18일 미국 로런스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)에 따르면 이 연구소 재료과학부 소속인 쥔차오 우 버클리 캘리포니아대(UC 버클리) 교수가 이끄는 연구팀이 이런 기술에 관한 실험 논문을 과학 학술지 사이언스(Science)에 16일자로 게재했다.
기존의 에너지 절약용 '쿨 루프'(cool-roof·시원한 지붕)는 흡수한 태양열 일부를 적외선 열복사로 외부에 배출하는 원리로 건물 내부 온도를 낮춘다.
다만 우 교수는 쿨 루프가 추운 겨울에도 지속해서 열을 방출해 난방비를 높이는 문제가 있다고 지적했다. 그는 계절에 따라 열 방출과 보온 사이의 전환이 자동으로 이뤄지는 소재를 고민하다가 '이산화바나듐'(vanadium dioxide)이라는 금속에 주목했다.
이 물질은 섭씨 약 67도를 기점으로 낮은 온도에서는 적외선 열복사를 차단하고 높은 온도에서는 외부로 열을 방출할 수 있다.
우 교수팀은 이산화바나듐 속 바나듐의 1.5% 가량을 텅스텐으로 바꾸면 이런 상태 변화 임계점을 현실에 적용 가능한 섭씨 25도로 낮출 수 있다는 것을 발견했다.
이렇게 탄생한 물질을 우 교수팀은 '온도 적응 열 방출 코팅'(temperature-adaptive radiative coating·이하 TARC)이라고 불렀다.
연구팀은 이렇게 만들어진 물질의 에너지 절약 성능을 확인하기 위해 2제곱센티미터짜리 이산화바나듐 TARC 샘플을 만들어 샌프란시스코 이스트 베이 소재 우 교수 자택 지붕에 설치했다.
이와 함께 이미 상용화된 지붕 샘플들을 설치해 며칠에 걸쳐 직사광선과 외부 온도 변화에 대한 대응력을 비교했다.
연구팀은 이 데이터를 기반으로 TARC가 미국 전역의 서로 다른 기후를 대표하는 도시 15곳에서 어떤 성능을 낼지 모의실험을 한 뒤 연간 에너지 절약량을 계산했다.
그 결과 TARC는 도시 15곳 중 12곳에서 현재 사용되고 있는 지붕 소재의 성능을 능가할 것으로 전망됐다. 특히 샌프란시스코 베이 지역처럼 일교차가 크거나 뉴욕처럼 연교차가 큰 곳에서 효과가 좋았다.
연구팀은 미국의 평균적인 가정이 TARC를 지붕에 설치하면 최대 10%까지 전기를 절약할 수 있다고 결론지었다.
연구팀은 TARC 샘플을 더 크게 개발해 실제 지붕 소재로의 사용 가능성을 평가할 예정이다. 우 교수는 TARC가 스마트폰과 노트북의 배터리 수명을 늘릴 열 보호 소재, 위성과 자동차를 극한의 온도에서 보호할 소재로서 잠재력이 있다고 보고 있다. 또 텐트, 비닐하우스 덮개뿐 아니라 모자와 재킷에 쓰일 온도 조절 천을 만드는 데 쓰일 수도 있다고 설명했다.