KAIST, 나노 고분자 코팅 개발…열전달 효율 5.5배 개선

물방울의 생성·제거 각각 조절해
열전달 효율 높이는 새로운 방법 제시
발전소·담수화 설비·전자기기 냉각 등
산업현장에 적용해 비용 절감 기대

나노 고분자 코팅이 적용된 고효율 응축 구리관 개념도. 이미지 제공=KAIST

물방울이 더 잘 맺히고 빠르게 떨어지도록 해 열전달 성능을 최대 5.5배 높일 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다. 향후 발전소·담수화 설비의 에너지 효율과 전자기기 냉각 성능을 높이는 데 활용될 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST)은 남영석 기계공학과 교수와 임성갑 생명화학공학과 교수 공동연구팀이 얇은 고분자 코팅막을 활용해 수증기가 물로 변하는 ‘응축’ 과정의 열전달 성능을 높이는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

‘응축’은 산업 현장의 발전소와 담수화 설비, 전자기기 냉각 등에 활용된다. 이 과정에서 표면에 생긴 물이 얇은 물막을 형성하면 열이 빠져나가는 것을 막아 열전달 효율이 떨어진다. 반대로 물이 작은 물방울 형태로 맺혔다가(적상응축 현상) 빠르게 떨어지면 표면이 계속 새롭게 드러나 열을 효과적으로 전달할 수 있다.

하지만 기존에는 물방울이 많이 생기도록 물체의 표면을 거칠게 만들면 물방울이 잘 떨어지지 않고, 표면을 매끄럽게 만들면 물방울이 생길 자리가 줄어든다는 한계가 있었다.

연구팀은 기존에 고분자 코팅막의 ‘결함’으로 여겨졌던 나노 크기 알갱이(응집체)를 활용해 이러한 딜레마를 해결했다. 고분자막이란 플라스틱과 비슷한 성질의 고분자 물질을 표면에 매우 얇게 입힌 코팅막이다.

연구팀이 고분자막을 얇게 만들어 나노 크기 알갱이가 물방울이 맺히는 ‘씨앗’ 역할을 하도록 한 결과 두꺼운 막보다 물방울이 약 3배 많이 생성됐다. 여기에 열처리를 적용해 물방울이 표면에 달라붙는 힘도 줄여 쉽게 떨어지도록 했다.

실제 응축기에 사용되는 구리관에 이 고분자막을 적용한 결과 응축 열전달계수는 최대 약 88kW·m⁻²·K⁻¹를 기록했다. 일반 구리 표면보다 열전달 성능이 최대 약 5.5배, 기존 발수 코팅 표면보다 50% 이상 높아진 것이다.

남영석(왼쪽부터) 기계공학과 교수, 김준수 연구원, 임성갑 생명화학공학과 교수, 강민정 연구원. 사진제공=KAIST

이번 기술은 물방울이 많이 생기도록 하면서 동시에 빠르게 제거해 응축 과정의 열전달 효율을 높인 것이 특징이다. 향후 이 기술을 발전소·산업용 열교환기에 적용하면 열을 더 효과적으로 전달하며, 담수화·수분 포집 장치에서는 물을 더 효과적으로 모으고, 전자기기에서는 열을 빠르게 빼내 냉각 성능을 높이는 데 활용될 것으로 기대된다.

남 교수는 “이번 연구는 기존에 결함으로 여겨졌던 나노 구조를 물방울이 잘 생기도록 돕는 요소로 활용했다는 데 의미가 있다”며 “복잡한 모양의 표면에도 매우 얇고 균일하게 코팅할 수 있어 산업용 열교환기를 비롯한 다양한 에너지·환경 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 전했다.

한편 이번 연구 결과는 우수한 성과를 인정 받아 지난달 16일 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 온라인 게재됐다.

장형임 기자 jang@sedaily.com