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[신소재 신기술(211)] 열은 차단하고 시야는 유지⋯차세대 투명 창호 단열 소재 개발
- 미국 콜로라도대 볼더(CU Boulder) 연구진이 건물의 에너지 효율을 크게 높일 수 있는 투명 창호용 단열 신소재를 개발했다. 11일(현지시간) CU 볼더 투데이에 따르면 이 소재는 열 이동을 효과적으로 차단하면서도 시야를 거의 방해하지 않는 것이 특징으로, 전 세계 건물 에너지 소비 구조를 개선할 수 있는 기술로 평가된다. 이번 연구를 주도한 CU 볼더 물리학과 연구진은 해당 소재를 '메조다공성 광학 투명 단열재(Mesoporous Optically Clear Heat Insulator, MOCHI)'로 명명했다. 모치(MOCHI)는 얇은 시트 또는 판 형태로 제작돼 기존 창문 내부에 부착할 수 있으며, 현재는 실험실 단계에 머물러 있으나 내구성이 높고 투명도가 매우 우수한 것으로 확인됐다. 연구 책임자인 이반 스말류크(Ivan Smalyukh) 교수는 "벽은 단열재를 두껍게 쌓을 수 있지만, 창문은 투명해야 한다는 근본적인 제약이 있다"며 "투명성과 단열 성능을 동시에 만족시키는 소재를 찾는 일은 매우 어렵다"고 설명했다. 연구 결과는 12월 11일 국제 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다. 국제에너지기구(IEA) 등에 따르면 주거용 주택부터 초고층 오피스 빌딩에 이르기까지 건물은 전 세계 에너지 소비의 약 40%를 차지한다. 특히 창문은 겨울철에는 열 손실의 주요 경로가 되고, 여름철에는 외부 열을 내부로 유입시키는 취약 지점으로 작용한다. 연구진은 MOCHI를 통해 이러한 열 교환을 근본적으로 줄이는 것을 목표로 했다. MOCHI의 핵심은 실리콘 젤 내부에 형성된 초미세 공기 구조에 있다. 이 소재는 사람 머리카락 굵기보다 훨씬 작은 수많은 기공에 공기를 가두는 구조로, 전체 부피의 90% 이상이 공기로 채워져 있다. 연구진에 따르면 두께 5밀리미터의 MOCHI 시트만으로도 손바닥 위에서 불꽃의 열을 차단할 수 있을 정도의 단열 성능을 보였다. 열 전달은 일반적으로 기체 분자 간 충돌을 통해 이뤄지는데, MOCHI 내부의 기공은 너무 작아 분자들이 자유롭게 충돌하지 못한다. 대신 분자들은 기공의 벽에 부딪히며 에너지 전달이 크게 제한된다. 그 결과 열 흐름이 효과적으로 억제된다. 동시에 이 소재는 입사광의 약 0.2%만 반사해, 시각적 투명성을 유지한다. MOCHI는 기존의 고성능 단열재로 활용돼 온 에어로젤(aerogel)과 유사한 개념을 갖지만, 구조적 차별성이 있다. 에어로젤은 기공이 무작위로 분포돼 빛을 산란시키는 경우가 많아 시야가 흐려지는 반면, MOCHI는 기공 구조를 정밀하게 제어해 빛 투과성을 대폭 개선했다. 제조 과정에서는 계면활성제 분자가 실처럼 응집된 구조를 형성한 뒤, 그 외부를 실리콘 분자가 감싸도록 유도한다. 이후 계면활성제 구조를 공기로 치환하면, 실리콘으로 둘러싸인 초미세 공기 통로 네트워크가 완성된다. 연구진은 이를 "공기로 채워진 미세 관이 얽힌 구조"라고 설명했다. 연구진은 이 소재가 창호 단열뿐 아니라 태양열 포집 장치 등에도 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 햇빛의 열을 가두면서도 투과된 빛을 활용해 건물 난방이나 온수 공급에 적용할 수 있다는 설명이다. 다만 상용화까지는 시간이 필요할 전망이다. 현재 MOCHI는 공정이 복잡해 실험실에서만 소량 생산되고 있다. 그러나 사용되는 원재료가 비교적 저렴하고, 제조 공정 역시 단순화가 가능하다는 점에서 장기적으로는 상업적 활용 가능성이 크다는 평가다. 연구진은 "에너지를 낭비하지 않으면서도 쾌적한 실내 환경을 유지하는 것이 목표"라며 "MOCHI는 투명성과 단열이라는 두 가지 요구를 동시에 충족하는 새로운 대안이 될 수 있다"고 밝혔다. 이번 연구에는 아밋 바르드와지, 블레즈 플뢰리, 엘도 아브라함, 이태우 박사후연구원 등이 공동 참여했으며, 보흐단 세뉴크, 얀 바르트 텐 호버, 블라디슬라프 체르파크 전 박사후연구원도 공저자로 이름을 올렸다.
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[신소재 신기술(211)] 열은 차단하고 시야는 유지⋯차세대 투명 창호 단열 소재 개발
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