[기계신문] KAIST 기계공학과 김형수 교수팀과 화학과 윤동기 교수팀이 공동융합연구를 통해 단순 증발만으로 금 나노막대 입자를 사분면으로 균일하게 패터닝할 수 있는 원천기술을 확보하고, 이를 이용해 결빙 방지 및 제빙 표면을 개발했다.
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 나노막대(GNR)는 생체 적합성, 화학적 안정성, 비교적 쉬운 합성, 표면 플라즈몬 공명이라는 안정적이면서도 독특한 특성으로 인해 유망한 나노물질 중 하나로 여겨지고 있다.
이때 금 나노막대의 성능을 극대화하려면 높은 수준의 증착 필름의 균일도와 금 나노막대의 정렬도를 획득하는 것이 매우 중요하며, 현재 이를 구현하는 것은 여전히 해결해야 할 큰 문제다.
이를 해결하기 위해 공동연구팀은 자연계에서 쉽게 추출이 가능한 차세대 기능성 나노물질인 셀룰로오스 나노크리스탈(CNC)를 활용했다.
셀룰로오스 나노크리스탈 사분면 템플릿에 금 나노막대를 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 커피링 필름과 비교해 향상된 플라즈모닉 광학·광열 성능을 보였으며, 이는 가시광선 파장 영역대의 빛 조사만으로 방빙·제빙 역할을 해낼 수 있음을 연구팀은 실험적으로 증명했다.
KAIST 기계공학과 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 가져다줄 수 있을 것으로 기대한다”고 언급했다.
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 설명했다.
한국연구재단의 개인기초 중견 연구와 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 2023년 12월 8일자 온라인판에 게재됐다.
또한, 연구의 우수성을 인정받아 국제저널 ‘재료과학과 화학(Materials Science and Chemistry)’과 ‘무기 물리화학(Inorganic and Physical Chemistry)’ 두 편집자 하이라이트(Editors’ Highlights) 페이지에 선정됐다.
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