하이브리드 옥상 시스템으로 냉난방을 동시에 제공
- 기술 / 문광주 기자 / 2026-08-18 10:07:46
4분 읽기
- 하나의 시스템으로 냉방, 태양열 발전, 온수 공급의 세 가지 기능을 모두 구현
- 복사 냉각 시스템에 사용되는 재료는 8~13㎛ 파장으로 대기 투과창에서 적외선 방출
- 상단에 복사 냉각기, 그아래에 태양광 모듈이, 하단에는 태양열 에너지 집열기가 있다.
- 테스트 결과 이 시스템이 주변 온도보다 13.6도까지 냉각되는 것 확인
기후 변화와 폭염 증가로 인해 우리 지역에서도 냉방 기술의 필요성이 점점 더 커지고 있다. 하지만 기존 에어컨은 에너지 소비량이 매우 높고 도심의 온도를 더욱 높이는 문제점을 안고 있다. 지열 에너지나 지역 냉방 시스템은 환경친화적이지만, 설치가 복잡하고 모든 지역에 적용 가능한 것은 아니다.
에너지 낭비가 심한 에어컨 대신 패시브 복사 냉방 시스템 도입
새로운 대안이 있다. 연구진은 과잉 열을 적외선 복사 형태로 방출하여 건물을 패시브 냉방하는 초기 시스템을 개발했다. "이러한 복사 냉각 시스템에 사용되는 재료는 8~13마이크로미터 파장의 대기 투과창에서 적외선을 방출한다. 이 범위에서 지구 대기는 열복사에 대해 비교적 투과한다"고 칼스루에 공과대학(KIT)의 이반 알베르토 크루즈 가르시아(Ivan Alberto Cruz Garcia) 교수와 그의 동료들은 설명했다.
열은 자연적으로 우주로 방출되고, 냉각 시스템 표면은 냉각된다. 이렇게 냉각된 열은 시스템을 통과하는 공기를 냉각하여 건물 내부로 보내는 데 사용할 수 있다. 하지만 한 가지 문제점이 있다. 이러한 수동 냉각 시스템은 공간이 필요하다. 복사 표면적이 클수록 효율이 높아지기 때문이다. 또한 옥상, 특히 태양광 발전 및 태양열 시스템까지 설치해야 하는 경우 공간이 제한적인 경우가 많다.
세 가지 시스템을 하나로
크루즈 가르시아 교수와 그의 연구팀은 이러한 공간 문제를 해결하는 방법을 찾아냈다. 그들은 단일 표면에서 냉방, 전기, 열을 동시에 생성할 수 있는 복합 시스템을 개발했다. "우리는 복사 냉각 방식에 태양 에너지를 활용하는 요소를 추가해 단일 표면을 다기능 에너지 시스템으로 변환했다"고 KIT의 수석 저자인 간 황(Gan Huang)이 설명했다. 이 시스템은 상단에 복사 냉각기가 있고, 그 아래에 태양광 모듈이 있으며, 하단에는 태양열 에너지 집열기가 있다.
시스템의 최상단 구성 요소는 적외선 반사판으로 둘러싸인 평평한 챔버로, 그 안에 복사 냉각기가 들어 있다. 이 냉각기는 열전도성 고분자인 폴리디메틸실록산(Polymer Polydimethylsiloxan, PDMS)으로 코팅된 투명한 이산화규소판으로 구성된다. 건물에서 추출한 열이 이 판을 가열하면, 이 열을 적외선으로 방출한다. 연구팀은 테스트 결과 이 시스템이 주변 온도보다 13.6도까지 냉각되는 것을 확인했다고 보고했다.
냉각과 열을 동시에, 하지만 독립적으로
두 번째 구성 요소는 전기와 열을 생산하는 태양광 및 태양열 결합 모듈이다. 구리 블록은 집열기 역할을 하고, 그 위에 위치한 갈륨비소 태양전지는 태양광 모듈 역할을 한다. "고온 작동에 매우 적합하기 때문에 갈륨비소를 선택했다"고 연구진은 설명했다. 태양전지는 햇빛의 단파장 부분만 흡수하고, 장파장의 열복사는 구리 블록으로 전달된다.
하지만 문제는 태양열 집열기는 최대한 뜨거워져야 하지만, 상단의 복사 냉각기는 차갑게 유지되어야 한다는 것이다. "우리는 햇빛이 먼저 투명한 냉각층을 통과한 다음 그 아래에 있는 프레넬 렌즈에 도달하도록 함으로써 이 문제를 해결했다. 이 렌즈는 빛을 훨씬 작은 태양열 집열기에 집중시킨다"고 크루즈 가르시아는 설명한다. "이렇게 하면 뜨거운 태양열 집열기와 냉각층이 공간적으로 분리된다.“
실제 테스트 통과
2025년 4월, 연구진은 소형 프로토타입을 사용해 야외에서 냉방, 발전 및 난방 기능을 갖춘 3중 시스템의 효율성을 테스트했다. 그 결과, "일반적인 기상 조건에서 이 복합 시스템은 주변 온도보다 6.5도 낮은 온도로 냉방 효과를 내고, 제곱미터당 60.6와트의 전력 밀도로 태양 에너지를 생산하며, 집열기를 110.8도까지 가열한다"고 크루즈 가르시아와 그의 동료들은 보고했다.
"이번 결과는 냉방과 태양열을 동시에 사용하는 것이 실현 가능하고 효과적임을 보여준다"고 연구팀은 밝혔다. 가열된 건물 공기를 시스템의 냉방 부분에 통과시키면 냉방 에어컨처럼 작동한다. 태양열로 생산된 에너지는 건물의 전기 회로에 공급할 수 있으며, 태양열 집열기에서 발생한 열은 열교환기를 통해 온수 공급에 사용할 수 있다.
연구진은 이 삼중 복합 시스템을 밀폐된 공간에서 전기와 냉방을 동시에 생산해야 하는 모든 곳에 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 황 연구원은 "지붕과 건물 외벽이 전기, 열, 냉방을 동시에 제공하는 능동형 에너지 표면이 되는 것이 우리의 비전이다"고 말했다.
출처: Iván Alberto Cruz García (Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe) 외, Cell Reports Physical Science, 2026; doi: 10.1016/j.xcrp.2026.103492
- 하나의 시스템으로 냉방, 태양열 발전, 온수 공급의 세 가지 기능을 모두 구현
- 복사 냉각 시스템에 사용되는 재료는 8~13㎛ 파장으로 대기 투과창에서 적외선 방출
- 상단에 복사 냉각기, 그아래에 태양광 모듈이, 하단에는 태양열 에너지 집열기가 있다.
- 테스트 결과 이 시스템이 주변 온도보다 13.6도까지 냉각되는 것 확인
하이브리드 옥상 시스템으로 냉난방을 동시에 제공
하나의 시스템으로 냉방, 태양열 발전, 온수 공급의 세 가지 기능을 모두 구현하는 새로운 기술이 등장했다. 이 시스템은 에너지 효율이 높고 공간 활용도가 뛰어난 단일 구성 요소로 작동한다. 태양광 패널과 태양열 집열기를 복사열을 통해 대기 중으로 방출하는 패시브 냉방 시스템과 결합해 이러한 기능이 가능하게 했다. 따라서 옥상과 건물 외벽이 기후 조절과 전력 생산에 적극적으로 기여할 수 있다.
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| ▲ 이 새로운 복합 시스템은 냉방을 제공하는 동시에 태양열 발전과 온수 공급에 사용할 수 있는 태양열을 생산할 수 있다. 사진: © Cruz García et al./ Cell Reports Physical Science, CC-by 4.0 |
기후 변화와 폭염 증가로 인해 우리 지역에서도 냉방 기술의 필요성이 점점 더 커지고 있다. 하지만 기존 에어컨은 에너지 소비량이 매우 높고 도심의 온도를 더욱 높이는 문제점을 안고 있다. 지열 에너지나 지역 냉방 시스템은 환경친화적이지만, 설치가 복잡하고 모든 지역에 적용 가능한 것은 아니다.
에너지 낭비가 심한 에어컨 대신 패시브 복사 냉방 시스템 도입
새로운 대안이 있다. 연구진은 과잉 열을 적외선 복사 형태로 방출하여 건물을 패시브 냉방하는 초기 시스템을 개발했다. "이러한 복사 냉각 시스템에 사용되는 재료는 8~13마이크로미터 파장의 대기 투과창에서 적외선을 방출한다. 이 범위에서 지구 대기는 열복사에 대해 비교적 투과한다"고 칼스루에 공과대학(KIT)의 이반 알베르토 크루즈 가르시아(Ivan Alberto Cruz Garcia) 교수와 그의 동료들은 설명했다.
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| ▲ 연구개요도 (출처:August 13, 2026 / Open access / Co-harvesting universe coldness and solar energy for tri-generation of cooling, electricity, and heating / Cell Reports Physical Science) |
열은 자연적으로 우주로 방출되고, 냉각 시스템 표면은 냉각된다. 이렇게 냉각된 열은 시스템을 통과하는 공기를 냉각하여 건물 내부로 보내는 데 사용할 수 있다. 하지만 한 가지 문제점이 있다. 이러한 수동 냉각 시스템은 공간이 필요하다. 복사 표면적이 클수록 효율이 높아지기 때문이다. 또한 옥상, 특히 태양광 발전 및 태양열 시스템까지 설치해야 하는 경우 공간이 제한적인 경우가 많다.
세 가지 시스템을 하나로
크루즈 가르시아 교수와 그의 연구팀은 이러한 공간 문제를 해결하는 방법을 찾아냈다. 그들은 단일 표면에서 냉방, 전기, 열을 동시에 생성할 수 있는 복합 시스템을 개발했다. "우리는 복사 냉각 방식에 태양 에너지를 활용하는 요소를 추가해 단일 표면을 다기능 에너지 시스템으로 변환했다"고 KIT의 수석 저자인 간 황(Gan Huang)이 설명했다. 이 시스템은 상단에 복사 냉각기가 있고, 그 아래에 태양광 모듈이 있으며, 하단에는 태양열 에너지 집열기가 있다.
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| ▲ 삼중계 구조(왼쪽)와 각 구성 요소의 흡수 파장 범위. — © Cruz García et al./ Cell Reports Physical Science, CC-by 4.0 |
시스템의 최상단 구성 요소는 적외선 반사판으로 둘러싸인 평평한 챔버로, 그 안에 복사 냉각기가 들어 있다. 이 냉각기는 열전도성 고분자인 폴리디메틸실록산(Polymer Polydimethylsiloxan, PDMS)으로 코팅된 투명한 이산화규소판으로 구성된다. 건물에서 추출한 열이 이 판을 가열하면, 이 열을 적외선으로 방출한다. 연구팀은 테스트 결과 이 시스템이 주변 온도보다 13.6도까지 냉각되는 것을 확인했다고 보고했다.
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| ▲ 실제 시험 중인 하이브리드 복사 냉각 및 태양열 시스템 프로토타입. — © Gan Huang/ KIT |
냉각과 열을 동시에, 하지만 독립적으로
두 번째 구성 요소는 전기와 열을 생산하는 태양광 및 태양열 결합 모듈이다. 구리 블록은 집열기 역할을 하고, 그 위에 위치한 갈륨비소 태양전지는 태양광 모듈 역할을 한다. "고온 작동에 매우 적합하기 때문에 갈륨비소를 선택했다"고 연구진은 설명했다. 태양전지는 햇빛의 단파장 부분만 흡수하고, 장파장의 열복사는 구리 블록으로 전달된다.
하지만 문제는 태양열 집열기는 최대한 뜨거워져야 하지만, 상단의 복사 냉각기는 차갑게 유지되어야 한다는 것이다. "우리는 햇빛이 먼저 투명한 냉각층을 통과한 다음 그 아래에 있는 프레넬 렌즈에 도달하도록 함으로써 이 문제를 해결했다. 이 렌즈는 빛을 훨씬 작은 태양열 집열기에 집중시킨다"고 크루즈 가르시아는 설명한다. "이렇게 하면 뜨거운 태양열 집열기와 냉각층이 공간적으로 분리된다.“
실제 테스트 통과
2025년 4월, 연구진은 소형 프로토타입을 사용해 야외에서 냉방, 발전 및 난방 기능을 갖춘 3중 시스템의 효율성을 테스트했다. 그 결과, "일반적인 기상 조건에서 이 복합 시스템은 주변 온도보다 6.5도 낮은 온도로 냉방 효과를 내고, 제곱미터당 60.6와트의 전력 밀도로 태양 에너지를 생산하며, 집열기를 110.8도까지 가열한다"고 크루즈 가르시아와 그의 동료들은 보고했다.
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| ▲ (A) PDRCS 집열기의 개략도. 투명한 PDRC 방출기는 차가운 우주로 열을 방출하여 주변 온도보다 낮은 온도로 냉각한다. 방출기를 통과한 햇빛은 프레넬 렌즈에 의해 집광되어 전기와 열을 생산하는 태양광-열 모듈에 도달한다. 중적외선(MIR) 반사판은 지면에서 오는 복사열을 차단해 냉각 효과를 높이고, 복사열 차단막은 PDRC 방출기와 태양광-열 모듈 사이의 열 교환을 줄인다. 이러한 삼중 에너지 생산 전략은 우주의 차가운 에너지와 태양의 전체 스펙트럼을 동시에 최적으로 활용할 수 있도록 한다. (B) 스펙트럼 활용 비교. 독립형 태양광 발전 장치는 태양 스펙트럼(0.3~2.5μm)만 활용하고, 독립형 PDRC는 대기 투과창(8~13μm)만 활용한다. PDRCS는 두 스펙트럼 영역을 동시에 활용하도록 설계되었다. 투명한 PDRC 방출기는 우주의 차가운 에너지를 활용하여 냉각 효과를 제공한다. 광전지 셀은 단파장 태양 광자를 전기로 변환하는 반면, 전기 생산에 유용하지 않은 장파장 태양 광자는 광전지 셀의 과열을 유발하는 대신 열 생산에 사용된다. (C) PDRCS 구조의 분해된 3차원 모습. (출처:(출처:August 13, 2026 / Open access / Co-harvesting universe coldness and solar energy for tri-generation of cooling, electricity, and heating / Cell Reports Physical Science) |
"이번 결과는 냉방과 태양열을 동시에 사용하는 것이 실현 가능하고 효과적임을 보여준다"고 연구팀은 밝혔다. 가열된 건물 공기를 시스템의 냉방 부분에 통과시키면 냉방 에어컨처럼 작동한다. 태양열로 생산된 에너지는 건물의 전기 회로에 공급할 수 있으며, 태양열 집열기에서 발생한 열은 열교환기를 통해 온수 공급에 사용할 수 있다.
연구진은 이 삼중 복합 시스템을 밀폐된 공간에서 전기와 냉방을 동시에 생산해야 하는 모든 곳에 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 황 연구원은 "지붕과 건물 외벽이 전기, 열, 냉방을 동시에 제공하는 능동형 에너지 표면이 되는 것이 우리의 비전이다"고 말했다.
출처: Iván Alberto Cruz García (Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe) 외, Cell Reports Physical Science, 2026; doi: 10.1016/j.xcrp.2026.103492
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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