신소재: 상용 백색 재료의 최신 반사 냉각 능력

재료는 검은색이나 흰색을 나타내는데 이는 그들이 가시광선을 흡수하는 상황을 구현하는데 흡수하는 가시광선이 많을수록 더욱 검게 보이고 반사가 많을수록 더욱 하얗게 된다.

그러나 재료가 태양광선을 흡수하고 반사하는것은 흔히 또 하나의 잠재적기능이 있다. 그것은 바로 태양광선을 흡수할수 있는 재료일수록 해빛에 비추면 더워지고 반사가 많을수록 흔히 더욱 서늘함을 의미한다.

　　사진 Vantablack©Surrey NanoSystems

현재 세계에서 가장 검은 재료는 Vantablack이다. 이 재료는 99.96% 의 가시광선을 흡수할 수 있기 때문에 우리의 눈에 반사될 수 있는 빛은 거의 없다. 상당히 검게 보인다. 동시에 그것은 매우 덥다. 다만 열전도성이 매우 좋기 때문에 더 따뜻함을 느끼기 어려울 뿐이다.

그럼 세상에서 가장 하얀 재료가 얼마나 하얗고 얼마나 시원한지 아세요?

　최신 반사 냉각 도료

가장 검은 검은색에 비해 현재 시중의 흰색은 사실 지나치게 높은 반사능력에 도달할수 없다. 왜냐하면 재료는 태양광을 흡수하는것이 태양광을 반사하는것보다 훨씬 쉽기때문이다.

Vantablack은 이미 상용화된 재료이다. 그러나 상용화된 흰색 재료는 태양광에 대한 반사 능력이 보통 80~90% 에 불과하다.

2021년에 퍼듀대학의 과학연구팀은 해빛에 대한 반사능력이 최대 98.1% 에 달할수 있는 신소재를 개발하였는데 이 반사능력은 그를 매우 하얗게 보이게 하여 기네스북에서 세계에서 가장 하얀 재료로 선정되였다.

이 재료는 Vantablack이 열을 흡수하는 데 사용되는 것처럼 Vantablack에 대응하여 개발되었으며, 연구자들은 이러한 초반사 흰색을 도료로 사용하여 냉각 효과를 얻기를 희망합니다.

반사냉각을 통과하는 이런 재료를 반사냉각도료라고 하는데 현재 시중에는 사실 이와 류사한 재료가 있다. 례를 들면 이산화티타늄도료이다. 이런 도료도 아주 하얗고 그것을 바르면 온도상승을 늦추는 효과가 있다.

　　그림　이산화 티타늄

이산화 티타늄 도료에 비해 새로 개발된 반사 냉각 도료의 또 다른 기능은 에어컨의 효과처럼 주변 환경에 온도를 낮추는 효과를 낼 수 있다는 것이다.

그리고 실험실의 데이터에 따르면 가장 더운 곳에서도 집 밖에 바르면 에어컨 전기료의 70~80% 를 절약할 수 있다.

그렇다면 이 신소재는 도대체 무엇이고 무엇때문에 온도를 낮추는 효과가 있는가?

새로운 도료를 계속 이해하기 전에, 우리는 재료가 햇빛에 비추면 뜨거워지는 이유를 알아야 한다.

많은 사람들이 이것이 태양복사의 효과라는것을 알고있을수도 있다. 복사는 재료분자의 운동을 초래하는데 최종적으로 나타나면 바로 열이 된다.

검은색은 더 많은 태양 복사를 흡수할 수 있기 때문에, 그것은 보통 더 쉽게 가열되고, 흰색은 일부 복사를 반사하기 때문에 더 쉽게 가열되지 않는다.

그림: 전체 전자파 스펙트럼에서 가시광선의 범위

그러나 많은 사람들이 모를 수 있는 것은 우리가 흰색으로 보이는 재료가 사실 빛을 반사하여 온도를 올리지 않는 효과를 얻을 수 있다는 것을 의미하지 않는다는 것이다.

왜냐하면 재료가 충분한 가시광선을 반사하기만 하면 우리의 눈은 흰색으로 보이는데 가시광선을 반사한다고 해서 태양복사를 흡수하지 않는것은 아니며 가시광선은 전자기파스펙트럼의 아주 작은 부분일뿐이다.

사실, 대부분의 재료에 대해 말하자면, 실제로 그것들이 가열되는 것도 가시광선 파장 범위의 전자기 복사가 아니라, 장파인 적외선 부분의 파장이야말로 재료가 뜨거워지는 주요 원인이다.

장파나 적외선 부분의 전자기 복사는 재료 속의 분자와 더 쉽게 좋은 공진을 일으켜 그것들이 움직이기 시작하고 나아가 뜨거워지기 때문이다.

이 세계에서 가장 하얀 재료는 사실 황산바륨 (Baso4) 이다. 그것은 천연적으로 존재하는 광물 중결정이다. 사람들은 일찍부터 그것을 안료로 이용하기 시작했다. 우리의 많은 미백 화장품에는 모두 그것이 있다.

그러나 이번 연구에서는 황산바륨의 크기와 농도를 조절함으로써 서로 다른 파장 범위의 전자기 복사를 반사하고 산란시킬 수 있다는 것을 발견했다.

어떤 크기 범위의 황산바륨 입자가 반사 냉각 도료로 가장 적합한지에 대해서는 보고서에서 언급되지 않았는데, 아마도 상업 기밀일 것이다. 왜냐하면 이 도료는 그들이 상업용으로 투입하기를 원하기 때문이다.

결론적으로, 그들은 농도와 크기 조절을 통해 98.1% 의 태양 빛 (가시광뿐만 아니라) 을 반사할 수 있는 가장 좋은 효과를 얻었고, 약 1.9% 의 태양 복사만이 재료에 흡수되었다.

가장 중요한 것은 이 재료가 적외선의 열을 산란하는 능력도 있기 때문에 주변 환경의 온도까지 냉각할 수 있는 능력이 있다는 것이다. 이것은 현재 가장 자주 사용하는 이산화티타늄 흰색 도료와 기타 거의 모든 흰색 도료에는 이런 효과가 없다.

이 팀은 현재 새로 개발한 재료인 특정 크기와 농도의 황산바륨을 페인트 도료에 사용하고 있으며, 그들이 선택한 페인트 매개자는 아크릴산이며, 양자는 6: 4의 비율로 조화 효과가 가장 좋다고 믿는다 (황산바륨은 너무 적으면 반사 효과가 떨어지고, 너무 많은 페인트는 효과가 떨어진다). 이 도료는 온도를 낮출 수 있는 반사 냉각 도료로 사용할 수 있다.

이 연구의 저자는 계산을 통해 92.9 평방 미터 (1000 평방 피트) 의 지붕에 모두 이 도료를 칠하면 10대부분의 가정에서 사용하는 에어컨보다 더 강력한 킬로와트의 냉각 전력　　

현장 테스트에서 이 팀은 이 재료의 페인트 표면이 환경 온도보다 최소 4.5도 낮고 평균 냉각 전력은 평방미터당 117W이지만 한겨울에도 이 상태를 유지한다는 것을 발견했다.

대부분의 사람과 대부분의 지역의 경우 집의 외토기를 이런 도료로 바꾸기만 하면 여름에는 기본적으로 에어컨을 전혀 틀지 않아도 된다.

1970년대 이후 과학자들은 수동적인 방사선 냉각 방법을 찾고 있지만, 지금까지 황산바륨의 특정 크기와 농도가 가장 좋았다. 가장 중요한 것은 이 재료가 사실 비교적 싸다는 것이다. 결국 천연적으로 존재한다.

그러나 많은 과학자들은 이 연구에 대해 의문을 제기하고있다. 왜냐하면 도료로서 반드시 세계의 시련을 이겨낼수 있어야 하며 반드시 충분한 시간내에 자신이 오염되지 않도록 보장해야 하기때문이다. 그렇지 않으면 효과를 잃게 된다. 이 과학팀은 아직 상응한 사용수치를 제시하지 못한것이 분명하다.

어쨌든, 지금 에어컨의 사용을 줄이는 것이 시급하다. 왜냐하면 에어컨의 사용은 줄곧 기후 위기를 가속화하고 있기 때문이다. 그러나 반사 냉각 도료는 기후 위기에 대항하는 방면에서 확실히 괜찮다. 적어도 좋은 방향이다. 그것은 매우 에너지를 절약한다.