KAIST “햇빛만 닿아도 결빙 예방 ‘필름’ 개발”

햇빛만으로도 결빙을 예방할 수 있는 필름이 국내에서 개발됐다. 이 기술은 열선, 스프레이 및 오일 주기적 도포, 기판 디자인 변경 등을 하지 않아도 금 나노입자의 광열 효과를 산업현장에 적용해 방빙·제빙(필름 코팅) 기능을 할 수 있게 한다.

KAIST는 기계공학과 김형수 교수 연구팀과 화학과 윤동기 교수 연구팀이 공동융합연구를 진행해 단순 증발만으로 금 나노막대 입자를 사분면으로 균일하게 패터닝 할 수 있는 원천기술을 확보해 결빙 방지 및 제빙 표면을 개발했다고 3일 밝혔다.

(왼쪽부터)김형수 KAIST 기계공학과 교수, 윤동기 화학과 교수, 편정수 박사과정, 박순모 코넬대 박사. KAIST 제공

최근 다양한 코팅 기법으로 목표물 표면의 성질을 제어하는 연구가 활발하다. 특히 기능성 나노 재료 패터닝은 같은 분야에서 주목받고 있다.

이중에서도 금 나노 막대(GNR)는 생체 적합성, 화학적 안정성, 비교적 쉬운 합성, 표면 플라즈몬 공명 등 안정적이면서도 독특한 특성을 강점으로 유망한 나노 물질 중 하나로 꼽힌다.

이때 금 나노 막대의 성능을 극대화하려면 높은 수준의 증착 필름의 균일도와 금 나노 막대의 정렬도를 획득하는 것이 중요하고, 그간 이를 구현하기 위한 노력이 지속돼 왔다.

공동연구팀은 자연계에서 쉽게 추출이 가능한 차세대 기능성 나노 물질인 셀룰로오스 나노크리스탈(CNC)를 활용해 이 같은 문제를 해결했다.

셀룰로오스 나노크리스탈 사분면 템플릿에 금 나노 막대를 공동 자가 조립해 균일하게 건조하면서, 코팅 전체 면적에 환형으로 균일하게 정렬된 금 나노막대 필름을 개발하는 데 성공한 것이다.

이번 연구에서 획득한 높은 균일도와 정렬도를 갖는 금 나노막대 필름은 기존 커피링 필름과 비교해 향상된 플라즈모닉 광학·광열 성능을 보인다. 이는 가시광선 파장 영역대의 빛 조사만으로 방빙·제빙 역할을 해낼 수 있음을 연구팀이 실험적으로 증명한 결과물이다.

김형수 KAIST 기계공학과 교수는 “공동연구팀이 개발한 기술은 플라스틱과 유연 표면 위에도 제작이 가능해 이를 외장재 및 필름에 활용할 때 자체적으로 열에너지를 발생시킬 수 있다”며 “이를 통해 겨울철 문제가 되는 자동차 성에, 항공기 제빙, 주거/상용 공간의 유리창 등에서 자발적 열에너지 하베스팅 효과를 발생시켜 에너지 절약 효과를 가져다줄 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

윤동기 KAIST 화학과 교수는 “그간 필름화 하기 어려웠던 나노셀룰로오스-금입자 복합체를 대면적에서 자유롭게 패터닝해 결빙 소재로 사용할 수 있고, 금의 플라즈모닉 성질을 이용한다면 마치 유리를 장식하는 스테인드 글래스처럼 사용할 수 있게 된다는 점에서 이번 연구에 의미가 있다”고 강조했다.

공동연구팀의 연구에는 KAIST 기계공학과 편정수 박사과정, 박순모 박사(KAIST 졸업, 現 코넬대 박사 후 연구원)가 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 지난해 12월 8일자 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판에도 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr