전력 없이도 냉·난방 스스로 조절… KAIST, 자연 모사 ‘하이드로겔 열조절기’ 개발

포플러 잎의 열관리 전략을 모사한 자율형 하이드로겔 기술… 여름 3.7℃ 냉각, 겨울 3.5℃ 난방 효과

KAIST 전기및전자공학부 송영민 교수 연구팀이 서울대학교 김대형 교수팀과 공동으로 전력 없이도 냉·난방을 스스로 전환할 수 있는 ‘유연 하이드로겔 기반 열조절기(LRT, Latent-Radiative Thermostat)’를 개발했다. 연구는 포플러(Populus alba) 잎의 열관리 전략을 모사해, 낮·밤과 온·습도 변화에 따라 스스로 조절되는 자연 기반 열관리 시스템을 소재 수준에서 구현했다는 점에서 주목받고 있다.

포플러 잎은 고온·건조 환경에서는 잎을 말아 태양광 반사를 극대화하고, 밤에는 잎 표면의 수분이 방출하는 잠열을 활용해 냉해를 막는다. 연구진은 이러한 자연의 정교한 열조절 메커니즘을 인공 소재에 적용해 건축 외벽, 지붕, 임시 보호소 등 전력 기반 냉난방이 제한된 환경에서 활용 가능한 차세대 에너지 자율형 기술을 제시했다.

이번에 개발된 LRT는 리튬 이온(Li⁺)과 하이드록시프로필 셀룰로오스(HPC)를 기반으로 수분의 흡수·증발에 따른 잠열 조절과 빛 반사·투과에 의한 복사열 조절을 하나의 장치에서 통합 구현한다. Li⁺는 주변 수분을 응축해 따뜻함을 유지하는 역할을 하고, HPC는 온도 변화에 따라 투명·불투명 상태를 전환하며 태양광 반사량을 조절한다. 온도가 올라가면 HPC가 뭉쳐 불투명해지고 빛 반사가 증가해 자연 냉각이 강화되는 구조다.

연구진은 또한 TiO₂ 나노입자를 추가해 소재의 내구성과 기계적 강도를 높였으며, Li⁺와 HPC 농도를 조절함으로써 다양한 기후 조건에 적응 가능한 열조절 특성을 재현할 수 있음을 확인했다.

LRT는 주변 환경에 따라 자동으로 네 가지 모드로 전환된다. 밤·한랭 환경: 수분 흡수·응축 과정에서 잠열을 방출해 온도 유지, 추운 낮(약한 태양광): 태양광 투과 및 근적외선 흡수로 난방 효과, 고온·건조 환경: 내부 수분 증발을 통한 강력한 증발 냉각, 강한 태양·고온 환경: HPC 불투명화로 태양광 반사 + 증발 냉각 동시 작동. 이러한 구조는 계절·시간대·기후 변화에 따라 별도의 전력 장치 없이 자동으로 냉·난방 기능을 수행한다.

야외 실험에서 LRT는 기존 냉각 소재 대비 여름철 최대 3.7℃ 낮은 온도, 겨울철 최대 3.5℃ 높은 온도를 유지하며 우수한 열관리 성능을 보여주었다. 또한 ASHRAE 기준 7개 기후대를 대상으로 한 시뮬레이션에서는 기존 지붕 코팅 대비 연간 최대 153 MJ/m²의 에너지 절감 효과를 나타냈다. 이는 전력 소비를 줄일 수 있는 친환경 냉·난방 기술로의 확장 가능성을 확인한 결과다.

연구진은 이번 기술이 열악한 환경에서도 안정적 온도 유지가 필요한 건축 외벽, 지붕, 야외 저장소, 재난 임시시설 등 다양한 분야로 확장될 수 있다고 설명했다. 자연의 열관리 기능을 공학적으로 재현한 LRT는 장기간 에너지 소비를 줄이고, 전력 기반 냉난방이 어려운 환경에서 중요한 대안 기술이 될 것으로 기대된다.

송영민 교수는 “자연의 지능형 열조절 전략을 소재 수준에서 구현했다는 데 의미가 크다”며 “다양한 기후 조건에서 작동하는 자율형 열관리 플랫폼으로 발전시킬 것”이라고 밝혔다. 연구 결과는 재료과학 분야 세계적 학술지 Advanced Materials(IF 26.8)에 11월 4일자 온라인 게재됐다.

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