햇빛만 쬐면 성에 안 끼는 나노 필름 개발

KAIST, 나노 용액 균일 증착 및 나노 입자 정렬 기술 확보

금 나노 용액을 균일하게 증발시켜 간편하게 결빙 방지 필름 등 기능성 제품을 만드는 기술이 개발됐다.

KAIST(총장 이광형)는 증발 현상만 활용해 금 나노막대 입자를 사분면으로 균일하게 패터닝하는 기술을 확보했다고 3일 밝혔다. 이 기술로 결빙 방지 및 제빙 표면도 개발했다.

최근 기능성 나노 재료를 표면에 코팅해 성질을 제어하는 연구가 활발하다. 특히 금 나노 막대는 생체에 해롭지 않고 안정적이며, 합성이 쉽다는 장점 등으로 주목받는다.

하지만 필름 표면에 나노 용액을 균일하게 증착하고, 금 나노 막대를 잘 정렬하게 하는 것이 과제였다. 나노 용액을 코팅한 후 증발시킬 때, 마치 커피 흘린 자국처럼 가장자리 부분이 진하게 나타나는 커피링 현상이 나타나며 나노 물질 응집 현상을 일으켜 성능을 떨어뜨린다.

균일 사분면 셀룰로오스 나노크리스탈 매트릭스 형성에 대한 유체역학적 원리 (자료=KAIST)

KAIST 기계공학과 김형수 교수와 화학과 윤동기 교수 공동 연구팀은 자연계에서 쉽게 추출 가능한 기능성 나노 물질인 셀룰로오스 나노크리스탈(CNC)을 활용했다.

접촉선을 향해 진행되는 커피링 유동과 반대 현상인 증발 액체방울의 자가-디웨팅 현상을 제어, 두 유체역학 현상의 균형을 이루게 했다. 이를 통해 CNC 입자를 사분면 형태로 정렬시킨 채 균일하게 증착시켰다. 이렇게 제작된 CNC 매트릭스를 템플릿으로 써 금 나노막대를 공동 자가조립했다. 이런 과정을 거쳐 용액이 균일하게 건조되면서 코팅면에 커피링 얼룩 없이 금 나노 막대가 환형으로 골고루 정렬된 필름을 제작했다.

이 필름은 가시광선 수준의 빛만 쬐어도 영하 10도 표면 위에서 방빙 및 제빙 성능을 보이는 등 향상된 광학·광열 성능을 보였다.

김형수 교수는 "이 기술을 외장재 및 필름에 활용하면 자동차 성에, 항공기 제빙, 주거·상용 공간 유리창 등 다양한 분야에서 열에너지 하베스팅 효과를 통한 에너지 절약 효과를 가져다 줄 것"이라고 기대했다. 윤동기 교수는 "필름화하기 힘들었던 나노셀룰로오스-금입자 복합체를 대면적에서 자유롭게 패터닝해 결빙 소재로 사용할 수 있고, 금의 플라즈모닉 성질을 이용한다면 유리를 장식하는 스테인드 글래스처럼 사용할 수 있다"라고 말했다.

이 연구는 한국연구재단 개인기초 중견 연구와 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터 지원을 받아 수행됐으며 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 최근 게재됐다. 논문 제목은 Plasmonic Metasurfaces of Cellulose Nanocrystal Matrices with Quadrants of Aligned Gold Nanorods for Photothermal Anti-Icing 이다.