KAIST 기계공학과의 김형수(왼쪽) 교수와 편정수 박사과정생이 관련 실험을 진행하고 있다. [KAIST 제공]

산업 현장에서 열선, 스프레이·오일 주기적 도포, 기판 디자인 변경 등이 없이도 결빙을 방지하는 신개념 필름 코팅 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

KAIST(카이스트)는 김형수 기계공학과 교수와 윤동기 화학과 교수 공동 연구팀이 단순 증발만으로 금 나노 막대 입자를 사분면으로 균일하게 패터닝할 수 있는 원천 기술을 확보하고, 이를 이용해 결빙 방지·제빙 표면을 개발했다고 3일 밝혔다.

최근 다양한 코팅 기법을 이용해 목표물 표면의 성질을 제어하려는 연구가 많이 진행되고 있는데 기능성 나노 재료 패터닝을 통한 방식이 큰 주목을 받고 있다. 이 중에서도 금 나노 막대(GNR)는 생체 적합성·화학적 안정성·비교적 쉬운 합성·표면 플라즈몬 공명이라는 안정적이면서도 독특한 특성으로 인해 유망한 나노물질 중 하나로 여겨지고 있다. 이때 금 나노 막대의 성능을 극대화하려면 높은 수준의 증착 필름의 균일도와 금 나노 막대의 정렬도를 획득하는 것이 매우 중요하다. 현재 이를 구현하는 것은 여전히 해결해야 할 큰 문제다.

KAIST 연구팀이 개발한 결빙 방지 필름 테스트 결과 [KAIST 제공]

연구팀은 자연계에서 쉽게 추출이 가능한 차세대 기능성 나노 물질인 셀룰로오스 나노크리스탈(CNC)를 활용했다. 셀룰로오스 나노크리스탈 사분면 템플릿에 금 나노 막대를 공동 자가 조립해 균일하게 건조되면서 코팅 전체 면적에 환형으로 균일하게 정렬된 금 나노 막대 필름을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구에서 획득한 높은 균일도와 정렬도를 갖는 금 나노 막대 필름은 기존 커피링 필름과 비교해 향상된 플라즈모닉 광학·광열 성능을 보였으며, 이는 가시광선 파장 영역대의 빛 조사만으로 방빙·제빙 역할을 해낼 수 있음을 연구팀은 실험적으로 증명했다.

김 교수는 “이 기술은 플라스틱과 유연 표면 위에도 제작이 가능해 이를 외장재·필름에 활용하면 자체적으로 열에너지를 발생시킬 수 있다”고 말했다.

이어 “겨울에 큰 문제가 되는 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 기대했다.

이번 연구 결과는 지난해 12월 8일자 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판에 게재됐다. 구본혁 기자