전기·냉각수 없이 18.2도 낮췄다…전자기기 식히는 필름 개발[과학을읽다]

DGIST, 공기 중 수분 흡수했다 열나면 증발시키는 수동 냉각 소재
12시간 이상 냉각 효과…AI 데이터센터·전기차 배터리 등 활용 기대

전기나 냉각수를 공급하지 않고 공기 중 수분만으로 전자기기의 열을 식히는 필름 소재가 개발됐다. 공기 중 수분을 머금었다가 전자기기에서 열이 발생하면 이를 증발시키는 방식으로, 실험에서는 기기 표면 온도를 최대 18.2도 낮췄다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 김성균 화학물리학과 교수 연구팀이 외부 에너지를 사용하지 않고 전자기기의 열을 낮출 수 있는 수동 냉각(Passive Cooling) 필름 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

김성균 DGIST 화학물리학과 교수 연구팀이 개발한 필름. 연구팀 제공

인공지능(AI) 데이터센터가 늘면서 서버에서 발생하는 열을 식히는 데 필요한 전력과 냉각수 사용량도 증가하고 있다. 모바일 기기나 전기차 배터리처럼 공간이 제한된 전자기기에서도 효율적인 열관리가 중요하다. 팬이나 펌프 등을 이용하는 기존 능동 냉각 방식은 전력과 냉매가 필요하고 장치가 복잡하다는 한계가 있다.

연구팀은 별도의 에너지 공급 없이 공기 중 수분을 활용하는 증발 냉각 방식에 주목했다. 기존 흡습성 소재는 대부분 딱딱한 결정성 고체여서 전자기기 표면에 밀착시키기 어렵고 부식을 일으킬 가능성이 있다는 문제가 있었다.

수분 흡착 기반 증발 냉각 소재 작동 원리. 연구팀 제공

공기 중 수분 저장했다 열나면 증발

연구팀은 수분 저장 능력이 높은 '나노셀룰로오스'와 흡습성이 강한 유기 이온성 분자를 결합해 유연성과 접착성을 갖춘 필름 형태의 소재를 만들었다.

개발된 필름은 완전히 건조된 상태에서도 접착력과 유연성을 유지해 금속과 반도체, 유리 등 다양한 표면에 밀착할 수 있다. 평소에는 공기 중 수분을 흡수해 저장하고 있다가 전자기기가 작동하면서 열이 발생하면 저장된 수분을 증발시킨다. 이 과정에서 열을 빼앗아 기기 표면의 온도를 낮춘다.

수분을 흡수한 상태에서도 금속 등을 부식시키지 않아 별도의 코팅 처리 없이 전자기기 표면에 직접 부착할 수 있다는 점도 특징이다.

김성균 DGIST 화학물리학과 교수(왼쪽 두 번째) 연구팀. DGIST 제공

연구팀이 전자기기를 연속 작동시키며 성능을 시험한 결과 필름은 12시간 이상 냉각 효과를 유지했다. 기기 표면 온도는 최고 72.3도에서 54.1도로 18.2도 낮아졌다.

김 교수는 "기존 수동 냉각 소재들이 가진 부식성과 유연성·접착성 부족 등의 한계를 한꺼번에 극복할 수 있는 방향을 제시했다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구는 김현도 DGIST 화학물리학과 박사과정생이 주도했으며, 연구 결과는 국제학술지 '스몰 스트럭처스(Small Structures)' 9월호에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr