높은 빛 투과도와 전기전도성을 지니고 있으면서도 표면에 먼지가 거의묻지않고, 묻더라도 물만뿌리면 쉽게 먼지가 제거되는 자가세정(Self-Cleaning) 능력을 지니는 재료 코팅기술이 국내 연구진에 의해 최초로 개발됐다. 한국전기연구원(KERI) 재료응용연구단 이건웅 박사팀은 자체 기본연구사업을 통해 개발한 바 있는 탄소나 노튜브바인더 혼합잉크를 이용해 연잎ㆍ나비나 매미 날개 등에서 발견되는 초발수(超撥水) 자가세정효과를 가지면서도 투명하고 전기가 잘 통하는 코팅기술을 개발했다고 밝혔다. 이건웅 박사팀은 2008년 3월 탄소나노튜브를 결합제 등과 혼합한'탄소나노튜브 일액형 코팅액'(투명전극제조용잉크)과 이를 이용한 투명전도성 필름개발에 성공해 기술이전을 앞두고 있으며, 여기에 자연계에서 발견되는 초발수 특성(유리 등의 표면이 물을 흡수하지 않고 튕겨내는 현상)을 이용한 자가세정이라는 기능성을 부여하여 그 응용범위를 넓혔다.
[초발수 투명전도성 기판 코팅 과정과 원리 : A그림에서 기다란 것이 CNT막대이고 파란색이 실란졸이다. 점선은 상호작용을 나타낸다. A의 물질을 결합해 탄소나노튜브/결합제 혼합액(B)을 만들어 잉크처럼 스프레이 방식코팅을 해주면 된다. C그림은 코팅된 표면의 모습으로 초발수 특성을 띠는 연잎이나 나비, 매미의 날개 구조와 유사한 구조를 나타낸다. 여기에 물방울을 떨어뜨렸을 때, D의 왼쪽 그림과 같이 표면이 젖지 않고 둥근 물방울 형태로 존재하며, 반대로 초친수성 물질을 바르면 D의 오른쪽 그림과 같이 표면에 퍼지게 된다.]
[(1) 개발된 코팅기술을 응용해 고투과도와 전기전도성, 초발수 세정효과를 갖는 투명 기판을 만든 모습 : 초발수 특성으로 인해 표면 위 물방울이 표면에 젖거나 퍼져 있지 않고 동글동글 맺혀 있다. 오른쪽 짙은 색일수록 투과도가 낮아지며, 코팅방법에 따라 투과도를 조절할 수 있다. (2)연잎, 나비 또는 매미의 초발수 돌 기구조 : 초발수 투명전도성 기판을 확대해 보면 초발수 특성을 띠는 연잎이나 나비, 매미의 날개의 돌기구조와 유사한 형태를 나타냄을 알 수 있다.] 물이 닿아도 표면을 적시지 않고 또르르 굴러 떨어지는 연잎이 자가세정 능력을 지닌 것은 표면에 형성된 나노 수준의 물 반발성 코팅막(왁스)으로 덮인 나노 마이크로미터 크기의 돌기에 의한 초발수성 때문이다. 나비나매미등의날개등자연생물의일부분을 크게 확대해 봐도 유사한 돌기형태가 발견된다. 이러한 돌기 구조는 물이 접촉하는 면적을 최소화하고, 물반발 코팅은 돌기 사이의 골에 물이 들어가는 것을 방지한다. 따라서 물은 연잎의 표면을 적시거나 달라붙지 않고 둥근 물방울 형태로 굴러 떨어지게 되며, 이때 표면의 먼지 등 오염물도 함께 씻어낸다. 연구팀은 이러한 연잎의 자가 세정능력을 모방하기 위해 물을 싫어하는 플루오로기를 지닌 실란(Silane, 수소화규소의 계열의 하나) 물질을 함께 사용하여 탄소나노튜브/결합제(Binder) 혼합액을 제조했다. 이용액을 유리 등 기판 표면에 코팅할 경우 탄소나노튜브는 초발수의 조건인 나노에서 마이크로 수준의 돌기 또는 기공을 형성시키고 표면에너지가 작은 플루오로 실란은 물을 싫어하므로 연잎의 초발수 표면을 구현할 수 있다. 반면 유사한 방법으로 물을 좋아하는 실란 물질을 바인더로 사용할 경우 물이 표면에 완전 히퍼지는초친수성코팅도가능하다. 또한 높은 투과도에서 초발수성을 구현하기 위해서 연구팀은 나노미터 크기의 실리카 입자를 탄소나노튜브/결합제 혼합액에 추가로 첨가하여 더욱 미세한 나노미터 크기의 기공과 돌기를 형성시켜 물의 퍼짐현상을 극단적으로 제한함으로써 고투과도의 초발수 표면을구현하였다. 기존 탄소나노튜브를 이용한 초발수 코팅은 기판에 탄소나노튜브를 직접 성장시키거나 전도성 고분자로 분산된 용액을 코팅하는 방식이었다. 그러나 이러한 기술들은 모두 투과도를 고려하지 않은 불투명한 코팅 방식으로 투과도를 요구하는 광소자, 투명 원도우에는 적용이 불가능하다는 단점이 있다. 이에 반해 연구팀이 개발한 기술은 탄소나노튜브를 이용해 고투과도를 유지하면서 전도성과 자가세정 능력을 동시에 발휘하는 세계 최초의 코팅 기술로 그 가치를 인정받고있다. 이 연구결과는 신재료분야의 세계적 권위지 인어드밴스드머터리얼스(Advanced Materials) 8월 온라인판에 게재되었다. 주요 개발자인 한중탁 박사는"이번에 개발된 투명 초발수 전도성 코팅 기술은 기존의 대전방지, 전자파차폐 등의 기능성에 고투과도와 자가세정 능력을 부여한 것으로 각종 광소자 및 기능성 유리 등의 코팅소재로 활용할 수 있다"며," 또한 고투과도와 자가세정능력 그리고 발열히터 특성이 동시에 요구되는 자동차의 열선(熱線) 유리, 스마트 윈도우, 대전방지 코팅, 전자파 차폐 코팅 등에도 다각적으로 활용이 가능하다"고설명했다. - 글_백종윤 기자 <한국전기연구원 (055)280-1678 / www.keri.re.kr> -
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