친환경 단열유리 보다 쉽게 만든다
친환경 단열유리 보다 쉽게 만든다
  • 강지희
  • 승인 2019.05.16 00:05
  • 조회수 1241
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출처: pixabay
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로이(Low-E : low-emissivity glass)유리는 열의 이동을 최소화시켜주는 에너지 절약형 유리입니다. 이름 그대로 저방사율의 특징을 갖고 있는데요. 건축물에서 에너지가 손실되는 원인으로는 벽체나 지붕, 창문 등이 있는데요. 창문을 통한 열손실량은 전체 건물의 45%로 큰 비율을 차지하고 있습니다. 

 

로이유리는 방사율이 0.84인 일반유리 표면에 전기전도성이 양호한 금속박막을 코팅하여 만듭니다. 금속박막을 코팅하면 방사율을 0.1로 줄인 우수한 단열 특성을 갖고 되죠. 로이유리는 외부의 가시광선을 실내로 투입시키고 실내의 복사열은 외부로 방출되지 않도록 실내로 재반사시켜 단열성을 우수하게 한 기능성 코팅 유리입니다. 

 

건축물 등에 사용되는 '로이유리(low-e glass)'는 판유리에 은(Ag) 나노박막과 함께 다양한 산화물 나노박막층을 물리적 증착법으로 코팅한 유리입니다. 은 나노박막 층이 가시광선을 투과시키고 열적외선을 반사시키기 때문에 일반 판유리에 비해 최고 50%까지 단열성능이 향상된다는 장점이 있습니다. 

 

로이유리의 보급을 확대하려면 뛰어난 열처리 기술이 필요합니다. 한국전기연구원 나노융합센터 김대호 박사 팀은 전자레인지 등에서 사용되는 마이크로파를 활용한 유도가열 기술로, 금속 나노박막을 ‘연속적이면서도 균일하게 고속 열처리’ 할 수 있는 기술 개발에 성공했다고 합니다. 

 

마이크로파 유도 가열 기술

기존 마이크로파 가열과 마이크로파 “유도”가열의 차이. 출처: 한국전기연구원
기존 마이크로파 가열과 마이크로파 유도 가열의 차이. 출처: 한국전기연구원

마이크로파 가열은 흔히 전자레인지에서 주로 활용됩니다. 전자레인지에서 사용하는 기존의 마이크로파 가열은 ‘유전’ 가열(dielectric heating)로, 극성분자에 마이크로파를 가하면 회전진동을 하는데 이 때 극성분자들 사이에서 발생하는 운동마찰로 가열되는 원리입니다. 따라서 물이나 유기용매, 일부 산화물 등을 효과적으로 가열할 수 있습니다.

 

마이크로파 유도 가열(induction heating)은 신개념의 방식으로 마이크로파의 자기장에 의해서 전도성 표면에 발생하는 유도전류에 의한 저항열을 이용하는 가열 방식입니다. 마이크로파에 의한 유도전류가 표면에 생성되는 깊이는 매우 얇은 1μm 수준인데요. 따라서 1μm 두께 이하의 금속, 전도성산화물, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 나노박막을 효과적으로 가열할 수 있습니다.

기존 유도가열과 마이크로파 유도가열의 원리비교. 출처: 한국전기연구원
기존 유도가열과 마이크로파 유도가열의 원리비교. 출처: 한국전기연구원

기존의 유도가열 기술은 수십 kHz 수준의 주파수를 가지는 자기장을 만들어 금속 소재를 가열하는 방식으로, 조리용 인덕션 기구 등 밀리미터(mm) 수준의 두꺼운 소재에만 적용할 수 있었습니다. 전자기장의 주파수에 따라 금속에 대한 침투 깊이가 달라지다 보니 기존 기술로는 1㎛(마이크로미터, 1mm의 1000분의 1) 이하 얇은 두께를 가지는 나노박막은 가열할 수가 없다는 단점이 있었죠. 

 

김대호 박사 연구팀이 개발한 '마이크로파 유도가열 기술'은 전자레인지에서 사용하는 2.45GHz(기가헤르츠) 주파수의 마이크로파 자기장을 활용하여 금속 등 전도성 소재로 이루어진 박막을 순간적으로 고온 가열할 수 있는 기술입니다. 1GHz는 106kHz(킬로헤르츠)에 해당하는 매우 높은 주파수 단위입니다.

마이크로파 유도가열 열처리 기기. 출처: 한국전기연구원
마이크로파 유도가열 열처리 기기. 출처: 한국전기연구원

마이크로파 유도가열 기술은 수 GHz의 주파수를 사용하기 때문에 전류가 흐르는 코일 대신에 유전체 공진기를 이용하여 유도가열에 필요한 자기장을 형성시킵니다. 마이크로파 유도가열 기술은 전도성 표면에 자기장에 의한 유도전류를 발생시켜 저항열로 나노박막을 가열하는데요. 덕분에 전기에너지에서 열에너지로 전환되는 효율이 70%에 이를 정도의 높은 에너지 전환 효율을 갖고 있습니다.

 

이런 에너지 전환 효율을 기반으로 마이크로파 유도가열 기술은 나노미터 수준의 두께를 가지는 얇은 전도성 박막을 1초 이내에 1,000℃ 이상 온도로 빠르게 열처리할 수 있다고 합니다. 즉 열처리가 필요한 전도성 박막만을 선택적이고, 순간적으로 고온 가열할 수 있는 것이죠.

 

앞으로의 전망

로이유리를 들고 있는 김대호 박사 출처: 한국전기연구원
로이유리를 들고 있는 김대호 박사 출처: 한국전기연구원

연구책임자인 김대호 박사는 "기존 로이유리 가열 기술들은 열처리 후 가공성 문제, 높은 에너지 비용에 따른 경제성 문제 등의 이유로 그동안 상용화에 많은 어려움을 겪어왔다"며 "에너지 전환효율이 높은 마이크로파 유도가열 기술은 필요한 부문만을 순간·선택적으로 가열할 수 있기 때문에 필요한 장치의 규모도 대폭 줄일 수 있고, 비용도 획기적으로 절감할 수 있다"고 밝혔습니다. 또한 개발 기술은 로이유리의 열처리에 활용될 전망이라고 합니다. 

 

김대호 박사는 "로이유리 뿐만 아니라, 금속 나노박막을 사용하는 디스플레이, 반도체소자, 태양전지, MLCC 등의 열처리 공정에 활용될 수 있도록 필요한 기술들을 연구개발해 나갈 것"이라며 앞으로의 계획을 밝혔습니다. 

 

##참고자료##

 

 


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