혁신적인 상변화 코팅, 로켓·파이프·음료까지 열 흡수 활용

스핀오프(Spinoff)는 NASA의 연간 간행물로 성공적으로 상용화된 NASA 기술을 다룹니다. 이 상용화는 건강/의료, 소비재, 운송, 공공 안전, 컴퓨터 기술, 환경 자원 분야의 제품과 서비스 개발에 기여했습니다.

대부분 더운 날 얼음 든 음료를 즐기며 잔 안에서 일어나는 물리에 대해 생각하지 않습니다. 하지만 얼음이 음료에서 열을 흡수하며 녹는 상변화 반응은 강력한 것입니다. NASA가 이 같은 반응을 활용해 만든 코팅이 여객기에 적용되거나 얼음 없는 쿨러의 열쇠가 될 수 있습니다.

상변화 시 온도 일정 유지 원리

마셜 우주비행센터 재료 과학자 라지 콜(Raj Kaul)에 따르면, 상변화 시 온도는 정확히 전이점에서 일정하게 유지됩니다. "온도계를 얼음 블록에 얼려 가열하면 얼음이 완전히 녹을 때까지 온도는 32°F(0°C)에 머뭅니다. 얼음이 완전히 녹은 후에야 물 온도가 오르기 시작합니다."

NASA의 다양한 녹는점 상변화 물질 개발

물의 녹는/어는 점은 32°F지만 NASA는 다양한 녹는점을 가진 물질군을 개발했습니다. 초기 계획은 체열이 축적돼 더워질 수 있는 우주복 내부에 이 물질을 사용하는 것이었습니다. 그러나 2000년대 초 콜은 상변화 물질을 우주왕복선 외부에 사용하는 방법을 연구하기 시작했습니다. 고체 로켓 부스터는 MCC-1이라는 물질로 보호되었는데, 콜은 이를 "기본적으로 코르크와 에폭시 혼합물"이라고 설명했습니다. "코르크가 타면서 열을 제거합니다. 게다가 박리되는데, 층이 벗겨져 새 물질이 노출되고 다시 그 과정을 반복합니다."

박리되지 않으면서 안전한 온도 유지하는 보호 코팅 개발

코팅이 타서 벗겨지도록 설계됐기 때문에 공정 중 손상 위험이 남았습니다. 콜은 박리되지 않으면서 아래쪽 안전한 온도를 유지하는 보호 코팅 연구를 시작했습니다. NASA의 상변화 물질 연구를 이 새로운 맥락에서 활용했습니다. 페인트처럼 바를 수 있는 코팅에 물질을 통합했는데, 최상의 결과를 위해 상변화 물질과 코팅의 적절한 비율 결정이 필요했습니다.

마셜에서 상변화 코팅 특허를 라이선스받은 후 기업가 크리스 바일렉(Chris Bilec)은 프라임바일렉(PrimeBilec)을 설립하고 얼음 없는 쿨러 등 여러 제품을 개발 중입니다.

열 흡수 상변화 코팅의 작동 원리

콜은 "플라스틱에 캡슐화된 물질입니다. 열을 보면 고체-액체 상전이를 거치며 열을 흡수합니다. 결과적으로 열이 기판으로 전달되지 않고 모두 이 상변환 과정에 쓰입니다."라고 설명했습니다. 따라서 고체 로켓 부스터는 발사 시 극한 열에도 녹지 않습니다. 에폭시가 코팅을 자체와 로켓에 결합시키므로 상변화 물질이 녹아도 흘러내리지 않습니다. NASA 테스트 후 우주선 사용 승인을 받았지만, 당시 우주왕복선 프로그램이 중단되었습니다.

다양한 상용화 적용 사례: 항공기, 병원 열 트랩, 아이스리스 쿨러

NASA가 특허 라이선스를 광고하자 기업가이자 퇴역 군인 크리스 바일렉이 인수했습니다. 바일렉은 텍사스 오스틴 기반 프라임바일렉을 설립했고 마셜 기술이전 사무소에서 콜과 연결해 물질 관련 질문에 답을 얻었습니다. 콜은 코팅이 외부 주택 페인트나 지붕 코팅으로 잠재력이 있다며 "낮에는 열을 흡수하고 밤에는 열을 방출하며 사이클을 돌 것"이라고 제안했습니다.

바일렉은 제트 엔진 열 손상을 막기 위해 비행기 후미에 물질을 코팅했습니다. "항공 분야에서는 상변화 물질을 24°C(대략 실온)로 설정합니다. 항공사가 객실에서 유지하는 온도입니다. 이 온도를 사용하면 내부 온도를 올릴 열을 흡수합니다."

그는 퇴역군인 병원 열 트랩 제조사로부터 관심을 받았습니다. "병원 파이프에서 나오는 열을 모니터링합니다. 파이프가 너무 뜨거워지면 센서가 과열돼 타버립니다. 우리 제품은 열 트랩 수명을 연장시킵니다."

또 다른 아이디어는 '아이스리스 쿨러'와 점심용 소형 용기 제작입니다. 용기의 경우 식품 등급 폴리에스터에 상변화 물질을 임베디드해 코팅합니다. 이 코팅으로 용기 안 음식이나 맥주가 외부 온도에 따라 약 2~4시간 더 차갑게 유지됩니다.

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