카이스트, 햇빛만으로 '결빙 방지' 필름 개발​

(내외방송=정지원 기자) 열선, 스프레이 및 오일 주기적 도포 등 없이도 금나노입자의 광열 효과를 산업현장에 적용할 수 있는 방빙·제빙 필름 코팅 기술이 개발됐다. 

카이스트 기계공학과 김형수 교수 연구팀과 화학과 윤동기 교수 연구팀은 3일,  공동융합연구를 통해 단순 증발만으로 금 나노막대 입자를 이용해 결빙 방지 및 제빙 표면을 개발했다고 밝혔다. 

최근 다양한 코팅 기법을 이용해 목표물 표면의 성질을 제어하려는 연구가 많이 진행되고 있으며 특히, 기능성 나노 재료 패터닝을 통한 방식이 큰 주목을 받고 있다. 

이 중에서도 금 나노 막대(GNR)는 생체 적합성, 화확적 안정성, 비교적 쉬운 합성, 표면 플라즈몬 공명이라는 안정적이면서도 독특한 특성을 가지고 있어 유망한 나노물질 중 하나로 여겨지고 있다. 

이때, 금 나노 막대의 성능을 극대화하려면 높은 수준의 증착 필름의 균일도와 금 나노 막대의 정렬도를 획득하는 것이 매우 중요한데, 현재 이를 구현하는 것이 여전히 해결해야 하는 가장 큰 문제다.

이를 해결하기 위해 공동연구팀은 자연계에서 쉽게 추출이 가능한 차세대 기능성 나노 물질인 셀룰로오스 나노크리스탈을 활용했다. 그리고 셀룰로오스 나노크리스탈 사분면 템플릿에 금 나노 막대를 공동 자가 조립해 균일하게 건조되면서 코팅 전체 면적에 환형으로 균일하게 정렬된 금 나노박대 필름을 개발하는 데 성공했다. 

이번 연구에서 획득한 높은 균일도와 정렬도를 갖는 금 나노막대 필름은 기존  커피링 필름과 비교해 향상된 플라즈모닉 광학·광열 성능을 보였다. 이는 가시광선 파장 영역대의 빛 조사만으로 방빙·제빙 역할을 해낼 수 있는 것을 연구팀은 실험적으로 증명했다. 

카이스트 기계공학과 김형수 교수는 "이 기술은 플라스틱 및 유연 표면 위에도 제작이 가능해 이를 외장재 및 필름에 활용하면 자체적으로 열에너지를 발생시킬 수 있다. 겨울철에 큰 문제가 되는 자동차 성에나 항공기 제빙, 주거·상용공간의 유리창 등 다양한 분야에서 자발적 에너지 하베스팅 효과를 통해 에너지 절약 효과를 가져다 줄 수 있을 것으로 기대한다"고 언급했다. 

카이스트 화학과 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 말했다.  

해당 연구 결과는 기계공학과 편정수 박사과정, 박순모 박사(KAIST졸업, 現 코넬 대학교 박사 후 연구원)가 공동 제1 저자로 참여했고, 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 2023년 12월 8일자 온라인판에 게재됐다.