햇빛으로 물 끓인다… 고효율 메타필름 개발

머니투데이

최광 기자

김경식 연세대학교 교수

국내 연구진이 태양 빛을 대부분 흡수해 나노 크기 수준으로 모아주는 '플라즈모닉 블랙 골드 메타 필름'을 개발했다.

연세대학교 김경식 교수 연구팀은 '플라즈모닉 블랙 골드 메타 필름'을 개발, 별도의 집광 과정 없이 순식간에 증기를 발생시키는 데 성공했다고 29일 밝혔다.

플라즈모닉 블랙 골드 메타 필름은 광대역 태양 빛을 흡수하는 검은 색을 띄는 금-산화 알루미늄 나노 구조체 필름이다.

연세대학교 김경식 교수 연구팀은 필름 개발을 금속-유전체 나노 구조를 통한 태양광 증기 생성 효율 향상 연구를 미래창조과학부가 지원하는 기초연구사업(중견연구자지원사업)을 통해 수행했으며, 연구결과는 자연과학 분야 전문 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 12월 14일자에 게재됐다.

연구팀은 알루미늄 기판 위에 매우 얇고 긴 산화 알루미늄 나노선들을 만들고 세척과 건조의 과정을 거치면서 나노선들이 모세 관력에 의해 서로 응집해 여러 개의 산과 골짜기가 반복되는 모양의 구조체가 형성됨을 발견했다.

이 구조체에 금을 씌우면 금속 또는 금속-유전체 나노 구조의 작은 공간에 빛을 집중하는 플라즈모닉 나노 포커싱 현상에 의해 광대역 빛을 완전하게 흡수하고 이 빛을 나노 크기로 모아 열로 변환시킬 수 있는 구조가 된다. 광대역 흡수 특성으로 인해 검은 색을 띄는 금인 '블랙 골드'가 된다.

연구팀은 플라즈모닉 나노 포커싱 현상을 일으키는 금속-유전체 나노 구조를 다공성 테이프로 옮겨, 구멍을 통해 물 공급이 가능한 박막 블랙 골드 멤브레인을 제작했다. 블랙 골드 나노 구조는 넓은 영역의 태양 빛을 효율적으로 흡수해 뜨거워지게 되며, 이로 인해 발생한 열에너지가 다시 주변의 물로 전달되며 증기를 생성한다.

이 연구를 통해 개발한 블랙 골드 필름의 태양광 영역에서의 흡수율은 약 91%였으며, 태양광으로부터의 증기 생성 효율은 실험적으로 최대 57%까지 얻을 수 있었다.

김경식 교수는 "금속 메타필름은 비용이 저렴하고 별도의 복잡한 시스템이 필요 없어 소형화 또는 대면적 제작에 용이하고, 대량 생산이 가능한 장점을 갖추고 있다"며 "태양광을 이용하는 증기 발전, 증기 살균 및 해수 담수화 장치 등의 효율과 생산성 향상을 위한 친환경 핵심 기술로 널리 활용될 수 있어서 최근 문제가 되고 있는 가뭄 문제 해결에도 기여 할 수 있을 것"이라고 기대했다.