소리 없는 냉장고 시대 연다…고려대 강용태 교수팀, ‘칼로릭효과’ 기반 냉각 기술 세계 최초 구현
강용태 교수(기계공학부)
고려대학교 기계공학부 강용태 교수 연구팀이 냉장고와 에어컨의 핵심 부품인 압축기를 완전히 제거한 새로운 냉각 기술을 세계 최초로 구현했다.
물과 고체 염만을 이용해 기존 냉매보다 효율이 높고, 구동 시 소음이 거의 없는 혁신적인 냉각 시스템을 개발함으로써
‘소리 없는 냉장고’의 실현 가능성을 입증했다.
이번 연구 성과는 10월 23일자 국제 학술지 『사이언스(Science)』 온라인판에 게재되었으며, 세계 냉동 기술 분야에서 주목을 받고 있다.
연구에는 교신저자로 강용태 교수, 주저자로 김성곤 박사, 신재현, 정길 연구원이 참여했다.
강 교수 연구팀의 기술은 냉매 가스와 복잡한 압축 장치 없이도 높은 냉각 효율을 구현할 수 있어, 무(無)압축기 냉장고 및 에어컨 상용화의
새로운 전환점으로 평가받고 있다.
■ 물과 염으로 구현한 친환경 냉각
연구팀은 질산염을 물에 녹일 때 발생하는‘용해 흡열 효과’를 냉각에너지로 활용하고, 전기투석을 통해 염을 분리·재생하여 연속적인 냉동 장치를 완성했다.
이 과정에서 나타나는‘칼로릭효과(caloric effect)’는 외부 자극에 의해 물질의 엔트로피가 변화하면서 열이 흡수되거나 방출되는 현상이다.
연구팀은 이 현상을 자성이나 압력 대신‘용해’라는 화학적 자극으로 구현했으며, 이를 기반으로 한 새로운 냉각 시스템을‘칼로릭 냉장고(caloric refrigerator)’라 명명했다.
즉, 염이 물에 녹을 때 주변의 열을 흡수해 온도를 낮추고, 전기투석을 통해 다시 결정으로 회수하면 연속적인 냉각이 가능해지는 것이다.
이번에 강용태 교수 연구팀이 개발한 기술은 기존 압축식 냉장고와 달리 지구온난화 냉매와 복잡한 압축기가 필요 없으며, 소음이 거의 발생하지 않는다.
저렴하고 풍부한 자원인 물과 질산염을 작동유체로 활용해 환경 부담이 적고, 소형기기부터 대형 빌딩 시스템까지 폭넓게 적용할 수 있다.
■ 기존 기술 대비 월등한 실현 가능성
강용태 교수팀이 제안한 칼로릭 냉장고는 최대37℃의 급격한 온도 하강과 높은 냉각 효율을 보여 기존 압축식 냉장고보다 뛰어난 성능을 보여줄 것으로 기대된다.
질산칼륨 기반 시스템은 실내 냉방(에어컨)에, 질산암모늄 기반 시스템은 저온 냉동(냉장고·냉동창고)에 적합함을 확인했다.
연구팀이 개발한 칼로릭 냉장고는 냉매 가스 없이도 기존 대비3배 높은 효율을 내기 때문에, 같은 냉방 효과를 얻으면서 전기 사용량은 최대3분의1로 줄일 수 있다.
이는 곧 탄소 배출 감축과 전기료 절감으로 직결되며, 펠티어 냉각기술 대비 효율이 높고, 냉각용량변화가 용이하여 상용화 가능성이 현저히 높은 것으로 여겨진다.
■ 교원창업기업(주)피이비, 주력 제품으로 사업화 추진
이번 연구성과는 고려대 플러스에너지빌딩 혁신기술 연구센터의 교원창업기업 ㈜피이비(PEB) 의 핵심 사업 아이템으로 이어진다. ㈜피이비는“소리없는 냉장고,
압축기 없는 히트펌프”를 주력 제품으로 개발해 가정용 냉장고·히트펌프, 대형 빌딩 냉난방, 산업용 냉동창고, 데이터센터 냉각 등 전력 다소비 분야에 단계적으로 적용할 계획이다.
강용태 교수는 “이번에 개발된 칼로릭 냉장고 상용화를 통해 탄소배출 저감과 전기료 절감 효과를 동시에 실현하며, 국내외 냉난방 산업의 패러다임 전환을 주도할 것” 이라고 포부를 밝혔다.
