AI 데이터센터 전력 먹는 하마 ‘성에’ 잡는다…고려대, 얼지 않는 냉각 장치 표면 소재 개발

△ 쌍성이온 고분자-실리카 복합 코팅소재에 의한 수화층 분율 제어 모식도 및 열교환 효율 향상 개념도

냉각 장치는 에어컨이나 냉장고와 같은 가전제품뿐만 아니라 최근 인공지능 기술의 급속한 발전으로 수요가 폭증하고 있는 데이터센터 열관리 시스템의 핵심 장비다. 고려대학교(총장 김동원) 신소재공학부 서지훈 교수 연구팀이 영하의 저온다습한 환경에서도 냉각 장치에 성에가 생기지 않는 ‘유무기 복합 코팅 소재’를 개발했다. 

냉각 장치 내에 있는 열 교환기의 표면온도가 대기 노점(이슬점)보다 낮아지면 결로와 얼음(성에)이 발생하는데, 이는 냉각 장치의 효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 제거(제상)하는 과정에서 전체 전력의 20% 이상을 소모하는 원인이 된다. 따라서 열 교환기에서의 얼음 형성을 방지해 냉각 효율을 극대화하는 기술은 에너지 절약의 필수 과제로 꼽힌다. 

기존에는 얼음 형성 방지를 위해 물방울을 튕겨내는 ‘발수코팅’, 형성된 얼음이 접착하지 못하게 하는 ‘저표면에너지코팅’ 등을 연구해 왔다. 하지만 이 기술들은 다습한 상황에 저온의 열 교환기 표면이 장시간 노출될 경우, 오히려 얼음이 빠르고 두껍게 형성되는 한계가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 열 교환기 소재 표면에 닿는 물 분자의 구조적 특성을 활용했다. 물 분자와 소재 표면의 거리에 따라 직접적으로 접촉하는 ‘결합수층’, 근접하여 약한 상호작용을 하는 ‘중간수층’, 멀리 떨어져 상호작용이 없는 ‘자유수층’으로 수화층이 나뉜다. 이때 자유수는 0℃에서 얼지만, 결합수와 중간수는 소재 표면과의 상호작용으로 인해 영하 20~30℃의 저온에서도 얼지 않는 특성을 지닌다.

*수화층: 소재의 표면이 물 분자와 접촉할 때, 표면 친화성에 의해 형성되는 물 분자 층

하나의 분자 안에 양이온과 음이온을 동시에 가지고 있는 ‘쌍성이온 고분자’를 열 교환기 표면에 얇게 코팅할 경우, 영하에서도 얼지 않는 수화층(결합수·중간수)이 다른 소재에 비해 매우 두껍게 형성된다. 연구팀은 이에 착안해 실리카 나노입자와 쌍성이온 고분자를 최적의 비율로 섞어, 0℃에서 얼어버리는 자유수의 비율을 최소로 줄이고 중간수의 비율을 극대화한 유무기 복합 코팅 소재를 개발했다.

개발된 유무기 복합 코팅 소재는 다습한 조건(상대습도 80%)과 저온(영하 10℃)의 열 교환기 소재 표면 온도에서도 얼음 생성을 효과적으로 억제했으며, 약 95% 이상의 우수한 효율을 보였다. 

서지훈 교수는 “이번 연구는 열 관리 시스템이 필요한 다양한 산업 분야에서 얼음 형성을 방지할 수 있는 소재 설계 개념을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “특히 소재 표면에 자연적으로 형성되는 수화층의 구조를 조절함으로써 얼음 형성을 방지할 수 있음을 신뢰성 있게 검증했다는 점에서 학술적으로도 중요한 성과”라고 밝혔다. 

본 연구 성과는 복합소재 분야 저명 국제 학술지인 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials(IF=21.8)’ 온라인에 6월 4일 최종 게재됐다.

*논문명: Regulating hydration states in zwitterionic composite hydrogel coatings to suppress icing/frosting for enhanced thermal efficiency in heat exchangers

*DOI: 10.1007/s42114-026-01785-9

*URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-026-01785-9

이번 연구는 한국연구재단 중견연구 지원사업 및 BK21 사업의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△(왼쪽부터) 고려대 신소재공학부 이은지 박사과정(제1저자), 신소재공학부 서지훈 교수(교신저자)