상변이 물질을 이용해서 냉난방 효율을 높인 주택을 만든다?

(A small house model made of phase-change materials, which was able to effectively insulate the inside. Credit: Dharmesh Patel)

물질이 고체에서 액체, 그리고 액체에서 기체처럼 상태가 변하는 것을 상변이 (phase change)라고 불립니다. 이 과정에서 부피나 밀도 등 특징이 크게 변할 뿐 아니라 에너지를 흡수하거나 방출하기 때문에 공학적으로 매우 중요한 특징이라고 할 수 있습니다.

상변이 물질 (Phase-change materials (PCMs))의 응용 중 하나는 열을 방출하고 흡수하는 성질을 이용해서 에너지를 적게 소비하면서도 온도를 일정하게 유지하는 것입니다. 예를 들어 섭씨 25도에서 녹아서 고체에서 액체 상태로 변하는 물질이 있다면 온도가 이보다 올라갈 때 녹으면서 열을 흡수했다가 다시 온도가 너무 내려가면 고체로 변하면서 열을 내놓는 것입니다.

텍사스 대학 (Texas A&M)의 연구팀은 합성수지 (resin) 기반의 상변이 물질을 직접 3D 프린터로 출력하는 방법을 개발했습니다. 광반응성 수지에 강력한 자외선을 발사하는 직접 쓰기 방식 (Direct Ink Writing, DIW)의 3D 프린팅 방식으로 원하는 모양의 제품을 출력하면 내부의 수지 부분은 상변이 성질을 계속 유지해서 특정 온도에서 녹았다가 다시 굳게 됩니다. 상변이 물질의 비율은 63% 정도로 팽창과 수축에 영향을 받지 않을 정도의 여유 공간이 있습니다.

이 3D 프린팅 상변이 물질은 그 자체로 단열제로 사용할 수 있지만, 특정 온도에서 녹았다가 다시 굳는 성질 때문에 건물의 온도를 일정하게 유지하려는 성질이 있어 냉난방비를 절감하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 단 연구팀에 따르면 이 상변이 물질의 상변이 사이클은 200회 정도입니다.

상변이 물질을 이용해서 냉난방 에너지 없이 온도를 일정하게 유지하는 건물의 아이디어는 괜찮아 보이지만, 언제나 그렇듯이 가격과 안전성이 관건이 될 것 같습니다. 이 소재가 화재 시 안전할지, 그리고 합리적인 가격에 공급할 수 있을지는 아직 모릅니다. 수명 역시 200회는 충분하지 않을 것으로 생각됩니다.

과연 건축 단열 소재로 가능성이 있을지 궁금합니다.

참고

https://newatlas.com/materials/3d-printable-phase-change-materials-insulation/

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00126-0

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