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‘겨울왕국’ 얼음여왕 엘사의 비밀

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‘겨울왕국’ 얼음여왕 엘사의 비밀

2014.01.29 18:00

 

디즈니 애니메이션 '겨울왕국'의 한 장면. 주인공 엘사는 순식간에 얼음을 만들 수 있는 '냉각' 마법을 부릴 수 있다.

  개봉 13일 만에 350만 관객을 동원하며 흥행돌풍을 일으키고 있는 디즈니 애니메이션 ‘겨울왕국’.

 

   주인공 엘사는 주변 물체를 마음대로 얼려버릴 수 있는 ‘냉각’ 능력을 갖고 있다. 그러나 엘사는 동생 안나의 머리에 실수로 마법을 쏘아버리고, 소중한 사람을 다치게 했다는 자책감에 자신의 능력을 감춘 채 좁은 방 안으로 숨어든다.

 

  그렇다면 엘사처럼 순간 냉동이 현실에서도 가능할까.

 

  바로 ‘냉매’를 이용하면 된다. 냉매는 저온의 물체에서 열을 빼앗아 고온의 물체에 열을 움직여 주는 매개체로, 1900년대 초 처음 냉매가 나왔을 때는 주로 물리학 실험이나 가전·전자 제품의 과열을 막기 위한 용도로 쓰였으나 100년이 지난 지금은 친환경·고효율 전력시스템용 초전도체를 만드는 등 다양한 분야에서 쓰이고 있다.

 

  냉매로 쓰이는 물질은 ‘프레온’ ‘탄화수소’ ‘암모니아’ 등 다양한데, 이 중 엘사처럼 물체를 순식간에 얼릴정도의 극저온까지 온도를 끌어내리는 냉매로는 ‘액체질소’가 있다.

 

  투명하고 유동성이 좋은 액체질소의 끓는점은 약 영하196도. 공기 중에 질소가 70% 이상 존재하고, 액체헬륨 같은 다른 냉매보다 ‘기화열’이 크기 때문에 경제적이고 냉각능력도 좋다. 액체질소는 얼리려는 물체의 열을 빼앗아 기체가 되는데, 이 때 물체로부터 많은 열을 빼앗아도 기체로 상태가 쉽게 변하지 않는다는 얘기다.

 

초전도체를 구현하려면
초전도체를 구현하려면 '극저온' 상태를 유지하는 것이 중요한데, 여기에는 냉매인 '액체질소', 발전된 형태인 '고체질소'나 '하이브리드 냉매' 형태가 쓰인다 - 위키미디어 제공

  하지만 액체질소가 기화열이 크다고 해도 기화로 사라지는 것은 막을 수 없기 때문에 계속 냉각을 하며 액체상태를 유지해야 한다는 한계가 있다. 이를 개선해 1990년대 후반 ‘고체질소’가 등장했는데, 고체는 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량인 ‘열용량’이 액체보다 크다는 특징이 있다. 결국 고체질소는 기체로 잘 변하지 않아 별도의 냉각 없이도 주변의 극저온을 유지할 수 있다.

 

  최근에는 ‘하이브리드’ 형태의 냉매도 등장했다. 고체질소가 냉각하려는 물체와 완전히 접촉하는 것이 아니라, 사이에 약간의 공간이 생겨 물체의 열을 빼앗는 데 효율이 떨어진다는 문제를 개선한 냉매다.

 

  고려대학교 신소재공학부 이해근 교수는 고체질소와 액체네온을 섞어서 ‘슬러시’와 같은 상태를 만들어 두 상태의 특성을 융합했다. 그 결과 하이브리드 냉매 냉각시스템은 고체냉매에 비해 더 안정적으로 초전도체의 온도를 효과적으로 유지하는 것을 확인했다.

 

  이 교수는 “최근 풍력발전기 온도 낮추는 데 하이브리드 냉매 냉각시스템을 적용하는 연구 중”이라며 “액체질소는 특정온도에서만 사용할 수 있다는 한계가 있었으나 하이브리드 냉매는 사용자가 원하는 온도를 설정할 수 있고 복사·대류·전도열을 계산하고 고체 냉매의 열용량을 계산해 원하는 온도에 도달하는 데 걸리는 시간도 조절할 수 있다”라고 말했다.

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