도쿄 대학와 아이신 공동연구팀은 압력 인가에 의한 단열 냉각 및 단열 가열 온도가 세계 최고 수준인 고체냉매 개발에 성공했다고 최근 밝혔다.

현재, 발전소에서 발전되는 전력의 20%는 에어컨이나 냉장고 등의 냉각에 사용되고 있다. 대부분의 냉각 기술은 가스 냉매의 팽창압축을 이용하고 있지만, 가스 냉매는 지구온난화의 원인이 되는 등 환경에 악영향을 줄 수 있는 것이 알려져 있다.

그런 이유에서 지속가능한 개발 목표 SDGs나 그린 트랜스포메이션(GX)의 관점에서 대체 재료로서 열량 효과를 나타내는 고체 냉매, 그중에서도, 압력을 인가하거나 개방함으로써 열량 효과를 발휘하는 압력 열량(Barocaloric) 효과 재료가 주목받고 있다.

공동연구팀은 새로운 무기 고체 냉매인 루비듐 시아노 가교 망간-철-코발트 무기화합물(RbMnFeCo Prussian blue)이 압력을 인가하거나 개방함으로써, 온도가 상승 및 하강하는 효과(바로칼로릭 효과)를 나타내고, 340MPa에서 74K(57℃에서 -17℃), 560MPa에서 85K(88℃에서 3℃)라고 하는 큰 가역적 단열 온도 변화(|∆Tad, rev|)를 나타내는 것을 발견했다.

고체상-고체상 전이냉매의 열량효과 중에서 이 |∆Tad, rev|값은 세계 최대. 가역냉매용량(RCrev)은 26000Jkg-1, 온도창(Tspan, rev)은 142K였다. 이 물질은 저압에서도 바로칼로릭 효과를 나타내고, 예를 들어 90MPa에서도 |∆Tad, rev|=21K라는 값을 나타낸다. 게다가 열전대를 이용한 실측 장치를 이용해, 압력 인가하는 것으로 +44K라고 하는 큰 온도 변화를 관측했다.

이 방법은 냉각과 가열은 1스텝으로 큰 온도차를 발생시킬 수 있어 냉매를 단계적으로 조합한 복잡한 시스템을 필요로 하는 캐스케이드법 등을 이용할 필요가 없다. 구체적으로 예를 들면 100℃에서 25℃로 순간 냉각이나 25℃에서 -50℃로의 순간 동결을 실현할 수 있다.

RbMnFeCo Prussian blue는 대량 생산을 위한 재료비용도 합리적이다. 새로운 응용 예로서는 압전기판에 이 재료를 붙임으로써, 콤팩트한 고체 냉매를 실현할 수 있으며 디바이스의 과열을 방지할 가능성도 있다고 한다.

공동연구팀 관계자는 “이 연구는 Barocaloric 효과 재료의 분야에 있어서 새로운 가능성을 여는 것이며, 새로운 고체 냉매 개발에 공헌할 수 있다”고 말했다.