김형수·윤동기 교수팀, 초 환형 금 나노로드 필름 패터닝 기술 개발
복잡한 공정 해소하고 광대역 빛 조사만으로 방빙·제빙 구현 가능
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▲KAIST 기계공학과 김형수 교수(왼쪽부터), 화학과 윤동기 교수, 편정수 박사과정, 코넬대학교 박순모 박사 |
[에너지경제신문 김철훈 기자] 열선, 스프레이 또는 오일의 주기적 도포 등 없이도 금 나노입자의 광열 효과로 방빙·제빙이 가능한 필름 코팅 기술이 개발됐다.
KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 김형수 교수 연구팀(유체 및 계면 연구실)과 화학과 윤동기 교수 연구팀(연성 물질 나노조립 연구실)의 공동융합연구를 통해 금 나노막대 입자를 균일하게 패터닝 할 수 있는 원천 기술을 확보하고 이를 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, 화학적 안정성, 비교적 쉬운 합성, 표면 플라즈몬 공명이라는 안정적이면서도 독특한 특성으로 인해 유망한 나노물질 중 하나로 여겨지고 있다.
그러나 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.
KAIST 공동연구팀은 이를 해결하고자 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 나노막대 필름을 개발하는 데 성공했다.
이번 연구에서 획득한 높은 균일도와 정렬도를 갖는 금 나노막대 필름은 기존 필름과 비교해 향상된 플라즈모닉 광학·광열 성능을 보였으며, 이는 가시광선 파장 영역대의 빛 조사만으로 방빙·제빙 역할을 해낼 수 있음을 증명했다.
김형수 교수는 "이 기술은 플라스틱 및 유연 표면 위에도 제작이 가능해 외장재 및 필름에 활용하면 자체적으로 열에너지를 발생시킬 수 있어 겨울철에 큰 문제가 되는 자동차 성에, 항공기 제빙, 주거·상용 공간의 유리창 등 다양한 분야에서 에너지 절약 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
윤동기 교수는 "필름화하기 힘들었던 나노셀룰로오스-금입자 복합체를 넓은 면적에서 자유롭게 패터닝해 결빙 소재로 사용할 수 있다"며 "금의 플라즈모닉 성질을 이용한다면 마치 유리를 장식하는 스테인드 글래스처럼 사용할 수 있다는 점에서 의미가 있다"고 말했다.
이 연구 결과는 KAIST 기계공학과 편정수 박사과정, 박순모 박사(KAIST 졸업, 현 코넬대학교 박사 후 연구원)가 공동 제1저자로 참여했으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 2023년 12월 8일자 온라인판에 게재됐다.
또한 연구의 우수성을 인정받아 국제 저널 ‘재료과학과 화학’과 ‘무기 물리화학’에 각각 편집자 하이라이트 페이지에 선정됐다.
이번 연구는 한국연구재단의 개인기초 중견 연구와 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터의 지원을 받아 수행됐다.
kch0054@ekn.kr
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