지난해만큼은 아니지만, 올해도 만만치 않은 무더위가 기승을 부렸다. 최근 들어서는 아침과 저녁마다 선선한 바람이 불고 있지만, 불과 며칠 전만 하더라도 잠을 이루지 못할 정도로 열대야가 심했다.
더위가 심하면 당연히 냉방에 들어가는 전기료가 근심거리다. 그래서 냉방장치를 틀다가도 전기료 생각에 가동을 멈추기도 한다.

태양열에 의한 복사냉각 현상을 활용

‘복사냉각(radiative cooling)’이란 태양에 의해 지구의 대기와 지표면이 냉각되는 현상을 말한다. 복사냉각 현상이 무엇인지를 알기 위해서는 우선 복사(radiative) 현상에 대해 파악해야 이해하기 쉽다.
복사는 빛으로 에너지를 전달하는 방법을 뜻한다. 태양과 지구 사이에는 에너지를 전달해 주는 고체나 액체, 또는 기체 같은 물질이 없기 때문에 전도나 대류 방식으로는 에너지가 전달되지 않는다.
태양에서 나오는 에너지는 오직 빛에 의해 복사라는 방식을 활용하여 지구까지 전달된다. 따라서 햇빛이 잘 비치는 장소가 태양의 복사에너지를 받아 따뜻해지는 것이다.
햇빛으로 따뜻해지는 것 외에도 우리 주위에서는 복사 현상을 쉽게 찾아볼 수 있다. 예를 들어 전자레인지로 음식을 뜨겁게 데우거나, 무대에서 강한 조명을 받는 장소의 온도가 올라가는 것 등이 모두 복사 현상의 사례다.
이 같은 태양에서 나오는 복사에너지를 받으면 지표의 온도가 올라가게 되지만, 밤이 되어 태양이 사라지게 되면 반대로 복사에너지를 방출하면서 지표와 대기의 온도가 떨어지게 된다. 복사냉각은 바로 이처럼 대기와 지표면이 냉각되는 현상을 가리킨다.

전력 공급 없이도 실내 온도 낮추는데 성공

미 버팔로대의 전기공학부 교수인 ‘치아오치앙 간(Qiaoqiang Gan)’ 박사와 그가 이끄는 연구진은 복사냉각 현상을 이용하면 전기를 사용하지 않고도 건물의 실내 온도를 낮출 수 있을 것으로 예상했다.
버팔로대 연구진은 우선 복사냉각 현상을 인위적으로 유지시키기 위해 시스템 설계에 들어갔다. 시스템 제작에 필요한 소재로는 열을 흡수하고 방출하는 기능을 가진 폴리머 소재와 태양광을 반사하는 성능을 가진 알루미늄을 사용했다.
치아오치앙 간 박사는 “시스템의 개발 방향은 단순하지만 지속적으로 복사냉각 현상을 유지하도록 만드는 것이었다”라고 밝히며 “폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)이라는 폴리머 소재와 알루미늄 금속막을 이용하여 복사냉각 현상을 유지하는 시스템 개발에 성공했다”라고 밝혔다.
연구진이 개발한 냉방 시스템은 높이 46cm에 폭 25cm, 그리고 길이 25cm의 직육면체 형태로 이루어져 있다. 시스템에 가해지는 직사광선을 막기 위해 설치된 플라스틱판 아래로는 PDMS가 코팅된 알루미늄 플레이트(plate)가 탑재되어 있다.
연구진의 설명에 따르면 알루미늄 플레이트는 열을 흡수하여 외부로 방출하는 기능을 가진 핵심장치인 것으로 나타났다. PDMS로 코팅된 플레이트가 햇빛을 차단하는 역할뿐만 아니라, 내부 열을 열복사로 방출하기 때문에 장치 내부의 온도를 낮추는 작용까지도 수행한다는 것이다.
간 박사는 “냉방 시스템의 원리는 히트 펌프를 사용하여 내부를 식히는 냉장고나 에어컨과 동일하다”고 전제하면서도 “다만 우리가 개발한 시스템은 대기 중으로 열을 방출하여 온도를 낮출 수 있다는 점과 이 과정에서 별도의 전력을 사용하지 않기 때문에 경제적 부담이나 환경적 문제가 없다는 점이 특징”이라고 강조했다.
연구진은 프로토타입으로 제작된 냉방 시스템의 실제 성능을 점검하기 위해 야외 실험을 실시했다. 실험은 건물로 둘러싸인 그늘진 곳과 벽 주위, 그리고 주차장 등에서 20분 정도 실시됐다. 그 결과 냉방 시스템과 주변 온도의 차이는 각각 2.5℃와 7.2℃, 그리고 11℃인 것으로 드러났다.
이 같은 결과에 대해 간 박사는 “그늘진 곳보다는 직사광선이 그대로 내리쬐는 주차장에서 더 높은 냉각 효과를 얻었다”라고 전하며 “해당 결과들을 입력하여 컴퓨터 시뮬레이션을 해 본 결과, 전력을 제공하지 않아도 낮에는 6℃ 정도 온도를 낮출 수 있고 밤에는 무려 11℃ 정도까지 온도를 낮출 수 있는 것으로 나타났다”라고 말했다.
물론 이번에 개발된 시스템만으로는 냉방 가능한 공간이 제한적일 수밖에 없다. 따라서 건물 전체에 냉방을 제공하고자 한다면 옥상에 여러 대의 냉방 시스템을 설치하면 된다는 것이 연구진의 설명이다. 특히 핵심 소재인 PDMS는 식품 첨가물로 사용될 정도로 안전하고 저렴하기 때문에 대형화와 대량 생산이 쉽다는 장점도 갖고 있다.
한편 버팔로대보다 앞서 미 스탠포드대의 연구진도 복사냉각 방식을 이용하여 건물의 실내 온도를 낮추는 프로젝트에 도전한 적이 있다. 버팔로대와의 차이점이라면 스탠포드대 연구진의 시도는 아예 복사에너지를 우주로 내보내는 것이었다.
태양의 복사에너지를 흡수한 물체는 다시 그 에너지를 고유한 파장에서 내놓게 되는데, 이때 나오는 낮은 파장의 에너지는 상당 부분 이산화탄소 같은 온실가스에 흡수되어 지구의 온도를 일정하게 유지시키는데 활용된다. 하지만 온실가스가 주로 흡수하는 파장을 피해서 에너지를 방출하면 우주까지 도달하는 복사에너지의 양이 많아지게 되면서 온도가 낮아지게 된다는 것이 스탠포드대의 설명이다.