일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
신 냉매로 온난화 억제
유점성 결정, 압력을 가해 냉각 효과

지구 온난화 걱정이 없는 새로운 냉매의 탄생이 될 수 있을까? ---. 액체와 고체의 중간 성질을 가진 ‘유점성(柔粘性) 결정’. 부피가 바뀌면 열을 흡수하거나 방출하는 것으로 알려져 있었으나, 실용적인 재료라고는 말할 수 없었다. 일본원자력연구발전기구의 가와키타(川北) 주임연구원 팀은 중국과학원금속연구소의 빈 리 씨와 공동으로 에어컨 등의 냉매로서의 활용법을 찾아냈다. 새로운 발견으로 탄생한 이 냉매가 2030년경에는 지구를 구하는 구세주의 하나로서 두각을 나타낼 지도 모른다.

우리의 생활을 쾌적하게 하는 에어컨과 냉장고. 현대인에게는 이미 필수 아이템이지만, 실은 최근에 사용되고 있는 냉매의 대체 프레온은 상당한 ‘골칫덩어리’이다. 온난화를 촉진하는 효과가 상당히 크기 때문이다.

지금까지 지구 규모로 추진해 온 대체 프레온 대책도 고전을 면치 못하고 있다. 2020년에는 온난화 대책의 새로운 국제적 규범인 ‘파리 협정’도 시작되지만, 대체 프레온의 대책은 더 이상 기다릴 수 없다.

유점성 결정은 고체와 액체의 중간 성질은 가진 재료이다. 결정체를 형성하는 원자는 액체 안의 원자처럼 자유롭게 방향을 바꿀 수 있다. 이 결정의 부피가 커지게 되면 틈새가 생겨 원자가 회전하기 쉬워지며 반대로 작아지면 회전이 어려워진다.

연구 그룹은 이 원자가 회전하거나 정지하는 현상을 냉매에 사용할 수 있다고 생각했다. 얼음을 예로 들면 이미지를 떠올리기 쉽다. 얼음은 녹기 전까지 주위를 섭씨 0도로 유지하려는 성질이 있다. 이와 같이 유점성 결정의 부피를 제어할 수 있다면 주위를 장시간 차갑게 유지할 수 있을 가능성이 있다.

유점성 결정은 기체의 대체 프레온과는 다른 고체의 냉매가 될 가능성도 지니고 있다. 유점성 결정체는 지금까지는 단순히 과학적으로 흥미로운 현상으로 인식되어 왔으나, “아무도 냉각 기술에 사용할 수 있다는 시점으로 보지는 않았다”(가와키타(川北) 씨)라고 한다.

연구 그룹은 유점성 결정의 일종인 NPG(Neopenthyl Glycol)를 사용해 실제로 냉매로 사용할 수 있을지를 조사했다. NPG는 실온 부근에서 온도를 제어할 수 있는 가능성이 있는 재료이다. 유점성 결정이라고 생각되어 흡열 및 방열 등의 현상은 알려져 있지만, 지금까지 압력과의 관계는 알려져 있지 않았다.

NPG의 분말에 가하는 압력을 바꾸자, 부피가 변화해 의도하는 대로 흡열이나 방열 반응을 일으킨다는 것이 확인되었다. 성과는 2019년 3월에 영국 과학지 네이처에 발표되었다. 아직 에어컨 등의 냉매에 적용하기에는 해결해야 될 과제가 있으나, “앞으로의 연구에 따라 실용화의 길이 열릴 가능성이 크다”라고 가와키타 씨는 기대하고 있다.

NPG는 저렴하게 양산되고 있기 때문에 재료 비용이 낮다. 냉매로서의 용도를 개척하기 위해서는 NPG이외에 이용하려는 온도대 등에 맞춰 재료를 찾을 필요가 있다.

압력을 가하는 장치는 소형화도 가능하다고 한다. 에어컨에 적용한다면 현지에 비해 가격의 저하 및 성(省)전력화도 기대할 수 있을 것으로 보고 있다. 미래에는 환경 문제도 해결하는 기술이 될 지도 모른다.

-- 친숙한 기기로의 활용 기대 --
지금까지 고체 냉매로 실용화되고 있던 것은 섭씨 마이너스 250도부터 절대 영도에 가까운 실험용으로 사용하는 대형 및 고가의 냉동기였다. 주변 생활에 사용할 수 있는 온도대에서의 고체 냉매는 연구되어 오지 않았다.

주변에서 사용할 수 있는 ‘부착해서 냉각시킬 수 있는’ 기술로 효과가 높은 것은 거의 개발되어 있지 않다. 전기에 의해 뒷받침되고 있는 현대에서는 수요가 클 것이다. 전자기기나 배터리는 고성능이 될수록 발열이 커져 그것이 원인으로 인해 현저히 성능이 떨어지기 때문이다.

컴퓨터 내부에서는 계산을 처리하는 칩의 발열이 계산을 지연시키며 온도가 과도하게 올라갈 경우 고장이 나게 된다. 현재의 냉각에서는 잘 열을 통하게 하는 금속을 발열부분에 부착해 열을 밖으로 빠져나가게 하거나, 슈퍼컴퓨터 등의 대규모 시설에서는 방 전체를 에어컨으로 식히거나 하고 있다.

유점성 결정의 경우, 압력을 바꾸기만 해도 냉각이 되기 때문에 소형화되어 칩에 직접 부착시킬 수 있게 될지도 모른다. 슈퍼컴퓨터처럼 방 전체를 냉각시키는 것보다 성(省)에너지가 된다. EV에서도 배터리의 발열은 열화(劣化) 및 고장의 원인이 되기 때문에 고효율의 냉각이 요구되고 있다. 용도에 알맞은 다양한 유점성 결정을 발견해 냉각 디바이스를 만들면 타 분야에 걸친 발열 문제의 해결책이 될 지도 모른다.

▶ 유점성 결정의 발견과 전망

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