나 반복적인 사용이 어렵다는 한계가 지적돼 왔다.
또한 유지관리와 내구성 측면에서도 실제 현장 적용에 제약이 존재해 보다 실용적인 설계 전략이 요구 돼 왔다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 자연에서 진화한 구조적 설계 원리를 소재 기술에 접목했다. 패치의 한쪽 면에는 도마뱀 발에서 영감을 얻은 미세 기둥 구조를 형성해 접착제 없이도 다양한 표면에 반복적으로 부착할 수 있는 건식 접착 기능을 구현했다.
반대쪽 면에는 태양광 반사 성능을 높이고 열 방출을 촉진하는 계층적 다공성 구조를 도입해 전력 없이도 효과적인 복사냉각이 가능하도록 했다.
또한 표면 오염을 스스로 제거하는 자기세정 특성을 함께 확보해 실제 야외 환경에서의 활용 가능성을 높였다.
연구를 주도한 박준용 교수는 "자연은 오랜 진화 과정을 통해 물성과 기능이 극대화된 구조를 이미 갖추고 있다."며 "이번 연구는 자연에서 발견한 설계 원리를 공학적으로 재구성해 실제 환경에서 활용 가능한 패시브 열관리 소재로 구현했다는 점에서 의미가 있다."고 설명했다.
이어 "탄소중립 시대에는 전력 소비를 최소화하면서 열을 제어할 수 있는 고기능성 패시브 소재 기술이 중요한 경쟁력이 될 것"이라며, "향후 건축, 모빌리티, 웨어러블 전자기기 등 다양한 산업 분야로 기술 확장이 가능할 것으로 기대한다."고 말했다.
한편, 박준용 교수 연구팀은 자연 유래 물질 및 자연모사 구조를 활용한 기능성 소재 연구에서 연이은 성과를 창출하고 있다. 누에고치 실크와 꽃가루를 활용한 다기능 바이오소재 연구는 지난해 11월 다학제 분야 세계적 권위 학술지 PNAS에 게재됐으며, 접착·단열·온도 감응 기능을 통합한 스마트 단열 패치 연구는 올해 3월 재료과학 분야 저명 학술지 Advanced Functional Materials에 발표돼 내부 표지 논문으로 선정되는 등 관련 분야에서 국제적인 주목을 받고 있다. 이번 ACS Nano 표지 논문 성과까지 이어지면서 자연모사 기반 친환경 에너지 소재 분야에서 연구팀의 글로벌 연구 경쟁력이 더욱 주목받고 있다.
이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업 및 나노소재기술개발사업 미래기술연구실 전략형, 경상북도 RISE사업(지역성장혁신LAB)의 지원을 받아 수행됐다.