김경식 교수팀, 띄우면 태양빛으로 물을 끓게 하는 메타필름 개발

네이처 커뮤니케이션스에 논문 게재

기계공학과 김경식 교수 연구팀이 태양빛을 완전 흡수해 나노크기로 모아주는 플라즈모닉 블랙 골드 메타필름을 개발함으로써 집광하지 않아도 순식간에 물을 끓이는 데 성공했다. 이번 연구는 김경식 교수(교신저자)가 주도하고, 배규영(제1저자) 박사과정과 미국 콜로라도 대학의 박원장 교수가 참여해 수행했으며, 관련 논문은 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 “Flexible thin-film black gold membranes with ultrabroadband plasmonic nanofocusing for efficient solar vapour generation”이라는 제목으로 지난 12월 14일 게재됐다.

친환경 태양 에너지를 이용해 증기를 발생시키는 기술은 태양열 발전, 살균 및 해수 담수화 분야 등에 널리 활용되어 왔다. 최근 증기 발생 효율을 높이고 에너지 변환 손실을 줄이기 위해 태양 복사 스펙트럼 전 영역에 걸친 빛을 효율적으로 흡수하고 이용할 수 있는 소재 및 방법들이 다양하게 연구되고 있다. 특히 이번 연구에 사용된 플라즈모닉 금속 나노 구조(빛에 전자가 공명해 주변 에너지를 강화시키는 나노 구조)는 높은 광 흡수율을 가질 뿐 아니라 빛 또는 열에너지를 나노 크기의 국소 영역에 집중시킬 수 있어, 태양광-열 변환 기술로서 높은 잠재력을 갖고 있다.

연구진은 물 위에 띄우기만 하면 태양빛을 이용해 바로물을 끓게 할 수 있는 메타필름을 개발하기 위해 알루미늄 기판 위에 응집된 산화 알루미늄 나노선(alumina nanowire)들을 만들었다. 여기에 금을 증착해 광대역의 빛을 완전하게 흡수하고 나노크기로 모아 줘 열로 변환시킬 수 있는 구조를 만들었다. 개발된 금속 나노구조를 다공성 테이프로 옮김으로써 마이크로 크기의 구멍을 통해 물의 공급이 가능한 박막 블랙 골드 멤브레인을 제작했다.

블랙 골드 나노구조는 넓은 파장 영역의 태양빛을 매우 효율적으로 흡수함으로써 뜨거워지게 되고 발생한 열에너지가 다시 주변의 물로 전달되며 증기를 생성한다. 수면 위에 띄운 다공성 멤브레인은 집광 현상이 일어나는 플라즈모닉 나노포커싱 구조 근처로 물을 지속적으로 끌어 올리는 역할을 할 뿐 아니라, 멤브레인 아래의 물을 통한 열손실을 막아줌으로써 증기 발생 효율을 크게 향상시킨다. 블랙 골드 필름의 태양광 영역에서의 흡수율은 약 91%였고, 태양광으로부터의 증기 생성 효율은 실험적으로 최대 57%까지 얻을 수 있었다.

본 연구로 개발한 금속 메타필름은 저렴하고 별도의 복잡한 시스템이 필요하지 않기 때문에 소형화 또는 대면적 제작이 용이하며 태양광을 이용한 증기 발전, 증기 살균 및 해수 담수화 장치 등 다양한 실생활 관련 응용 분야에 친환경 핵심 기술로서 널리 활용될 수 있다. 또한 최근 문제가 되고 있는 가뭄 문제 해결에도 크게 도움이 될 것으로 예상된다. 이번 연구는 미국 국방부 산하 Asian Office of Aerospace Research and Development(AOARD)의 지원으로 수행됐다.