전도나 대류 아닌 나노광학구조 이용한 금속의 열복사 냉각 제안

자동차, 건축물, 통신장비의 태양광 노출로 인한 노후화 방지에 응용 기대

▲ 열복사를 통한 금속 냉각의 원리를 설명하는 개념도 및 틈새 플라스몬 구조가 적용된 실제 구리 기판의 사진 / (왼쪽 그림) 태양광에 노출된 금속 구조물은 태양광의 에너지를 흡수하며 표면 온도가 상승한다. 하지만 열복사를 유도하는 구조가 금속 표면에 도입되면 냉각이 일어난다. 이때 구조에서 방출된 복사광은 대기창을 통해 우주로 빠져나간다. (오른쪽 그림) 틈새 플라스몬 구조 도입 전후 일반 카메라 이미지 및 적외선 영상 이미지. 틈새 플라스몬 구조가 도입되면 복사율이 증대하므로 적외선 영상에서 밝은 이미지로 관측됨. 복사광이 파장 8 – 13mm의 적외선 영역에서 모두 방출되게 하도록 크기가 다른 다섯 종류의 금속 타일로 구성된 틈새 플라스몬 구조를 설계하였음. / 그림설명 및 그림제공 : 경희대학교 응용물리학과 부교수 김선경   © 특허뉴스

한여름 자동차 표면은 대기나 지표면보다 뜨겁다. 금속은 대기나 지표면과 달리 태양광을 흡수한 후 공기 중으로 다시 열을 방출(복사)하지 않기 때문이다.

자동차, 건축물, 통신장비 같은 야외 금속구조물 표면에 방열판을 부착하거나(전도), 강제로 바람을 일으키는(대류) 냉각 방식을 이용하는 것도 복사를 통한 열전달이 안 되는 금속의 특성 때문이었다. 이 가운데 국내 연구진이 금속에서도 열복사가 일어날 수 있다는 연구결과를 소개했다.

한국연구재단은 경희대학교 응용물리학과 김선경 교수 연구팀이 추가적인 에너지 없이 열방출을 유도하는 나노구조를 통해 금속표면의 열복사를 유도할 수 있음을 밝혀냈다고 16일 밝혔다.

두꺼운 방열판으로 열을 옮기는 대신 열복사를 돕는 나노구조를 도입한 아주 얇은 금속판으로 금속 자체가 냉각되도록 한다는 것이다.

*열복사: 절대온도 0도가 아닌 모든 사물은 외부로 빛을 방출하는데 이를 복사라고 한다. 이 때 빛의 파장은 사물의 온도에 의해 결정된다. 예를 들어, 우리가 보는 태양빛은 약 6,000도의 태양이 방출하는 열복사이다.

실제 겨울철(평균대기 약 0℃) 야외 태양광 노출 실험에서 나노구조가 적용이 안 된 기존 구리판과 비교하여 약 4℃ 이상의 냉각 효과를 확인하였다.

여름철(평균대기 약 25℃)을 가정하여 시뮬레이션 한 결과 10℃ 이상의 냉각 효과가 예측되었다. 뜨거울수록 열복사 에너지가 크기 때문에 여름철 냉각효과가 더 클 것이라는 설명이다.

핵심은 널리 쓰이는 금속인 구리판에 두께 500nm의 황화아연을 코팅하고, 그 위에 정사각형 모양의 구리 타일을 도입하는 방식으로 “틈새 플라스몬”구조를 제작한 것이다.

금속 판 위에 얇은 유전체를 코팅하고 그 위에 정사각형의 금속 타일을 얹으면 틈새의 유전체 영역에 빛이 강하게 모이는 틈새 플라스몬 현상이 나타난다. 이러한 틈새 플라스몬이 금속이 “흑체”와 같이 행동하도록 도와 금속 표면에서도 강한 열복사가 나타나도록 한 것이다.

*흑체 : 열복사율이 100%인 이상적인 물체를 말한다. “키르히호프의 열복사 법칙”에 따르면, 흑체는 빛을 완전히 흡수하는 성질을 동시에 가진다. 본 연구에서 틈새 플라스몬은 복사 파장의 빛을 잘 흡수하도록 도와주는 역할을 하며, “키르히호프의 열복사 법칙”에 따라 금속의 열복사율이 향상된다.

기존 전도나 대류를 이용하는 냉각방식이 소형화가 어렵고 추가적인 에너지를 필요로 하는 아쉬움을 해소할 수 있는 단초가 될 것으로 기대된다.

연구팀이 제시한 나노구조를 도입해 만든 복사 냉각 기술은 구리, 알루미늄, 은, 백금 등 산업체에서 쓰이는 모든 금속에 적용 가능하고, 얇고 신축성이 있어 다양한 모양의 금속 발열체에 부착할 수 있다는 설명이다.

이번 연구의 성과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)’에 4월 21일 게재(온라인)되었다.