투자공부/신기술

[투자공부] Radiative Cooling (복사열 방출) 기술 상용화

[앙금빵] 2024. 5. 19.

개요

최근 전력·냉각기술 관련하여 시장조사를 하던 중 흥미로운 주제를 발견하여 공부한 내용이다.

본 내용은 안될과학 "복사 냉각 기술" 유튜브 영상 바탕으로 기타 기사들을 참조하여 내용 정리 및 추가를 하였다.

Part 1. 복사열 (Radiation Heat) 에 대한 이해

이해에 앞서 물질간 열전달 메커니즘에 대한 기본적인 이해가 요구되어진다.

(1) 열역학 제 2법칙에 의해 자연계의 자발적인 과정에서 열은 항상 고온에서 저온으로 이동한다.

(* 여러 경험적 논증을 바탕으로 클라지우스 진술, 켈빈-플랑크 진술을 귀납법적으로 도출한 법칙)

다시말해, 자연적으로 열은 항상 고온에서 저온으로 이동되어지고 열 평형 상태가 이루어진다.

(2) 물체에 열이 전달되는 방식은 다음과 같이 3가지로 분류되어진다. (참고)

전도 (conduction) : 고체 물체가 단순히 온도차에 의해서만 열이 전달되는 방식 (위치,운동 에너지 X)
대류 (convection): 공기나 물같이 기체 및 유체를 통해 열 전달되는 방식
복사 (radiation):전자기파 형식으로 열이 전달

(3) 태양과 지구 사이는 진공상태로 어떠한 매질이 존재하지 않기에 전도, 대류 열전달이 이루어지지 않으며 복사 형태로 지구로 열이 전달된다.

태양의 에너지 파장대역은 0.15 -4um이며 약 70%가 대기(50%), 지표(20%)에 흡수된다.

(4) 지구의 온도는 태양으로부터 지구로 들어오는 복사에너지와 지구에서 우주로의 복사에너지 사이에 구축된 평형의 결과이며 지구에서 방사되어 나가는 복사에너지는 지구 대기의 존재와 지구의 대기의 조성에 큰 영향을 받는다.

(5) 여기서 대기에 있는 물질들이 밖으로 나가는 복사에너지를 흡수하고, 이 에너지를 대기 중에 보존하여 지구를 덥힌다. 이를 온실 효과라고 한다.

이산화탄소는 13~19 μm의 파장 밴드를 강하게 흡수하고
수증기는 4~7 μm 파장 대역의 빛을 강하게 흡수한다

(6) 여기서 우주 밖으로 빠져나가는 대부분(70 %)의 복사에너지는 파장 8~13 μm 사이의 틈새를 통해서 빠져나간다.

💡 지구 온난화
인간의 활동으로 인간이 발생시키는 "anthropogenic 가스“가 대기로 점차 많이 배출되는데, 이 가스들은 7~13 μm의 파장 범위를 흡수하는데, 특히 이산화탄소, 메탄, 오존, 질소 산화물과 염화불화카본(chlorofluorocarbons : CFC's)이 그러하다.

Part 2. 복사 냉각 기술 등장

여기서 사람들은 파장 8~13 μm 사이의 틈새를 통해 냉각시킬 수 있는 방법에 대하여 연구가 진행된다. 이를 복사 냉각(radiative cooling)이라 일컫는다.

복사 냉각 핵심 주요 메커니즘

(1) 태양으로부터 열 흡수 최소화

(2) 8-13µm 파장 범위에서 효과적으로 방출하는 재료를 도포

(3) 복사열전달 방식을 통한 자연적으로 냉각

낮 동안 물체는 태양 복사와 주변 환경으로부터 약간의 에너지를 흡수할 수 있지만, 높은 반사율 덕분에 흡수된 에너지는 최소화된다.
동시에 물체는 열복사 방출을 통해 지속적으로 열을 잃게 된다.
밤이 되면 태양 복사가 없어지므로, 물체는 더욱 효과적으로 열을 방출하여 냉각된다.

Part 3. 복사냉각 Timeline

(1) 이는 최근들어 발견된 연구결과가 아닌 50년 이전에도 연구가 이루어져 있었음

1975년 이탈리아 연구진들 연구결과 실험적으로 가능하다는 것을 확인
- 단순 특정 물질을 도포한 표면만으로 10도가 떨어짐

(2) 그러나, 이러한 연구적인 성과들은 밤에만 가능한 성과들이었다. 그 이유는 대낮에 물체 표면에 직사광선이 도달하게 되면 열방출에 대한 복사냉각 효율이 많이 떨어졌기 때문이다.

태양복사에 의해 흡수되는 에너지 >> 방출되는 에너지
대중화되기 위해서는 대낮에도 냉각이 가능하도록 필요성이 대두되어 졌다. (덥고 습한지역에도 얼마만큼 온도를 낮춰줄 수 있는가?)

(3) 2014년 연구 진행: Shanhui Fan 연구팀 연구 진행 (Nature 논문)

목표: 몇가지 재료들을 도포한 뒤 장치 내부 온도 변화 관찰
결과: 자연적으로 대낮에 5도 이상 낮은 결과
- 하프늄 다이옥사이드(HfO2): 열반사를 통한 태양복사 에너지 흡수 최소화
- 실리콘 다이옥사이드(SiO2, 유리): 9μm 파장으로 열복사

(4) 2016년 연구 진행: Shanhui Fan 연구팀 (Nature 논문, 다운로드 링크)

실험: 실질적으로 아무런 전력을 쓰지 않고 온도를 얼마나 낮출 수 있는지 극한의 환경에서 실험
결과: 진공환경에서 외부온도 17도인데 내부는 대낮에 영하 25도, 새벽에 영하 35도 → 실험적으로 가능한 것을 시사

(5) 2019년 중국 연구팀 연구 진행 (링크)

실험: 16년도 진행된 실험 환경은 캘리포니아에서 진행이 되어졌고 덥고 습한지역에서도 이 기술을 이용할 수 있을 것인지에 대한 확인
결과: 온도 30도, 습도 60% 상황에서 온도가 4% 감소함
시사점: 전세계적으로 유효하다.
- 습도가 높아질수록 효과 감소
- 하늘 수직방향에서 각도가 꺽일수록 효과 감소
- 미세먼지가 많아질수록 효과 조금 감소 (수증기와 흡수대역이 비슷)
- 미세먼지는 조금 영향을 미침 → 그래도 복사기술 쓸만한 수준

(6) 2019년 복사냉각 재료 실험 (Science 논문)

열반사율이 높고 8-13µm 대역에서 열복사를 많이 하게끔 목재 제작
결론: 유의미한 효과 입증
- 온도차이
  - 대낮: 5도 차이
  - 새벽부터 낮: 10도 차이
- 에너지 절감율 (미국 구축(80년 이전), 신축 (04년 이후) 실험)
  - 메가줄(MJ)단위의 절감효과
  - 평균 20% 절감효과 (어느 지역이던간에 상관없이)

라스베거스, 피닉스 (매우 덥고 매우 건조) 에서 효과가 더 높았음 >> 복사 냉각기술을 건축기술에 적용하면 엄청난 시너지를 만들 수 있다.

이를 활용한 옷도 개발됨 (링크, 2018 applied materials)

자외선부터 근적외선까지는 다 반사하는 소재의 옷
자연적으로 착용 부위 10도가 더 낮음

(7) 2019년 Shanhui Fan 연구팀 : 이를 활용한 전력발전 시스템 연구 (Joule)

야간에 더 추워지는 환경을 이용하여 열전소자를 활용해 전기 생성 실험 성공
2도 정도의 온도차로 전구를 키는데 성공

14년 기점으로 radiative cooling 기술 관련하여 많은 스타트업이 생겨났고 미국에서도 적극적으로 밀어주는 분야

(8) 2020년 태양광 발전에도 응용

최적의 온도일때 최대 효율을 나타내는데 직사광선을 받으면 온도가 올라가서 효율이 떨어짐 → 복사냉각 기술을 활용하여 소자의 온도를 낮추어 효율 향상
태양 전지 효율 20% 향상

Part 4. 연관 회사들

SkyCool Systems
- 캘리포니아 기반 스타트업
- 건물 위에 복사냉각판을 설치하여 온도를 낮춤 → 24시간 냉각
- 동일한 면적의 태양광을 통해 냉각하는데 에너지를 쓰는 것보다 2배 이상의 효과
- 상용화해서 판매중

PARC (Palto Alto Research Center)
- Ownership: Wholly owned subsidiary of Xerox.
- 페인트를 통해 대중들에게 이용할 수 있도록 상용화 노력 (관련 링크)
- SPX Cooling Technologies와 협업 (주가 링크)
  - 페인트를 칠하였을때와 확연한 칠하지 않은 텐트와 온도차를 보임

기업 설명
Palo Alto Research Center (PARC), working with SPX Cooling Technologies, is developing a low-cost, passive radiative cooling panel for supplemental dry cooling at power plants. PARC’s envisioned end product is a cooling module, consisting of multiple radiative cooling panels tiled over large, enclosed water channels that carry water from an initial cooling system, such as a dry-cooling tower

3M (주가링크)
- 복사냉각필름 관련 상품 판매 (시장에서 어떻게 쓰이는지 추가조사 필요)

https://www.3m.com/3M/en_US/energy-conservation-us/applications/passive-radiative-cooling/

Passive Radiative Cooling | Energy Conservation | 3M

Passive Radiative Cooling is a natural phenomenon that only occurs at night in nature because all nature materials absorb more solar energy during the day than they are able to radiate to the sky. At night, the surrounding environment cools the material to

www.3m.com