사진. 한국연구재단

한국연구재단은 국내 연구진이 개발한 수직 방향의 열복사를 억제하면서 수평 방향의 열복사를 강화하는 마이크로 광학구조 개발에 성공하였다. 이 기술을 스마트폰 등 인체 가까이에서 사용하는 전자기기에 적용하면 이용자의 열적 쾌적성(Thermal Comfort)을 높일 것으로 예상되고 있다. 

기술 개요
모든 사물은 표면에서 열복사를 전방향으로 방출한다. 따라서 복사광의 방향성 제어는 열역학 분야의 난제 중의 하나로 인식되고 있다. 이 연구에서는 복사광을 특정 방향으로 방출하는 구조 설계에 관해 고민했다. 만약 복사광이 전면으로 방출하지 않고 측면으로만 방출하는 구조를 제작한다면, 열영상 카메라를 통해 이러한 구조를 관측했을 때 카메라의 촬영 각도에 따라 구조가 나타나거나 사라지거나 하는 신기한 현상이 일어날 수 있다. 

열복사는 전도, 대류와 함께 주요 열전달 경로 중의 하나이다. 우리는 일상생활에서 주위 물체에서 방출하는 열복사의 영향(흡수)을 받으면서 살아가고 있다. 예를 들어, 스마트폰을 이용할 때 스마트폰의 화면에서 방출하는 복사광이 사용자의 안면에 흡수된다. 이는 사용자의 열적 쾌적성을 해칠 수 있다. 복사광이 측면으로 방출되는 구조의 도입은 근접 거리에서 전자기기를 이용하는 사용자가 열적 쾌적성을 유지할 수 있도록 도울 수 있다. 

연구내용
이 연구는 측면 방향으로 열복사를 방출하는 구조를 설계·제작하고, 이를 평가하는 결과를 담고 있다. 연구진은 대표적인 산화물인 실리카와 알루미나 껍질층으로 덮인, 지름 10 마이크론, 높이 5마이크론의 속이 비어있는 마이크로 광학구조를 제작했다. 

실리카와 알루미나 껍질층의 두께가 100㎚ 정도의 값을 가질 때, 수직 방향의 복사광은 현격히 줄어들면서 측면 방향의 복사광이 증대되는 현상을 관측했다. 

열복사의 방향성 제어와 관련된 물리를 심도 있게 이해하기 위해 에너지-운동량 분산을 측정했고, 이를 통해 복사광의 측면 방사가 실리카와 알루미나 물질의 포논-폴라리톤 현상과 연관됐음을 밝혔다. 즉, 전면 열복사는 억제되면서 측면 열복사가 강하게 관측되는 파장 영역이 코팅 산화물로 사용한 실리카와 알루미나의 분자 진동의 파장 영역과 일치했다. 또한, 제작한 마이크로 광학구조가 분자 진동에 의한 열복사의 방향성 효과를 증폭했다. 

연구의 실용적 가치를 입증하기 위해 열적 쾌적성을 평가하는 실험과 열복사 위장 실험을 수행했다. 열적 쾌적성 평가 실험에서는 안면을 모사하는 형상 앞에 기존 흑체와 실험에서 제작한 구조가 각각 놓여 있을 때, 안면 형상의 표면 온도를 측정했다. 실험 결과에 따르면, 실험에서 제작한 구조가 안면 형상의 표면 온도를 3도 이상 떨어뜨렸다. 열복사 위장 실험에서는 열영상 카메라를 수직 각도부터 회전하면서 실험에서 제작한 구조를 촬영했. 실험 결과에 따르면, 카메라가 수직 방향으로 촬영할 때는 어떠한 이미지도 나타나지 않다가 회전 각도가 60도 이상이 되면 형상의 이미지가 뚜렷하게 나타났다. 설계된 마이크로 광학구조가 측면 방향으로 열복사 에너지를 방출하므로 시야각에 의존하는 새로운 개념의 ‘열복사 위장 기술’이 실현됐다.

기대 성과
전자회로 및 전원 모듈 등은 태양광이 조사되는 야외 환경에서의 열적 안정성이 특별히 요구된다. 예를 들어, 전자회로 및 전원 모듈 등이 태양광에 장시간 노출되면 이에 따라 부품 온도가 상승하는 난제가 등장한다. 따라서 태양전지와 같은 야외에서 동작하는 광전자 소자 역시 표면 온도가 증가하면 효율이 급격하게 저하되므로 태양광 노출에 따른 동작온도 상승을 억제하는 냉각 설계가 중요하다.

사물인터넷 기반 초연결 미래 사회를 위한 전자회로 및 전원 모듈 등은 태양광이 조사되는 야외 환경에서의 열적 안정성이 특별히 요구됨. 예를 들어, 전자회로 및 전원 모듈 등이 태양광에 장시간 노출되면 이에 따라 부품 온도가 상승하는 난제가 등장함. 따라서 태양전지와 같은 야외에서 동작하는 광전자 소자 역시 표면 온도가 증가하면 효율이 급격하게 저하되므로 태양광 노출에 따른 동작온도 상승을 억제하는 냉각 설계가 중요하다. 

연구에서 밝힌 바와 같이 어떤 구조의 열복사가 전면 방출하지 않고 측면으로만 방출한다면, 열영상 카메라를 통해 이러한 구조를 관측하였을 때 카메라 각도에 따라 구조가 나타나거나 사라지거나 하는 새로운 형태의 적외선 위장 기술이 될 수 있다. 또한, 복사광이 측면으로 방출되는 구조를 스마트폰과 같은 전자기기에 도입하면, 근접 거리에서 전자기기를 이용하는 사용자가 열적 쾌적성을 유지할 수 있을 것으로 기대되고 있다.