'빛만 있으면 유리창 성에 제거' KAIST 결빙 방지 필름 개발

금 나노막대 균일 패터닝 원천기술 확보
햇빛으로 구동하는 방빙 제빙 필름 가능

금 나노막대 필름의 광학적 열적 성능평가 결과 및 방빙 제빙용 플라즈모닉 히터 시연. KAIST

금 나노막대(GNR)는 다양한 광학적, 전자기적 특성을 갖는데, 특히 빛을 받으면 열을 발생하는 성질이 있다.

이 열을 이용하면 겨울철 자동차 성에나 항공기 표면 결빙 현상을 해결할 수 있고, 바이오 분야에서는 이 열로 암세포를 죽이는 등 응용분야가 넓다.

이 때 만족할 열 효과를 얻으려면 금 표면에 나노입자를 고르게 도포해야 하는데, 이 때 나타나는 ‘커피링’ 때문에 나노 입자가 불균일하게 응집되며 성능을 떨어뜨리는 것이 문제다.

커피링은 입자가 섞인 액체방울이 마를 때 증발율과 표면장력 때문에 가장자리로 입자가 쏠리는 현상이다.

때문에 금 나노막대의 성능을 극대화하려면 증착필름의 균일도와 정렬도를 획득하는 것이 매우 중요하다.

KAIST는 기계공학과 김형수 교수팀과 화학과 윤동기 교수팀이 공동융합연구를 통해 단순 증발만으로 금 나노막대 입자를 사분면으로 균일하게 패터닝 할 수 있는 원천기술을 확보했다고 3일 밝혔다.

공동연구팀은 자연계에서 쉽게 추출할 수 있는 차세대 기능성 나노물질 ‘셀룰로오스 나노크리스탈(CNC)’을 활용, 균일하게 건조되면서 코팅면 전체가 환형으로 균일하게 정렬된 금 나노막대 필름을 개발했다.

균일 사분면 셀룰로오스 나노크리스탈 매트릭스 형성의 유체역학적 원리. KAIST

공동연구팀이 만든 금 나노막대 필름은 높은 균일도와 정렬도를 가지며 기존 커피링 필름과 비교해 향상된 플라즈모닉 광학·광열 성능을 갖춘 것으로 나타났다.

이는 기존 필름화하기 힘들었던 나노셀룰로오스-금입자 복합체를 대면적에서 자유롭게 패터닝 해 결빙 소재로 사용할 수 있을 뿐 아니라 금의 플라즈모닉(금속 내 자유전자가 집단으로 진동하는 입자) 성질을 이용하면 유리를 장식하는 스테인드 글래스처럼 사용할 수 있다.

또 공동연구팀은 이를 이용해 가시광선 영역 빛 조사만으로 방빙 또는 제빙 역할이 가능함을 실험적으로 증명했다.

KAIST 기계공학과 화학과 공동연구팀이 개발한 금 나노막대 물질이 얼음을 녹이는 모습. KAIST

김 교수는 “이 기술은 플라스틱이나 유연표면 위에도 제작이 가능하고 외장재 또는 필름에 활용하면 자체적으로 열에너지를 발생시킬 수 있다”며 “이를 생활에 적용할 경우 겨울철 문제가 되는 자동차 성에, 항공기 제빙,  주거 또는 상용 공간 유리창 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다”고 설명했다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com