'전기 열량' 히트펌프로 에어컨을 혁신할 수 있다

'전기 열량' 히트펌프로 에어컨을 혁신할 수 있다.

-히트 펌프는 에어컨의 형태로 어디에나 있다-

-과학자들이 유해한 냉매 가스를 배출하지 않는 히트펌프를 발명했다-

과학자들은 전기장과 특수한 세라믹을 이용하여 냉매 가스를 사용하지 않고 공기를 냉각하거나 난방하는 새로운 종류의 히트 펌프를 개발했다. 이 기술은 환경에 해로운 냉매 가스의 사용을 줄일 수 있으며, 효율성과 신뢰성도 높다. -       히트 펌프는 에어컨이나 냉장고와 같은 기기에서 널리 사용되는 기술이다. 히트 펌프는 냉매 가스를 압축하고 증발시키는 과정을 반복하여 공기를 냉각하거나 난방한다. 하지만 냉매 가스는 온실가스로서 지구 온난화에 기여하고, 오존층을 파괴하는 물질이기도 하다. 따라서 냉매 가스를 사용하지 않는 히트 펌프를 개발하는 것은 환경 보호와 에너지 절약에 중요한 과제이다. -       룩셈부르크 과학기술연구소의 에마뉘엘 데파이 박사와 그의 동료들은 전기장에 반응하는 특수한 세라믹을 이용하여 냉매 가스를 사용하지 않는 히트 펌프의 프로토타입을 만들었다. 이 세라믹은 전기장에 노출되면 원자들의 전기 쌍극자가 정렬되면서 열을 발생시키는 전기열 효과(electrocaloric effect)를 보인다. 이 열을 유체를 통해 세라믹에서 빼내면, 세라믹은 다시 원래의 온도로 돌아간다. 그리고 전기장을 끄면, 전기 쌍극자가 무질서하게 되면서 열을 세라믹 밖으로 내보낸다. 이때 세라믹은 주변 온도보다 낮은 온도가 되어, 유체를 냉각할 수 있다. 이 과정을 반복하면, 히트 펌프의 기능을 수행할 수 있다. -       이 기술은 기존의 히트 펌프보다 효율성과 신뢰성이 높다. 냉매 가스를 사용하지 않기 때문에 환경에 해로운 배출물이 없으며, 기계적인 부품이 없기 때문에 소음이나 고장이 적다. 또한 전기장의 크기와 방향을 조절함으로써, 세라믹의 온도를 정밀하게 제어할 수 있다. 이 기술은 에어컨이나 냉장고뿐만 아니라, 전기차의 배터리 냉각이나 의료 기기의 온도 조절 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

전기장과 특수 세라믹을 이용한 새로운 종류의 열 펌프가 환경에 해로운 냉매 가스를 사용하지 않는 에어컨을 가능하게 할 수 있다는 연구가 발표되었다. 이 연구는 Science에 실린 논문에서 소개되었으며, 룩셈부르크 과학기술연구소의 재료과학자 Emmanuel Defay 와 그의 동료들이 수행하였다. 이들은 강한 전기칼로릭 효과를 가지는 세라믹을 사용하여, 냉매 액체를 증발시키고 압축기로 응축시키는 과정을 거치지 않고도 공기를 냉각하거나 난방할 수 있는 실험 장치를 만들었다.   이 연구는 기존의 기술들을 결합한 것이며, "뛰어난 성능"을 보였다고 영국 케임브리지 대학의 재료과학자 Neil Mathur 이 평가하였다. 그러나 이 연구가 실제로 상용화될 수 있는지는 아직 미지수이다. 이 연구는 전기칼로릭 효과를 이용한 열 펌프의 개념을 입증한 것일 뿐, 실제로 에어컨이나 냉장고에 적용하기 위해서는 많은 과제들을 해결해야 한다. 예를 들어, 세라믹 재료의 내구성, 전기장을 생성하는 방법, 열 펌프의 효율성과 안전성 등이다.   또한, 이 연구는 환경에 해로운 냉매 가스를 사용하지 않는다는 점에서 장점이 있지만, 전기열량 효과를 이용하기 위해서는 많은 전력이 필요하다. 이는 탄소 배출량을 증가시킬 수 있으며, 기후 변화에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이 연구는 기존의 열 펌프 기술을 대체할 수 있는 혁신적인 방법이라고 맹목적으로 칭찬하기보다는, 그 한계와 문제점을 인식하고 개선할 필요가 있다.

 

[본문]

새로운 종류의 히트 펌프가 개발된다면 에어컨과 냉장고에서 환경에 해로운 가스를 사용할 필요가 없어질 수 있다. 지난주 사이언스에 게재된 연구에 따르면 이 프로토타입은 냉매 유체를 기화시키고 압축기로 응축하여 공기를 따뜻하게 하거나 차갑게 하는 대신 전기장과 특수 세라믹을 사용한다.

 

영국 케임브리지 대학의 재료 과학자 닐 마투르는 이 기술은 기존의 여러 기술을 결합한 것으로 "최고의 성능"을 가지고 있다고 말했다.

 

벨보에 있는 룩셈부르크 과학기술연구소의 재료 과학자 엠마누엘 데페이와 그의 공동 연구진은 강력한 전기 열량 효과가 있는 세라믹으로 실험 장치를 만들었다. 이러한 효과를 나타내는 재료는 전기장에 노출되면 가열된다.

 

전기 열량 물질에서 원자는 전자 분포에 약간의 불균형인 전기 분극을 가지며, 이로 인해 원자는 '플러스'와 '마이너스' 극을 갖게 된다.

 

물질을 그대로 두면 이러한 원자의 분극은 계속해서 임의의 방향으로 회전한다. 그러나 물질이 전기장에 노출되면 모든 정전기 극이 갑자기 한 방향으로 빗어 넘긴 머리카락처럼 정렬된다. 무질서에서 질서로의 전환은 물리학자들이 무질서를 측정하는 방법인 전자의 엔트로피가 갑자기 떨어진다는 것을 의미한다고 데페이는 설명했다.

 

그러나 열역학 법칙에 따르면 시스템의 총 엔트로피는 절대 감소할 수 없으므로 어딘가에서 떨어지면 다른 어딘가에서 증가해야 한다. "물질이 이 여분의 혼란을 제거할 수 있는 유일한 가능성은 물질을 결정 구조의 격자에 붓는 것"이라고 그는 말했다. 이러한 추가 무질서는 원자 자체가 더 빨리 진동하기 시작하여 온도가 상승한다는 것을 의미한다.

 

 

그런 다음 연구진은 전기장을 유지하면서 전기 열량 물질의 슬래브 사이에 유체를 흐르게 하여 열을 제거한다. 그 결과 슬래브는 원래의 주변 온도로 돌아가지만 분극 엔트로피는 낮아진다. 그런 다음 전기장을 끄면 분극이 다시 혼란스러워지고 엔트로피가 세라믹의 원자 격자에서 쏟아져 나와 열을 빼앗아가는 역효과가 발생한다. 그 결과 격자가 주변 온도보다 차가워져 슬래브 사이에 펌핑된 유체를 냉각시킬 수 있다. 그러면 사이클이 다시 시작된다.

 

냉장고나 에어컨에서는 예열된 유체의 열이 환경에 분산되고, 냉각된 유체는 실내 또는 실내를 차갑게 유지하는 역할을 한다. 난방의 경우 히트 펌프는 외부 환경을 냉각시켜 열을 추출하여 건물 내부로 펌핑한다.

 

데페이는 이 기술이 아직 상용화될 단계는 아니지만, 추가 개선을 통해 기존 히트펌프와 경쟁할 수 있는 효율을 확보할 수 있을 것이라고 말했다. 컴프레서를 기반으로 하는 히트 펌프는 이미 매우 효율적이기 때문에 건물 난방에 사용할 경우 같은 양의 전기 소비량으로 공간 난방기보다 3배 이상 많은 열을 생산할 수 있기 때문에 이는 충족하기 어려운 기준이다. 그러나 표준 히트 펌프와 달리 전기 열량 히트 펌프는 잠재적으로 환경에 유해한 수소불화탄소나 암모니아와 같은 냉매가 필요하지 않다. 또한 컴프레서가 필요 없기 때문에 더 작고 간단한 장치에 장착할 수 있다고 데페이는 덧붙였다.