NiTi 고체냉각 장치의 실제 구조와 제조공정, 기존 에어컨 대비 COP·가격·상용화 가능성
차세대 고체냉각(Solid-state cooling)은 앞으로 에어컨·냉장고·전기차 열관리에서 주목할 기술입니다. 특히 재료공학 관점에서는 상당히 흥미롭습니다.
핵심은 냉매가스를 압축·팽창시키는 대신, 고체 재료에 전기장·자기장·응력·압력을 가했을 때 발생하는 온도·엔트로피 변화를 이용해 열을 이동시키는
것입니다.
1. 기존 에어컨과 무엇이 다른가?
현재 에어컨은 기본적으로 다음과 같습니다.
압축기 → 냉매 압축 → 응축 → 팽창 → 증발 → 실내
열 흡수
즉, R32 같은 냉매를 계속 압축하고 팽창시키는 증기압축식 냉동사이클입니다. 고체냉각에서는 이 역할의 일부 또는 핵심을 기능성 고체재료의 상변태 또는 엔트로피 변화가 담당합니다.
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기술 |
외부 자극 |
대표 재료 |
특징 |
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열전냉각 |
전류 |
Bi₂Te₃계 |
이미 상용화 |
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탄성열량 냉각 |
인장·압축 |
NiTi 형상기억합금 |
매우 유망 |
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전기열량 냉각 |
전기장 |
강유전체·고분자 |
소형화 유리 |
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자기열량 냉각 |
자기장 |
Gd계 등 |
회전기계 감소 가능 |
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압력열량 냉각 |
정수압 |
형상기억·유기재료 등 |
연구단계 |
이 가운데 제가 특히 주목할 만하다고 보는 것은 탄성열량(Elastocaloric)
냉각입니다.
2. NiTi 합금으로 에어컨을 만든다
여기서부터는 야금학적으로 상당히 재미있습니다. Ni-Ti 형상기억합금에 응력을 가하면 결정구조가 변합니다. 오스테나이트와 마르텐사이트 가역적인변태를 이용합니다.
Austenite ⇄ Martensite
쉽게 설명하면,
① NiTi에 압축/인장
하중을 가한다 → 상변태 → 발열
② 발생한 열을 외부로 방출한다
③ 하중을 제거한다 → 역변태 → 재료 온도가 내려간다
④ 차가워진 NiTi가
실내의 열을 흡수한다
이 과정을 반복하면 하나의 고체 냉동 사이클이 됩니다. 즉, 냉매가스 대신 금속 자체의 상변태를 이용하여 열을 펌핑하는 것입니다.
3. 최근 연구 수준이 상당히 올라왔습니다
이 기술이 단순한 실험실 아이디어만은 아닙니다.
2025년 Nature에
발표된 연구에서는 얇은 관 형태의 NiTi를 압축하는 다중 셀 구조로 구성하여, 유체측 기준 1,284 W의 냉각능력을 시연했습니다. 연구진은 3.5 Hz 작동과 높은 표면적/체적비 등을 이용했습니다. (Nature)
1.284 kW까지 올라왔다는 점이 중요합니다.
아직 가정용 에어컨을 그대로 대체할 단계라는 의미는 아니지만, 고체냉각이
몇 W짜리 실험장치 수준을 넘어 kW급으로 스케일업될
가능성을 보여준 것입니다.
더 흥미로운 연구도 있습니다.
2024년 Nature
Energy 연구에서는 서로 다른 변태온도를 갖는 3종의 NiTi를 직렬로 배열하는
cascade 구조를 사용했습니다. 그 결과 작동 가능한 초탄성 온도범위를 100 K 이상으로 넓히고, 물 측정 기준 75 K의 temperature lift를 달성했습니다. (Nature)
최근에는 저온 영역까지 확장되고 있습니다. 저온 변태 NiTi와 염화칼슘 수용액 열전달유체를 이용한 장치에서는 실온 열싱크 조건에서 열원측 −12°C까지 구현한 연구도 보고됐습니다. (Nature)
4. 그렇다면 정말 '실외기 없는 에어컨'이 될까?
여기서 중요한 부분입니다.
고체냉각 = 실외기가 완전히 필요 없는 에어컨 이라고 이해하면 안 됩니다. 고체냉각에서도 에너지보존법칙은 동일합니다. 실내에서 가져온 열과 장치가 소비한 에너지는 결국 어딘가로 방출해야 합니다.
예를 들어,
실내 1,000 W 열 제거
↓
고체냉각장치
↓
1,000 W + 장치 소비전력
↓
건물 외부로 방열 해야 합니다. 따라서 미래의 고체냉각 에어컨도 외부 열교환기나 외부로 열을 이동시키는 장치는 필요합니다. 다만 현재처럼 큰 압축기와 냉매배관을 갖춘 전통적인 실외기 구조를 크게 바꿀 가능성이 있는 것입니다.
5. 전기열량(Electrocaloric) 냉각도 중요합니다
두 번째로 관심 있게 볼 분야입니다.
강유전체에 강한 전기장을 걸면 내부의 전기쌍극자 배열이 변화하면서 온도가 변합니다.
전기장 ON → 쌍극자 정렬
→ 온도 변화
전기장 OFF → 무질서화 →
반대 방향 온도 변화
이를 반복하여 냉각합니다.
장점은 기계적인 압축기가 필요하지 않을 가능성이 있다는 것입니다.
따라서 반도체나 전자장치처럼 매우 작은 공간의 냉각에 특히 유리합니다.
6. 자기열량(Magnetocaloric) 냉각
자성재료도 비슷합니다. 자기장을 걸면 자기모멘트가 정렬되고, 자기장을 제거하면 다시 무질서해지면서 열적 상태가 변합니다.
자기장 ON/OFF → 엔트로피 변화 → 온도 변화를 이용합니다.
다만 강한 자기장을 만들기 위한 자석 시스템, 재료비, 열교환 구조 등이 상용화의 과제입니다.
7. Peltier와는 무엇이 다른가?
Peltier 소자는 이미 고체냉각의 대표적인 상용 기술입니다.
전류를 흘리면
한쪽 면 → 차가워짐
반대쪽 면 → 뜨거워짐
현상이 나타납니다.
컴퓨터 CPU, 의료기기, 소형
냉장고, 차량용 냉온장고 등에 이미 사용되고 있습니다.
그러나 일반적인 대용량 에어컨을 대체하기에는 효율과 열유속 처리 능력에서 제약이 있습니다.
따라서 현재 연구의 관심이 열전소자에서 끝나는 것이 아니라 Elastocaloric·Electrocaloric·Magnetocaloric 등으로 확장되는 것입니다.
8. 야금학적으로 보면
NiTi가 특히 재미있습니다
NiTi는 단순한 냉각소재가 아니라 상변태를 이용하는 기능성
합금입니다.
Ni/Ti 조성비, 열처리, 석출물, 결정립 크기, 가공조직
등에 따라
Ms → Mf → As → Af
변태온도가 달라집니다.
따라서 앞으로는 단순히 'NiTi를 사용한다'가 아니라,
NiTi 합금설계 → 용해 → 열간/냉간가공 → 열처리 → 변태온도 제어 → 피로수명 → 열교환기
구조
가 하나의 기술 패키지가 됩니다.
실제로 현재 자동차용으로도 연구가 진행되고 있습니다. 독일 Fraunhofer IPM은 Volkswagen 등이 참여하는 SMArtCool 프로젝트(2024~2027)에서 형상기억합금을
이용한 이동형 elastocaloric 공조 시스템을 개발하고 있습니다. (Fraunhofer IPM)
9. 현재 가장 큰 난제
고체냉각이 기존 에어컨을 당장 대체하지 못하는 이유도 분명합니다.
가장 중요한 것은 재료의 반복 피로수명입니다.
가령 2 Hz만 되어도 하루 연속운전하면 약 17만 회의 하중 사이클이 발생합니다. 에어컨을 수년 사용하려면 엄청난
반복수명을 확보해야 합니다.
또한 NiTi 가격, 대량생산성, 열전달 속도, 구동장치 소비전력,
열교환기 설계, 시스템 COP, 소음 및 원가를
모두 해결해야 합니다.
그래서 논문에서 높은 ΔT가 나왔다고 곧바로 기존 에어컨보다 경제성이
높다고 판단해서는 안 됩니다.
10. 저는 이 기술을 '전기시대'의 중요한 소재기술로 분류할 수 있다고 봅니다
앞서 이야기한 전기시대와 연결하면 재미있는 산업구조가 나타납니다.
과거 냉방 : 전기 → 모터 → 압축기 → 냉매가스 → 냉각 에서,
미래 고체냉각 : 전기 → 전기장 / 자기장 / 기계적 응력→기능성 소재의 상변태·엔트로피 변화→냉각
으로 발전할 가능성이 있습니다.
즉 기계 중심의 냉동기술이 재료 중심의 냉동기술로 일부 이동하는 것입니다.
특히 야금 분야에서 본다면 NiTi 형상기억합금의 조성·열처리·상변태·피로특성을 냉동공학과 결합하는 새로운 시장이라는 점입니다.
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