전기 없이 스스로 냉·난방한다 

DGIST 등, 무동력 3차원 스마트 에너지 소자 개발

- 차세대 에너지 절감형 건축물 기술에 새로운 방향 제시

무동력으로 동작하는 듀얼 모드의 에너지 절감 장치. 연구팀이 개발한 무동력 냉방(그림 a) 및 난방(그림 b) 모드가 가능한 에너지 절감 소자. 소자의 작동 원리와 구성 요소를 보여주는 모식도. (자료제공: DGIST)

연구에서 개발한 실제 외기 환경에서 동작하는 에너지 절감 소자의 사진. (자료제공: DGIST)

DGIST(총장 이건우)는 로봇및기계전자공학과 김봉훈 교수 연구팀이 KAIST, POSTECH, 경희대학교, 국립공주대학교 등과 공동연구를 통해 전기나 외부 동력 없이도 스스로 냉방과 난방을 조절할 수 있는 ‘3차원 스마트 건축물 에너지 절감 소자’를 개발했다고 11월 12일 밝혔다.

건축물에서 소비되는 에너지는 전 세계 총 에너지 소비의 약 30%를 차지하며, 그중 70% 이상이 냉난방에 사용된다. 이로 인해 온실가스 배출과 대기오염이 심화되면서, 냉난방 효율을 높이는 친환경 기술 개발의 필요성이 커지고 있다. 하지만 지금까지 개발된 냉·난방 겸용 소자들은 외부 전력 공급이 필요하거나 기능 조절이 제한적이라는 한계가 있었다.

DGIST 김봉훈 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 “위도에 따라 처마 각도가 달라지는 전통 건축의 원리”에서 착안해, 태양빛의 각도 변화에 따라 스스로 열고 닫히며 냉방과 난방을 전환할 수 있는 3차원 스마트 구조 소자를 고안했다. 이 소자는 별도의 전기 공급 없이 형상기억합금(Shape Memory Alloy)이 온도 변화에 반응해 자동으로 열리고 닫히는 원리로 작동한다.

구체적으로, 소자의 3차원 구조가 닫히면 표면이 태양열을 반사하고 중적외선을 방출해 냉방 모드로 작동한다. 반대로 구조가 열리면 태양빛을 흡수하는 흑색 표면이 노출되어 난방 모드로 전환된다. 즉, 계절이나 외부 온도 변화에 따라 별도의 조작 없이도 스스로 냉방과 난방 기능을 오가며 건축물의 에너지 소비를 줄일 수 있다.

연구팀은 실제 외부 환경에서 다양한 각도 조건으로 실험을 진행한 결과, 건물의 구조적 형태와 상관없이 안정적인 냉난방 조절이 가능함을 확인했다. 이를 통해 이번 기술이 실생활 건축물에 적용될 경우, 별도의 전력 소비 없이도 에너지를 절감할 수 있는 효과적인 솔루션이 될 것으로 기대된다.

김봉훈 교수는 “이번 연구는 동력 없이 스스로 작동하는 친환경 냉난방 시스템을 제시한 것으로, 차세대 에너지 절감형 건축물 기술에 새로운 방향을 제안했다”며 “세계적인 학술지 표지논문으로 선정된 만큼, 앞으로 실용화를 통해 산업 현장과 도시 건축물의 에너지 절감에 기여하겠다”고 말했다.

이번 연구는 DGIST 피지컬 AI(Physical AI) 센터, 한국연구재단의 나노및소재 기술개발사업, 인류확장 로보틱스(TransHuman Robotics) 글로컬랩, 글로벌 생체융합 인터페이싱 선도연구센터(ERC)의 지원을 받아 수행됐다. 

DGIST(김봉훈 교수, 진호준), KAIST(이봉재 교수), POSTECH(김진태 교수), 경희대학교(김선경 교수), 국립공주대학교(서준용 교수)가 참여한 이번 연구결과는 국제 저명 학술지 ‘Advanced Materials’의 표지논문으로 선정됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]