□ 연구 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 유연 고체 냉매/열복사 소재기반 완전 친환경, 초고효율 온도 제어 소자 구현 ◼ 전체 내용 화석 연료 고갈 및 지구 온난화로 인해 차세대 냉/난방 시스템에 대한 급진적 수요와 더불어, 에너지를 효율적으로 이용하고자 하는 노력이 전 세계적으로 이루어지고 있음. 이러한 노력의 일환으로 1) 수동 복사 냉각 기술과 2) 전기열소 냉매가 주목받고 있음. 복사 냉각 기술은 전력소모 없이 온도를 낮출 수 있는 초절전/친환경 냉각 기술이고, 전기열소 냉매는 강유 전체의 전기열소 현상(Electrocaloric effect)에 기반한 것으로 탄소 배출없는 고체 친환경/고효율 냉매임. ◆ Zero-에너지 복사 냉각: 복사 냉각 기술은 포토닉 구조를 이용하여 1) 280~3000 nm 파장의 빛은 최대한 반사하고 (반사율: 95% 이상), 2) 대기의 창 영역을 포함하는 8~30 μm의 광대역 열복사의 특징을 가져야 함 (방사율: 90% 이상) 특성이 요구됨. 이러한 광학적 특징을 통해 약 3K 의 온도의 우주와의 복사 열 교환을 통해 에너지 소모없이 대기 온도 이하의 냉각이 가능함. ◆ Zero-탄소 고체 냉매: 전기열소 현상은 강유전체에서 외부 전기장을 인가했을 때 발생하는 현상으로, 1) 외부 전계의 유무에 따라 변하는 물질 내의 분극 엔트로피를 보상하기 위한 포논 진동(Phonon vibration)에 의한 ‘단열적(Adiabatic)’온도 변화 현상을 의미하며, 2) 엔트로피 보상 흡열/발열 프로세스를 통해 탄소 배출없는 친환경 열 교환 사이클 및 냉/난방 시스템을 구현할 수 있음. ◼ 1단계 ❏ 연구 목표 본 연구의 1단계 연구목표는 크게 세 가지로 나뉨. 1) 대기 온도보다 낮은 냉각 또는 높은 가열을 달성하기 위해 복사 스펙트럼을 조절하는 수동 복사 소재를 개발하고, 2) 강유전체의 엔트로피 보상 흡열/방열 프로세스를 활용한 고체 냉매의 열교환 사이클 구현임. 이후 이 두 기술을 통합하여, 3) 온실가스 배출이 없는 완전한 친환경 및 초고효율 온도 제어 소자 개발을 목표로 하고 있음. ❏ 연구 내용 - 1차년도: 다공성 폴리머 기반 열복사 설계/제작 및 강유전성 전기 열소 소재 제작/특성평가 1) 3차원 파동광학 계산을 통해 고효율 태양광 반사/장적외선 열복사 구조의 최적 구조를 도출 2) 강유전성 폴리머 기반 전기열소 소재 제작 및 특성평가를 진행 - 2차년도: 수동 복사기 집적 전기 열소 냉각소자 제작 및 필드 테스트 1) 최적화된 복사 구조와 전기열소 소재를 집적한 냉각 소자의 구현 2) 필드 테스트를 통한 열교환 사이클 및 냉각 성능 검증 - 3차년도: 환경적응형 수동 복사 및 전기열소 기반 항온 소자 개발 및 특성평가 1) 환경적응형 복사 소재 기반 반사/복사 스펙트럼 변경 가능한 소재 개발 2) 냉각, 가열, 단열 3가지 기능의 항온 소자의 설계/제작 및 특성평가 ◼ 2단계 ❏ 연구 목표 본 연구과제의 2단계에서는 1) Si 멤브레인 구조를 기반으로 하는 3차원 형상 변환 전자소자를 구현함과 동시에, 2) 저전력/어레이 플렉서블 복사/전기열소 냉/난방 소자를 개발할 예정임. 이를 통해 연속적인 열교환으로 복사/전기열소 항온 소자의 냉/난방 효율을 극대화할 수 있을 것으로 예상됨. 이 과정에서 초저전력/대면적 항온 소자의 거동을 이해하고 소자를 제작하는 것, 어레이 구조를 도입하여 효율을 향상시키고 응용 분야를 확대하는 것도 중요한 과제임. 특히, 고성능 스마트폰과 같은 기기는 강력한 프로세서를 탑재하고 있으나 크기는 작아지고 있어, 열을 효과적으로 제어하는 것이 어려워짐에 따라 효율적인 냉각 기술이 필요함. 본 연구의 결과는 건물, 데이터 센터, 자동차는 물론, 스마트폰, 웨어러블 전자기기 등 소형 플랫폼에도 적용 가능한 새로운 냉/난방 솔루션을 제공할 것임. ❏ 연구 내용 - 4차년도: 초저전력/대면적 열복사/전기 열소 항온 소자 제작 1) 강유전성 폴리머의 물질적 특성 개선을 통한 저전력 동작 가능 소재 제작 2) 저전력/대면적 소재 집적을 통한 초고효율 고체 냉/난방기 개발(전력: < 1 mW/cm
2/cycle) - 5차년도: 3차원 형상변화 플렉서블 어레이 타입 항온 소자 개발 및 특성 평가 1) 플렉서블 열복사/강유전체 폴리머 기반 소자 제작 2) 어레이 내 연속적인 전기열소 연교환 사이클 기반 냉/난방 효율 극대화 3) 곡면 플랫폼 및 소형 스마트 기기 등 다양한 응용 분야에 적용 □ 연구성과 1차년도 (정성적 성과) 1) Heat/Pressing 기법을 이용해 초고효율 다층 다공성 폴리머 복사방열 소재 제작 2) P(VDF-TrFE-CFE) 기반 강유전성 폴리머 전기열소 소재 제작 및 단열적 열변화 확인 (정량적 성과) 1) SCI 논문 주저자 2편 (Sol. Energy Mater Sol. Cells, Opt. Express) 2) 학술대회발표실적 2건 (IU-MRS, Nanokorea) 2차년도 (정성적 성과) 1) 복사방열/전기열소 소재를 집적한 냉각 소자 구현 2) 옥외 테스트를 통해 냉각 성능 확인 (정량적 성과) 1) SCI 논문 주저자 3편 (Adv. Energy Mater., IEEE Photonics J., J. Mater. Chem. C) 2) 학술대회발표실적 1건 (한국태양광발전학회) 3차년도 (정성적 성과) 1) 환경감응형 광학 스펙트럼 조절 포토닉 구조 설계, 제작, 특성 테스트 2) 냉각/가열/단열의 3가지 모드 구현 가능성 입증 (정량적 성과) 1) SCI 논문 주저자 3편 (Adv. Sci., ACS Appl. Mater. Interfaces, APL Photonics) 2) 국제 학술대회 초청강연 2건 (IMID 2023) 3) 학술대회발표실적 4건 (대한전자공학회) □ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과 경제적‧산업적 파급 효과: 환경적응형 친환경 온도제어 소자는 초기 연구 단계로, 성공 시 친환경 냉/난방 시스템으로 에너지 기술과 국가 경쟁력에 큰 영향을 미칠 것임. 이 기술은 건축 및 자동차 산업 등에 적용 가능하며, 에너지 효율성과 환경 보호에 중요한 역할을 할 것임. 학문적‧기술적 파급 효과: 수동형 복사 기술과 전기열소 냉매 연구가 저명 학술지에 실릴 정도로 인정받고 있으며, 복사/전기열소 기반 시스템은 새로운 형태로 큰 파급 효과 예상됨. 전자, 물리, 재료 분야 간 연구로 학문적 시너지 기대됨. 활용 계획: 이 기술은 건축물과 자동차에서의 에너지 효율적 온도 조절에 사용될 수 있으며, 장기적으로는 에너지 절약과 온실가스 감축에 기여할 것임. 또한, 연구 및 개발 과정에서 다양한 산업 분야와의 협업을 통해 시장 진입과 상업적 활용 가능성이 높음. (출처 : 요약문 2p)
- 연구책임자 : 이길주
- 주관연구기관 : 부산대학교
- 발행년도 : 20240300
- Keyword : 1. 수동 복사 냉각/가열;전기열소;고체 냉매;친환경 냉/난방;탄소중립; 2. Passive radiative cooling/heating;Electrocaloric effect;Solid-state refrigerants;Green cooling/heating;Net-zero emission;
