금 나노입자의 광열 효과를 산업현장에 적용할 수 있는 방빙 및 제빙 필름 코팅기술이 개발됐다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 김형수 기계공학과 교수팀(유체 및 계면 연구실)과 윤동기 화학과 교수팀(연성 물질 나노조립 연구실)이 단순 증발만으로 금 나노막대(GNR) 입자를 사분면으로 균일 패터닝 할 수 있는 원천 기술을 확보하고, 이를 이용해 결빙 방지 및 제빙 표면을 개발했다고 3일 밝혔다.
유망 나노물질인 GNR는 높은 수준의 증착 필름 균일도, 정렬도를 통해 광열 효과를 극대화할 수 있는데 이것이 쉽지 않다.
용액에 나노물질을 분산시켜 도포한 뒤 증발시키는 방법이 쓰이고 있는데, 증발이 불균일해 성능에도 영향을 끼친다.
연구팀은 자연계에서 쉽게 추출 가능한 셀룰로오스 나노크리스탈(CNC)을 활용해 문제를 해결했다. CNC 사분면 템플릿에 금 나노 막대를 공동 자가 조립했다.
그 결과 코팅 전체 면적에 동그란 환형으로 균일하게 정렬된 금 나노막대 필름을 개발하는 데 성공했다.
이렇게 높은 균일도·정렬도를 갖게된 GNR 필름은 향상된 플라즈모닉 광학·광열 성능을 보였으며, 가시광선 파장 영역대 빛 조사만으로 방빙·제빙 역할을 해낼 수 있었다.
김형수 교수는 “이 기술은 플라스틱 및 유연 표면 위에도 제작 가능해 이를 외장재 및 필름에 활용하면 자체적으로 열에너지를 발생시킬 수 있다”며 “자동차 성에, 항공기 제빙, 주거·상용 공간 유리창 등 다양한 분야에서 자발적 열에너지 하베스팅 효과를 통해 에너지 절약 효과를 가져다 줄 수 있을 것”이라고 언급했다.
윤동기 교수는 “필름화하기 힘들었던 나노셀룰로오스-금입자 복합체를 대면적에서 자유롭게 패터닝해 결빙 소재로 사용할 수 있고, 금의 플라즈모닉 성질을 이용한다면 마치 유리를 장식하는 스테인드 글래스처럼 사용할 수 있다는 점에서 의미가 있다”고 언급했다.
KAIST 기계공학과의 편정수 박사과정, 박순모 박사(KAIST졸업, 현 코넬대 박사 후 연구원)가 공동 제1 저자로 참여한 이 연구 성과는 네이처 커뮤니케이션즈 2023년 12월 8일 자 온라인판에 게재됐다.
연구 우수성을 인정받아 국제 저널 '재료과학과 화학' '무기 물리화학'의 편집자 하이라이트(Editors' Highlights)페이지에 선정됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
