자동차 유리에 낀 서리, 열 없이 완벽 제거…어떻게?

美 버지니아 공과대 연구진, '정전식 제빙' 기술 개발

열을 이용하지 않고 겨울철 자동차 유리에 쌓이는 서리를 쉽게 제거할 수 있는 신기술이 개발됐다고 과학전문매체 인터레스팅엔지니어링이 11일(현지시간) 보도했다.

이 기술은 미국 버지니아 공과대학 연구진이 개발한 ‘정전식 제빙(Electrostatic Defrosting, EDF)’으로, 얼음이 지닌 고유한 전기적 특성을 활용해 서리나 얼음을 제거하는 에너지 효율적이고 친환경적인 방식이다.

열이나 화학용품 사용하지 않고 손쉽게 서리를 없앨 수 있는 기술이 개발됐다. (사진=픽사베이)

열을 이용하거나 화학 약품에 의존하는 기존 방식보다 훨씬 적은 에너지를 사용한다는 점에서 주목 받고 있다. 해당 연구 결과는 11일 국제 학술지 ‘스몰메소즈(Small Methods)’에 실렸다.

겨울철 서리는 자동차, 비행기 등 각종 장비에 결빙 문제를 일으키는 주범이다. 일반적으로 서리제거에는 열선이나 히터를 이용한 가열 방식이 많이 사용되나 에너지 소비가 많고 효율이 낮다. 또, 화학 용액을 사용하는 방법은 비용이 높고 환경에도 악영향을 미친다.

해당 논문 책임 연구자인 조나단 보레이코 부교수는 “열이나 화학물질에 의존하지 않고, 얼음 자체의 물리적 특성을 이용해 얼음과 싸운다”는 새로운 접근법을 제안했다.

EDF 기술의 핵심은 결빙층이 형성되는 과정에서 자연적으로 형성되는 미세한 전하 불균형 ‘이온 결함(ionic defects)’을 제어하는 것이다. 이 결함은 물 분자들이 규칙적인 얼음 격자를 만들 때 수소 이온이 하나 더 추가되거나 누락돼 발생하는 불균형으로, 서리 속에 국소적인 양전하 또는 음전하 영역을 형성한다.

새로운 기술은 서리 위 전극에 전압을 가한다. 연구진은 전극에 양전압을 가하면 서리 내부의 음전하 이온 결함이 전극 쪽으로 끌려 올라가고 반대로 양천하 결함은 아래로 이동한다고 가정했다. 이렇게 형성된 강하게 분극된 서리층은 전극을 향해 강한 인력을 받게 되며, 이 힘이 커지면 서리 결정이 부서지고 표면에서 튀어나오는 현상이 발생한다.

조나단 보레이코 부교수가 이끄는 연구진은 서리층에 전압을 가해 이를 없애는 기술을 개발했다. (사진=미국 버지니아 공대)

초기 실험 결과, 단순히 구리판에 얼음을 올려놓기만 해도 얼음 자체에 있는 분극으로 서리의 15%가 제거됐다. 여기에 120V 전압을 가하자 제거율이 40%, 550V로 높이면 50%까지 제거됐다.

하지만 여기서 전압을 더 높이자 오히려 서리 제거율이 감소하는 현상이 일어났다. 그 이유는 전압이 높아지면 서리 속 전하가 구리 기판으로 빠져나가거나 누설되는 ‘전하 누출’ 때문이다.

이를 해결하기 위해 연구진은 공기를 가두는 고절연 특성의 초소수성(superhydrophobic) 표면을 도입했다. 이 기판을 적용한 결과, 시스템 효율이 향상되어 전압이 높을수록 서리 제거율이 증가해 최대 75%의 서리를 제거하는 데 성공했다.

해당 프로젝트 수석 연구원 벤카타 야샤스비 롤라는 "초소수성 표면을 사용하자 정전식 제빙효과가 아주 강력했다"고 밝혔다.

EDF 기술의 잠재적 적용 분야는 자동차 앞 유리, 항공기 날개 뿐 아니라 산업용 냉장 장치와 주거용 히트 펌프까지 다양할 것으로 보인다. 아직 연구는 아직 초기 단계이나 연구진은 다양한 표면에서 100% 얼음 제거를 달성하는 것이 목표라고 밝혔다.