【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST(대구경북과학기술원·총장 이건우) 로봇및기계전자공학과 김봉훈 교수 연구팀이 KAIST, POSTECH, 경희대, 국립공주대 등과 공동으로 전기나 외부 동력 없이도 스스로 냉방과 난방을 전환할 수 있는 ‘3차원 스마트 건축물 에너지 절감 소자’를 개발했다.

▲ 연구진 및 Advanced Materials 표지  © DGIST

건축물의 에너지 소비는 전 세계 총 에너지 사용량의 약 30%를 차지하며, 이 중 70% 이상이 냉난방에 쓰인다. 이로 인한 온실가스 배출과 대기오염 문제가 심화되면서, 별도의 전력 공급 없이 효율적인 냉난방을 구현할 수 있는 기술의 필요성이 커지고 있다. 그러나 기존의 냉난방 겸용 소자는 외부 전력이 필요하거나 작동 조절이 제한적이라는 한계를 안고 있었다.

김 교수팀은 이런 문제를 해결하기 위해 “위도에 따라 처마 각도가 달라지는 전통 건축의 원리”에 착안했다. 태양빛의 각도 변화에 따라 스스로 열리고 닫히는 3차원 스마트 구조를 설계해, 냉방과 난방을 자동으로 전환할 수 있도록 한 것이다.

이 소자는 전기 대신 형상기억합금(Shape Memory Alloy)을 활용한다. 온도 변화에 반응해 구조가 자동으로 열리거나 닫히는 원리다. 구조가 닫히면 표면이 태양열을 반사하고 중적외선을 방출해 ‘냉방 모드’로 작동하고, 반대로 구조가 열리면 흑색 흡열면이 노출되어 ‘난방 모드’로 전환된다. 계절이나 외부 온도에 따라 스스로 열·닫힘을 반복하며 에너지 소비를 줄일 수 있다.

연구팀은 실제 외부 환경 실험을 통해 다양한 각도 조건에서도 안정적인 냉난방 조절이 가능함을 확인했다. 이를 통해 해당 기술이 건축물에 적용될 경우, 별도의 전력 소모 없이 에너지 절감이 가능한 실질적 대안이 될 것으로 기대된다.

김봉훈 교수는 “이번 연구는 동력 없이 스스로 작동하는 친환경 냉난방 시스템을 제시한 것으로, 차세대 에너지 절감형 건축 기술의 새로운 방향을 제안했다”며 “세계적 학술지 표지논문으로 선정된 만큼, 향후 실용화를 통해 산업 현장과 도시 건축물의 에너지 절감에 기여하겠다”고 말했다.

이번 연구는 DGIST 피지컬 AI(Physical AI) 센터와 한국연구재단 나노·소재 기술개발사업, 인류확장로보틱스(TransHuman Robotics) 글로컬랩, 글로벌 생체융합 인터페이싱 선도연구센터(ERC)의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 국제 저명 학술지 ‘Advanced Materials’에 표지논문으로 게재됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

Self-Controlling Heating and Cooling Without Electricity… DGIST Develops ‘3D Smart Building Device’

A research team led by Professor Bong-Hoon Kim of the Department of Robotics and Mechanical and Electronic Engineering at DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology, President Lee Kun-woo) in collaboration with KAIST, POSTECH, Kyung Hee University, and Kongju National University has developed a ‘3D smart building energy-saving device’ that can automatically switch between cooling and heating without electricity or external power.

Building energy consumption accounts for approximately 30% of total global energy use, with more than 70% of this going to heating and cooling. As greenhouse gas emissions and air pollution worsen, the need for technologies that can efficiently provide heating and cooling without a separate power supply is growing. However, existing devices for both heating and cooling have limitations, such as requiring external power or having limited operational control.

To address this issue, Professor Kim's team drew on the principle of traditional architecture, where the angle of the eaves varies depending on latitude. The device features a 3D smart structure that automatically opens and closes based on the changing angle of sunlight, enabling automatic switching between cooling and heating.

This device utilizes a shape memory alloy (SMA) instead of electricity. The structure automatically opens and closes in response to temperature changes. When the structure is closed, the surface reflects solar heat and emits mid-infrared rays, operating in "cooling mode." Conversely, when the structure is open, the black heat-absorbing surface is exposed, switching to "heating mode." This self-opening and closing cycle, depending on the season and external temperature, reduces energy consumption.

Through actual outdoor experiments, the research team confirmed that stable heating and cooling control is possible under various angles. This suggests that when applied to buildings, this technology could offer a practical solution for energy savings without additional power consumption.

Professor Kim Bong-hoon stated, "This study presents an eco-friendly heating and cooling system that operates independently, suggesting a new direction for next-generation energy-saving building technology." He added, "Having been selected as the cover paper for a world-renowned academic journal, we will contribute to energy savings in industrial sites and urban buildings through future commercialization."

This research was supported by the DGIST Physical AI Center, the National Research Foundation of Korea's Nano and Materials Technology Development Program, the TransHuman Robotics Glocal Lab, and the Global Bio-Convergence Interfacing Research Center (ERC).

The results of this research were published as the cover paper in the renowned international journal Advanced Materials.