고려대, 영하 10도·습도 80%서 성에 억제하는 냉각 장치 표면 소재 개발

서지훈 교수 연구팀, 쌍성이온 고분자-실리카 유무기 복합 코팅 소재 설계… 국제학술지 게재

고려대학교 신소재공학부 서지훈 교수 연구팀이 영하의 저온다습한 환경에서도 냉각 장치에 성에가 생기지 않도록 하는 유무기 복합 코팅 소재를 개발했다.

냉각 장치는 에어컨과 냉장고 등 가전제품뿐 아니라 인공지능 기술 확산으로 수요가 늘고 있는 데이터센터 열관리 시스템의 핵심 장비다. 열 교환기 표면 온도가 대기 노점보다 낮아지면 결로와 얼음, 즉 성에가 발생하는데, 이는 냉각 효율을 낮추고 성에를 제거하는 제상 과정에서 전체 전력의 20% 이상을 소모하는 원인이 된다.

기존에는 얼음 형성을 막기 위해 물방울을 튕겨내는 발수코팅이나 형성된 얼음이 표면에 붙지 않게 하는 저표면에너지코팅 등이 연구돼 왔다. 그러나 다습한 환경에서 저온의 열 교환기 표면이 장시간 노출될 경우, 오히려 얼음이 빠르고 두껍게 형성되는 한계가 있었다.

연구팀은 열 교환기 소재 표면에 닿는 물 분자의 구조적 특성에 주목했다. 물 분자는 소재 표면과의 거리에 따라 직접 접촉하는 결합수층, 가까운 거리에서 약하게 상호작용하는 중간수층, 표면과 상호작용하지 않는 자유수층으로 나뉜다. 이 가운데 자유수는 0℃에서 얼지만, 결합수와 중간수는 소재 표면과의 상호작용으로 인해 영하 20~30℃의 저온에서도 얼지 않는 특성을 갖는다.

연구팀은 하나의 분자 안에 양이온과 음이온을 동시에 가진 쌍성이온 고분자를 열 교환기 표면에 얇게 코팅하면 영하에서도 얼지 않는 수화층, 즉 결합수와 중간수가 다른 소재보다 두껍게 형성된다는 점을 활용했다. 이를 바탕으로 실리카 나노입자와 쌍성이온 고분자를 최적 비율로 섞어, 0℃에서 얼어버리는 자유수의 비율을 줄이고 중간수의 비율을 높인 유무기 복합 코팅 소재를 설계했다.

개발된 유무기 복합 코팅 소재는 상대습도 80%, 열 교환기 소재 표면 온도 영하 10℃ 조건에서도 얼음 생성을 효과적으로 억제했으며, 약 95% 이상의 효율을 보였다.

이번 연구에는 고려대 신소재공학부 이은지 박사과정이 제1저자로, 서지훈 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 성과는 복합소재 분야 국제 학술지 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials’ 온라인판에 6월 4일 최종 게재됐다. 논문 DOI는 10.1007/s42114-026-01785-9이다.

서지훈 교수는 “이번 연구는 열 관리 시스템이 필요한 다양한 산업 분야에서 얼음 형성을 방지할 수 있는 소재 설계 개념을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “특히 소재 표면에 자연적으로 형성되는 수화층의 구조를 조절함으로써 얼음 형성을 방지할 수 있음을 신뢰성 있게 검증했다는 점에서 학술적으로도 중요한 성과”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구 지원사업과 BK21 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀이 제안한 쌍성이온 고분자-실리카 복합 코팅 소재는 냉각 장치의 열교환 효율 저하 요인으로 꼽히는 성에 형성을 줄이는 표면 소재 설계 방향을 제시했다는 점에서 향후 열관리 시스템 관련 분야에서 활용 가능성이 제시된다.

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