벌레잡이통풀·나방눈 모방한 특수 유리 개발…흠집 생겨도 자동 복구

(왼쪽) 자기회복 자기세정 유리 실험 개략도태양전지 커버유리 표면에 나방눈모사 반사방지 나노구조물을 만들고 자기세정이 가능하도록 고체윤활제를 코팅하는 실험 개략도와 제작된 자기회복 자기세정유리 단면의 전자현미경 사진(오른쪽 위) 얼음방지 성능실험 결과를 나타낸 그래프검은선은 초발수 표면을, 붉은 선은 고체윤활제 코팅을 한 자기세정 유리와 얼음의 접착력을 나타낸다. 처음에는 초발수 표면의 접착력이 작지만 얼음이 생겼다 녹았다를 반복하면 접착력이 오히려 증가한다. 반면 고체윤활제가 코팅된 자기회복 자기세정 유리는 낮은 접착력이 유지되어 얼음 제거가 더 용이하다.(오른쪽 아래) 태양전지 커버유리의 자기세정 기능 회복 모습자기회복 자기세정 유리에 스크래치가 나면 왼쪽과 같이 물방울이 퍼지고 발수효과가 떨어져 제거가 잘 안되지만, 태양광을 쬐면 파라핀이 녹았다가 다시 굳으면서 스크래치가 복원되어 발수 성능이 회복되며 물방울이 다시 동그랗게 맺히고 구르는 것을 보여준다.

국내 연구진이 벌레잡이 통풀과 나방눈의 구조를 본 따 오염물은 튕겨내고 흠집이 생기면 스스로 회복되는 특수한 유리를 개발했다.


한국기계연구원(이하 기계연) 나노융합장비연구부 임현의 부장 연구팀은 성균관대학교 이진기 교수 연구팀과 함께 나노 유리 표면에 파라핀을 코팅, 오염물질을 튕겨내고, 빛 반사를 줄이며 열전달을 더디게 하는 태양전지용 커버 유리를 만들었다고 13일 밝혔다. 이 유리는 스크래치가 생겨도 태양열에 의해 저절로 회복된다

연구팀은 자기세정 표면을 만들기 위해 지금까지 주로 연구됐던 연잎을 닮은 초발수 표면 대신 미끄러운 표면을 이용하는 벌레잡이통풀의 표면에서 아이디어를 얻었다.

벌레잡이통풀의 표면은 다공성 구조에 기름이 칠해져 있다. 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 이 문제를 해결하기 위해 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.

임 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 도움이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘ACS 나노’(Nano) 온라인판에 게재됐다.