로렌스버클리연구소가 에너지를 사용하지 않고 집안을 겨울에는 따뜻하게, 여름에는 시원하게 해주는 스마트 루프 코팅 실현 가능성이 있는 소재를 발견했다. 성과는 과학지 사이언스에 게재됐다.
시중에서 판매 중인 쿨루프 시스템은 주로 여름에 건물 열을 하늘로 방사해 실내를 시원하게 하는 원리다. 또 흰색에 가까운 밝은 색 페인트로 빛과 열을 반사해 건물을 시원하게 유지한다. 하지만 이들은 여름은 열을 비우고 방사하는 것으로 일정 효과를 발휘하는 한편 겨울철에도 열을 방출하는 것으로 일정 효과를 발휘하기 때문에 실내는 시원해져 버린다.
새로운 연구로 만들어진 재료는 코팅용 도료로 기능하지만 기온이 내려가면 열을 놓치지 않게 되는 성질을 갖고 있다. 연구팀은 이 지료를 TARC(temperature-adaptive radiative coating)라고 명명했다.
이 재료는 이산화바나듐(VO2)이라는 화합물을 이용한다. VO2는 67도를 경계로 절연체와 금속상 전이를 일으켜 전기 저항이 크게 변화한다. 또 이 변화에 대해 67도 이하일 경우에는 열적외선에 대해 투명 그러니까 열을 흡수하지 않는 성질이 있고 67도를 넘으면 열적외선을 흡수한다.
연구팀은 TARC 시트를 테이프처럼 붙여 넣을 수 있도록 해 지난 여름 집 발코니에서 실증 실험을 수행했다. 구체적으로 TARC 샘플과 시판용 검은색 지붕 샘플, 마찬가지로 판매 중인 흰색 지붕 샘플을 나란히 배치하고 직사광선이나 외기 온도 변화에 대한 반응을 기록했다.
이를 바탕으로 미국 내 주요 15개 도시에서 TARC가 연간 얼마나 성능을 발휘하는지 시뮬레이션을 진행했다. 그 결과 15개 도시 중 12개소 그 중에서도 샌프란시스코 걸프 지역처럼 주야간 온도차가 큰 곳이나 뉴욕처럼 겨울과 여름 온도차가 큰 곳에선 TARC가 기존 지붕용 도료보다 에너지 절약 효과가 높은 것으로 나타났다. 이는 미국 일반 가정 전력으로 따지면 연간 최대 10% 절전이 되는 셈이다.
연구팀은 TARC는 1년 내내 태양광을 75% 반사하지만 기온이 25도를 넘으면 열방사율이 90%까지 높아지고 하늘로 열 유출을 촉진하며 한편으로 시원해지면 TARC 열 방사율은 자동으로 낮아져 태양광 흡수나 실내 난방에 의한 열 유지에 도움이 된다고 밝혔다. 또 온도에 의한 성질 변화는 그다지 긍정적이지 않을 것으로 예상했지만 시뮬레이션이나 옥외 실험에서 이 예상이 올바르지 않다는 걸 알게 됐다고 설명했다.
연구팀은 앞으로 TARC 프로토타입을 더 대규모로 개발해 실용적인 주택 지붕 외장 재료 성능을 자세하게 검증할 예정이라고 한다. 덧붙여 TARC는 주택용 소재 외에도 스마트폰이나 노트북 배터리 수명 연장에 도움이 되거나 인공위성, 자동차 등 기계를 극단적인 온도 환경으로부터 보호하는 열 방호 소재, 텐트나 온실, 모자나 재킷 등에도 활용할 수 있을지 모른다고 밝히고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.