[지금은 과학] 햇빛만 있으면 스스로 발열…결빙 방지 코팅 기술 나왔다

KAIST 김형수-윤동기 교수팀, 초 환형 금 나노로드 필름 패터닝 기술 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 열선이 없어도 햇빛만 있으면 유리창에 성에가 생기지 않게 할 수 있는 기술이 개발됐다.

김형수 KAIST 기계공학과 교수, 윤동기 화학과 교수 공동연구팀은 금 나노막대 입자을 담은 용액을 상온·상압에서 증발시키는 단순한 방법으로 광열효과가 있는 나노입자를 균일하게 코팅할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

열선을 설치하거나 결빙 방지용제를 주기적으로 뿌릴 필요없이 햇빛(가시광선)만 있으면 스스로 표면 결빙을 막을 수 있는 기술로, 유리창은 물론 다양한 산업현장에서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀이 개발한 방빙/제빙 필름 코팅 기술은 액체 방울이 기판 위에서 마를 때 일반적으로 발생하는 커피링 자국이 남지 않게 만든 것이 핵심이다. 자국이 생긴다는 것은 나노물질 간의 응집이 생긴다는 뜻인데, 액체의 불균일한 증발률 때문에 발생하는 이러한 응집 현상은 나노물질 특유의 성능을 저하시킨다.

KAIST 연구팀이 햇빛만으로 결빙 방지되는 필름을 개발했다. 사진은 제빙 테스트 시연 모습 [사진=KAIST]

최근 다양한 코팅 기법을 이용해 목표물 표면의 성질을 제어하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 특히, 기능성 나노 재료 패터닝을 통한 방식이 큰 주목을 받고 있는데 '금 나노 막대(GNR)'는 생체 적합성, 화학적 안정성, 비교적 쉬운 합성, 표면 플라즈몬 공명이라는 안정적이면서도 독특한 특성을 가져 유망한 나노물질 중 하나로 여겨진다. 하지만 금 나노 막대의 성능을 극대화하기 위해서는 매우 균일하게 정렬할 수 있어야 하는데 이전까지의 연구에서는 자국이 생기거나 정렬이 균일하지 않으며 수십 시간의 증발 공정이 필요해 실제 산업에 사용하기 불가능한 수준이었다.

연구팀은 대표적 기능성 나노 물질 중 하나인 금 나노막대 입자를 외부 에너지원 또는 화학적 첨가제 없이 상온 상압에서 액체방울 증발을 통해 균일하게 증착 및 정렬하는 방법을 연구했다. 금 나노막대 입자를 균일하게 증착하고 정렬시키는 유체역학적 메커니즘 연구에서부터 시작해 가시광선에 의해 발생하는 금 나노막대의 플라즈모닉 광열효과를 방빙·제빙에 활용하는 방법을 찾았다.

연구팀은 자연계에서 쉽게 추출이 가능한 차세대 기능성 나노 물질인 셀룰로오스 나노크리스탈(CNC)를 활용했다. 셀룰로오스 나노크리스탈을 금 나노막대 자가조립을 위한 템플릿으로 사용하는 방법으로, 균일하게 건조되면서 코팅 전체 면적에 자국을 전혀 남기지 않으면서 환형으로 완벽하게 배향된 금 나노막대 필름을 개발하는 데 성공했다.

균일 사분면 셀룰로오스 나노크리스탈 매트릭스 형성에 대한 유체역학적 원리 [사진=KAIST]

이번 연구에서 획득한 높은 균일도와 정렬도를 갖는 금 나노막대 필름은 기존 커피링 필름과 비교해 향상된 플라즈모닉 광학/광열 성능을 보였다. 연구팀은 가시광선 파장 영역대의 빛을 쬐는 것 만으로 방빙/제빙 역할을 해낼 수 있음을 실험적으로 증명했다.

김형수 교수는 “이 기술은 플라스틱이나 유연 표면 위에도 제작이 가능해 이를 외장재나 필름에 활용하면 자체적으로 열에너지를 발생시킬 수 있어, 겨울철에 큰 문제가 되는 자동차 성에, 항공기 제빙, 주거/상용 공간의 유리창 등 다양한 분야에서 자발적 열에너지 하베스팅 효과를 통해 에너지 절약 효과를 가져다 줄 수 있을 것"으로 기대했다.

윤동기 교수는 “필름화하기 힘들었던 나노셀룰로오스-금입자 복합체를 대면적에서 자유롭게 패터닝해 결빙 방지 소재로 사용할 수 있고, 금의 플라즈모닉 성질을 이용한다면 마치 유리를 장식하는 스테인드 글래스처럼 사용할 수 있다는 점에서 의미가 있다”고 언급했다.

(왼쪽부터) 김형수 KAIST 기계공학과 교수, 윤동기 화학과 교수, 편정수 박사과정, 코넬대학교 박순모 박사 [사진=KAIST]

이번 연구는 KAIST 기계공학과 편정수 박사과정, 박순모 박사(KAIST졸업, 現 코넬 대학교 박사 후 연구원)가 공동 제1 저자로 참여했으며, 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인 판에 2023년 12월 8일 게재됐다. (논문명 : Plasmonic Metasurfaces of Cellulose Nanocrystal Matrices with Quadrants of Aligned Gold Nanorods for Photothermal Anti-Icing, doi.org/10.1038/s41467-023-43511-9)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)