고체윤활제 이용, 오염물질은 튕겨내고 스크래치에도 자기세정 기능 유지

한국기계연구원(원장 박상진)이 나방눈의 구조와 벌레잡이통풀에서 아이디어를 얻어 오염물은 튕겨내면서 상처가 생기면 스스로 회복이 되는 ‘자기회복 가능한 자기세정 유리’를 개발했다.

한국기계연구원 나노융합장비연구부 임현의 부장 연구팀은 성균관대학교 이진기 교수 연구팀과 함께 나노유리 표면에 파라핀을 코팅해 오염물질을 튕겨내고, 빛 반사를 줄이며 열전달을 더디게 하는 태양전지용 커버 유리를 만들었다. 더불어 스크래치가 생겨도 태양열에 의하여 저절로 회복되는 다기능 나노 유리의 개발 연구성과는 ACS Nano 온라인에 발표됐다.

연구팀은 자기세정 표면을 만들기 위해 지금까지 주로 연구되었던 연잎을 닮은 초발수 표면 대신 미끄러운 표면을 이용하는 벌레잡이통풀의 표면에서 아이디어를 얻었다. 벌레잡이통풀의 표면은 다공성 구조에 기름이 칠해져 있어 미끄러워서 벌레가 들어가면 빠져나오지 못한다. 이런 특성을 모사하면 먼지나 오염물도 표면에 묻지 않고 미끄러지게 할 수 있다. 하지만 유체윤활제인 기름이 오염물질이나 빗물로 표면이 씻겨 내려간 이후에는 자기세정 기능이 유지되지 않는다는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위하여 유체윤활제 대신, 식물의 왁스층처럼 고체윤활제인 파라핀을 이용해 유리 표면을 코팅했다. 파라핀은 반투명하면서도 물과 반응하지 않으며 열전도율이 낮다. 또 녹는점도 46∼68℃ 수준으로 태양열에 의해 녹았다 굳기를 반복하기에 적합한 조건을 갖췄다. 연구팀은 이 특성을 반사방지 나노구조와 결합시켜 오염방지와 결로 방지, 자기회복이 가능한 기능을 극대화했다.

이번에 개발된 자기세정 유리는 세정과정에서 발수 코팅된 파라핀이 훼손되더라도 태양에 5분 정도만 노출되면 표면 온도가 올라가 파라핀이 녹았다가 다시 굳으면서 상처 난 부분까지 다시 함께 코팅되는 자기회복 기능도 가졌다.

뿐만 아니라 나노 구조물 사이의 공기층과 열전도율이 낮은 파라핀층 때문에 열전달이 어려워 추운 겨울철에도 유리 위에 얼음이 잘 생기지 않고, 얼음이 생기더라도 살짝 붙어있어 쉽게 제거할 수 있다.

나노융합장비연구부 임현의 부장은 “지금까지 자기세정 유리 기술 연구가 계속 이뤄졌지만, 그 기능을 오래 유지하는 안정성 확보가 관건이었다”며 “이번 연구 성과는 기존 초발수 표면이나 유체윤활제를 활용한 미끄럼 표면의 불안정성을 극복하기 위한 새로운 시도로, 향후 자기 세정이 가능한 태양전지 분야에 활용되어 먼지나 얼음으로 에너지 생성 효율이 떨어지는 문제 해결에 속도를 낼 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부의 ‘도심형 건물용 태양광 모듈 개발을 위한 자가 세정 기능의 고부가가치 컬러 유리 개발’ 과제와 환경부의 ‘생태모방 휴대용 물 수확기 개발 ‘하늘 우물 프로젝트’’의 지원을 받아 수행됐다.