기계공학부 박성훈 교수팀, ‘아이스포빅’ 코팅 기술 개발
금속 표면 얼음 부착력 99% 감소…코팅층은 단단히 부착
항공기·풍력발전기·냉동설비 등 ‘결빙 문제’ 해결에 활용

숭실대학교 연구진이 얼음은 쉽게 떨어지면서 코팅층은 표면에 단단히 부착되는 차세대 제빙 코팅 기술을 개발했다. 기존 제빙 코팅의 한계로 꼽혔던 접착력과 내구성을 높이고, 머리카락보다 수십 배 얇은 초박막에서도 성능을 유지해 항공기, 냉동설비 등 다양한 산업 설비의 결빙 문제를 해결하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

숭실대학교는 기계공학부 박성훈 교수 연구팀이 이 같은 특성을 갖춘 아이스포빅(Icephobic) 코팅 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

연구팀에 따르면 이번에 개발한 코팅은 일반 금속 표면과 비교해 얼음 부착력을 약 98.6% 낮췄다. 얼음을 제거하는 데 필요한 힘도 기존의 약 70분의 1 수준으로 줄여 중력이나 바람, 진동 등 작은 외력만으로 얼음이 떨어질 수 있도록 했다.

결빙은 겨울철 항공기와 극지 선박, 풍력발전기, 산업용 열교환기 등에서 장비 작동을 방해하고 안전사고와 에너지 손실을 일으키는 요인이다. 최근에는 자율주행차의 레이더·라이다 센서와 극지 감시장비 등 정밀 전자장치에서도 결빙에 따른 성능 저하가 문제로 떠오르고 있다.

산업 현장에서는 전기히터나 기계적 제빙 방식을 주로 활용하지만 에너지 소비와 유지관리 비용이 크다. 또 코팅층 자체의 접착력과 내구성이 부족하거나 두께가 얇아질수록 제빙 성능이 떨어져 실제 산업 현장에 적용하는 데 한계가 따랐다.

이 때문에 얼음이 표면에 달라붙는 힘을 낮춰 작은 외력으로 제거하는 아이스포빅 코팅이 대안으로 주목받는다.

연구팀은 분자 간 결합이 끊어졌다가 다시 형성되는 동적 결합 특성을 지닌 폴리보로실록산(Polyborosiloxane·PBS)을 활용해 문제를 해결했다. 실리콘계 고분자에 PBS의 가역적 결합 구조를 도입해 외력이 가해지면 분자 결합이 유연하게 재배열되면서 응력을 분산하도록 설계했다.

이를 통해 얼음은 쉽게 떨어지지만 코팅층은 바탕 소재에 강하게 부착되는 특성을 구현했다.

실험 결과, 이번에 개발한 코팅의 얼음 부착 강도는 약 6.4kPa(킬로파스칼)로 측정됐다. 일반 실리콘계 코팅보다 접착 강도도 약 9배 높았다.

반복적인 결빙·제빙과 마찰·마모, 접착테이프 박리, 환경 안정성 시험에서도 낮은 얼음 부착 강도를 유지했다.

활용 분야는 극지 선박과 항공기, 풍력발전기뿐만 아니라 냉동창고와 냉장·냉동 가전, 산업용 열교환기 등으로 다양하다. 전기히터나 기계적 제빙 장치에 대한 의존도를 낮춰 에너지 소비와 유지관리 비용을 줄일 수 있으며 자율주행차 센서와 CCTV 등 결빙에 민감한 정밀 장치에도 활용 가능하다.

스프레이와 딥 코팅 등 간단한 공정으로 제작할 수 있어 복잡한 형태의 부품이나 대면적 산업 설비에도 적용할 수 있다는 점도 특징이다.

박성훈 교수는 “이번 연구의 성과는 제빙 성능과 코팅의 접착력·내구성을 동시에 확보하고 기존 코팅의 두께에 따른 성능 저하 문제까지 해결했다는 점"이라며 “극지 선박과 항공기, 풍력발전기부터 냉동설비와 열교환기까지 적용 분야를 넓히고 산업 현장 실증과 기술 고도화를 통해 실용적인 제빙 기술로 발전시킬 계획"이라고 말했다.

이번 연구는 박성훈 교수가 교신저자, 남건우 연구원이 제1저자로 참여했으며 한국에너지기술평가원(KETEP)의 에너지정책 융합대학원 사업 지원을 받았다. 연구 결과는 세계적 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다.

백솔미 기자 bsm@ekn.kr