열선, 스프레이 및 오일 주기적 도포, 기판 디자인 변경 등을 하지 않아도 햇빛만 있으면 얼지않는 필름을 국내 연구진이 개발했다.
한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 김형수 교수 연구팀과 화학과 윤동기 교수 연구팀은 단순증발만으로 금 나노막대 입자를 사분면으로 균일하게 패터닝할 수 있는 원천기술을 확보하고, 이 광열효과를 이용해 산업현장에 적용할 수 있는 방빙(防氷)·제빙 필름코팅 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.
최근 목표물 표면의 성질을 제어하는 다양한 코팅기술 연구가 많이 진행되고 있으며, 특히 기능성 나노 재료 패터닝을 통한 방식이 주목을 받고 있다.
이 가운데 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.
다만 금 나노 막대의 성능을 극대화하려면 높은 수준의 증착 필름의 균일도와 금 나노 막대의 정렬도를 획득하는 것이 매우 중요하며, 현재 이를 구현하는 것은 여전히 해결해야 할 큰 문제다.
공동연구팀은 이를 해결하기 위해 자연계에서 쉽게 추출이 가능한 차세대 기능성 나노물질인 셀룰로오스 나노크리스탈(CNC)을 활용했다. 셀룰로오스 나노크리스탈 사분면 템플릿에 금 나노 막대를 공동 자가 조립해 건조되면서 코팅 전체 면적에 환형으로 균일하게 정렬된 금 나노막대 필름을 개발하는 데 성공했다.
이번 연구에서 획득한 높은 균일도와 정렬도를 갖는 금 나노막대 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.
김형수 교수는 "이 기술은 플라스틱 및 유연 표면 위에도 제작이 가능해 이를 외장재 및 필름에 활용하면 자체적으로 열에너지를 발생시킬 수 있어, 겨울철에 큰 문제가 되는 자동차 성에, 항공기 제빙, 주거/상용 공간의 유리창 등 다양한 분야에서 자발적 열에너지 하베스팅 효과를 통해 에너지 절약 효과를 가져다 줄 수 있을 것"으로 기대했다.
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.
이번 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다. 또 연구 우수성을 인정받아 국제저널 '재료과학과 화학'(Materials Science and Chemistry), '무기 물리화학(Inorganic and Physical Chemistry)의 편집자 하이라이트(Editors’ Highlights) 페이지에 선정됐다.
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