"수초 만에 30도 뚝" 中, 초고속 냉각 기술 개발…AI 데이터센터 판 바뀌나

중국의 과학기술이 글로벌 냉각 시장에서 새로운 강자로 부상할지 주목된다. [사진: Nature]

[디지털투데이 홍진주 기자] 중국과학원 금속연구소(IMR)를 비롯한 중국 연구진이 기존 냉매 기술의 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 냉각 원리를 발견했다. 연구팀은 물과 티오시안산암모늄(NH₄SCN) 수용액을 이용해 높은 효율과 친환경성을 동시에 갖춘 냉각 메커니즘을 구현했으며, 이를 '용해 바로칼로릭 효과'(Dissolution Barocaloric Effect)라고 명명했다.

2일(현지시간) 온라인 매체 기가진에 따르면, 이번 연구는 IMR, 베이징고압과학연구센터, 시안교통대학 공동 연구팀이 수행했으며, 연구 결과는 국제 학술지 '네이처'(Nature)에 게재됐다. 해당 원리는 압력을 가하거나 제거하는 과정에서 염의 용해·침전 반응을 활용해 대량의 열을 빠르게 흡수·방출하는 방식이다.

연구팀이 사용한 물질은 티오시안산암모늄 수용액이다. 용액에 압력을 가하면 염이 침전되며 열을 방출하고, 반대로 감압하면 염이 빠르게 용해되면서 주변의 열을 흡수한다. 이 과정에서 극히 짧은 시간 내에 큰 온도 변화가 발생한다는 점이 핵심이다.

상온 조건에서 진행된 실험에서 용액의 온도는 20초 만에 약 20~30도에 달하는 급격한 온도 저하가 확인됐으며, 더 높은 고온 환경에서는 최대 50도 이상까지 냉각 성능이 향상되는 것으로 나타났다. 이는 기존에 연구되던 고체 칼로릭 소재가 구현하던 온도 강하 폭을 크게 뛰어넘는 수준으로 평가된다.

연구진에 따르면 이 냉각 시스템은 ▲가압을 통한 가열 단계 ▲외부 방열 단계 ▲감압을 통한 냉각 단계 ▲냉각 용량 전달 단계로 구성된 4단계 순환 사이클로 작동하며, 한 사이클당 최대 67줄(J)의 열을 흡수할 수 있다. 이론적 에너지 효율은 약 77%에 달해, 기존 증기압축식 냉동 기술 대비 월등한 효율을 보인다.

현대 사회에서 냉동 기술이 필수적인 가운데, 현재 전 세계 냉동·냉각 기술은 19세기부터 사용돼 온 증기압축 냉동 방식에 크게 의존하고 있다. 이 방식은 냉매 가스를 압축·기화시키는 과정에서 막대한 전력을 소모하며, 온실가스 배출 문제도 동반한다. 중국의 경우 냉동 관련 산업이 국내총생산(GDP)의 약 2%를 차지하지만, 전체 전력 소비의 20%, 이산화탄소 배출의 7.8%를 차지할 정도로 부담이 크다.

고체상 전이 냉각 기술은 이러한 문제를 해결할 대안으로 주목받아 왔지만, 열전도 한계로 인해 대규모·고출력 응용에는 제약이 있었다. 연구진은 이번에 발견한 용해 바로칼로릭 효과가 저탄소 배출, 대용량 냉각, 높은 열교환 효율이라는 세 가지 과제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 중국 국가자연과학기금과 중국과학원 프론티어 과학 중점 연구 프로젝트의 지원을 받았으며, 일본의 방사광 가속기 시설인 SPring-8의 실험 지원도 활용됐다. 연구진은 향후 데이터센터 냉각, 인공지능(AI) 연산 장비, 산업용 냉동 시스템 등 다양한 분야로의 확장 가능성을 검토하고 있다.