서울대 공대 기계공학부 고승환 교수팀-현대차 전자소자연구팀, 나비 날개 모사해 색상 구현 및 복사 냉각이 가능한 기판 개발
나비 날개 나노 구조의 두 가지 기능에 대한 실험적 분석 제시
지구 온난화로 전 세계적인 기후 변화에 대응하는 탄소 중립 냉각 기술로서 큰 기여 예상
왼쪽부터 서울대학교 기계공학부 고승환 교수, 동국대학교 기계로봇에너지공학과 이진우 교수, 서울대학교 기계공학부 정영주 박사과정, 현대자동차 전동화구동소재연구팀 김병욱 책임연구원, 현대자동차 전자소자연구팀 이민재 책임연구원
한편 많은 종류의 나비는 이와는 다르게 독특한 방법으로 체온을 조절한다. Archaeoprepona demophon이란 나비 종의 날개는 독특한 나노 형상의 구조를 통해 수동적 복사 냉각 성능을 구현할 수 있다.
여기서 수동적 복사 냉각(passive radiative cooling)이란, 주입되는 복사에너지보다 방출되는 복사에너지가 많아 그 차이로 인해 열이 빠져나가 온도가 낮아지는 현상이다. 대개 수동적이란 말이 능동적이란 말보다 부정적인 어감을 주는 듯한 느낌을 받지만, 여기서 수동적이란 기존의 냉방 장치와는 달리, 따로 추가적인 에너지(예를 들면, 전기에너지)를 주입하지 않고 냉각 성능을 보인다는 것을 뜻한다.
복사 냉각 성능뿐만 아니라, 나비 날개는 무지개 빛깔의 색상을 구현할 수 있고 이를 통해 주변 환경으로의 위장이 가능해 자기 자신을 포식자로부터 보호할 수 있다. 즉 나비는 생존을 위한 진화의 방법으로 수동적 복사 냉각 성능과 색상 구현이라는 두 가지 기능을 택했다.
공동 연구팀은 이번 연구를 통해 나비 날개의 나노 구조를 모사해 색상을 구현할 수 있고, 복사 냉각 성능이 보이는 기판을 제작하는 기술을 개발했다. 해당 기판을 통해 표준 컬러 프로파일(sRGB)의 91.8%를 커버할 수 있는 색상을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 외기 온도와 비교할 때 최대 8.45 °C 온도 강하를 보이는 우수한 냉각 성능을 자랑했다.
공동 연구팀은 나노 수준의 다공성 구조와 주기적인 격자로 이뤄진 나비 날개의 구조에 주목했다. 먼저, 다공성 구조를 만들기 위한 기존의 방법은 기공 크기를 정확하게 조절하지 못한다는 한계점이 있다. 이에 연구팀은 실리카 나노 입자를 이용한 용액 공정을 통해 보다 쉬운 방법으로 기공 크기를 정확하게 조절할 수 있는 기술을 개발했다. 또한 복잡하고, 비용이 많이 드는 클린룸 기반의 리소그래피 방법에서 벗어나, 레이저 간섭 리소그래피를 이용해 나노 수준의 주기적인 격자 구조를 개발했다. 이러한 두 가지 방법을 결합해 나비 날개의 나노 구조를 모사할 수 있었다.
고승환 교수는 “이번 성과가 전 세계적인 기후 변화에 대응하는 탄소 중립 기술에 걸맞는 연구로서, 전기가 없어도 냉각 성능을 구현하는 수동적 복사 냉각 기술 개발에 대한 귀중한 자산과 통찰력을 제공할 것으로 기대한다”며 “냉각 기술뿐만 아니라, 나노 구조에 의한 색 발현도 가능하다는 점에서 다양한 산업 분야에 활용할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다.
한편 이번 연구는 현대자동차 및 한국연구재단의 기초지원사업 중견연구자지원사업과 선도연구센터 사업의 지원을 받았다. 세계적으로 주목을 받아 재료과학 분야 학술지인 ‘Nanoscale horizons’ 저널에 2022년 6월 19일에 게재됐다(Biomimetic reconstruction of butterfly wing scale nanostructures for radiative cooling and structural coloration).
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