| 태양빛 흡수해 물을 바로 끓이는 고효율 메타필름 개발 | |
| 2016-02-01 | |
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태양빛 흡수해 물을 바로 끓이는 고효율 메타필름 개발
태양광 활용 증기발전, 해수담수화 장치 등 친환경기술 활용 미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 태양빛을 대부분 흡수하여 나노 크기 수준으로 모아주는 플라즈모닉 블랙골드메타 필름을 개발했으며, 이 필름은 별도의 집광과정 없이 순식간에 증기를 발생시키는데 성공했다고 밝혔다. 연세대 김경식 교수 연구팀은 미래부가 지원하는 기초연구사업 일환으로 금속-유전체 나노 구조를 통한 태양광증기 생성 효율향상 연구를 수행했으며, 이 연구결과는 자연과학분야의 권위지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다. 김경식 교수는 “금속 메타필름은 비용이 저렴하고 별도의 복잡한 시스템이 필요 없어 소형화, 또는 대 면적제작에 용이하고, 대량생산이 가능하다”면서 “태양광을 이용하는 증기 발전, 증기 살균 및 해수 담수화 장치 등의 효율과 생산성 향상을 위한 친환경 핵심기술로 널리 활용 가능해, 최근 문제가 되고 있는 가뭄해결에도 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.  연세대 김경식 교수 태양에너지의 무한 가능성 활용 무한한 에너지인 태양에너지를 이용한 기술은 태양전지 등 다양한 응용분야에서 연구되어 왔으며, 최근에는 별도의 전력공급 장치 없이 태양광을 이용해 증기를 만드는 여러 방법들이 고안되고 있다. 태양광으로부터 생성된 증기는 증기발전, 증기살균 및 담수화설비 등에 활용될 수 있으며, 현재까지는 나노 크기의 금속입자를 이용해서 물을 끓이는 방법이 활발히 연구되었다. 금속 나노 입자는 공명파장에 맞는 빛을 받으면 빛을 흡수하면서 열을 발생시키는데, 파장이 맞지 않으면 열 발생량이 급격히 감소한다. 또한, 나노 입자들은 물속에 퍼져있기 때문에 물 전체를 끓이게 되는데 생성된 증기가 물에 열을 빼앗겨 다시 물이 되는 경우가 발생해 증기 생성효율이 매우 낮다. 따라서 태양에너지 전체 파장범위에서 빛을 흡수하고 표면에서 물을 끓여 증기가 바로 공기 중으로 빠져나가게 하면 높은 효율로 증기를 발생시킬 수 있다. 이번 연구에서는 대면적 기판위에 수십 나노미터 두께의 유전체 나노선들을 성장시키고, 그 위에 금을 코팅하여 가시광선부터 중적외선에 이르는 태양광 파장영역의 대부분을 흡수하는 블랙골드메타 필름을 개발했으며, 이를 이용해 태양광으로부터 직접 수증기를 고효율로 생성하는 기술을 구현했다. 플라즈모닉 나노포커싱으로 ‘블랙골드’ 생성 연구팀은 알루미늄 기판위에 매우 얇고 긴 산화알루미늄 나노선들을 만들고, 세척과 건조과정을 거치면서 나노선들이 모세관력에 의해 서로 응집하여 여러개의 산과 골짜기가 반복되는 모양의 구조체가 형성됨을 발견했다. 이 구조체에 금을 씌우면 플라즈모닉 나노포커싱 현상에 의해 광대역의 빛을 완전하게 흡수하고, 나노 크기로 모아 열로 변환시킬 수 있는 구조로 바뀌며 광대역 흡수특성으로 검은색을 띄는 금 ‘블랙골드’가 된다. 플라즈모닉 나노포커싱 현상을 일으키는 금속-유전체 나노 구조를 다공성 테이프로 옮겨, 구멍을 통해 물 공급이 가능한 박막 블랙골드 멤브레인을 제작했다. 블랙골드 나노 구조는 넓은 영역의 태양빛을 효율적으로 흡수함으로써 뜨거워지게 되며, 이로 인해 발생한 열에너지가 다시 주변의 물로 전달되며 증기를 생성한다. 수면위에 띄운 다공성 멤브레인은 집광 현상이 일어나는 플라즈모닉 나노포커싱 구조근처로 물을 지속적으로 끌어 올리는 역할과 멤브레인 아래의 물을 통한 열손실을 막아줌으로써 증기발생효율을 크게 향상시킨다.  (우상)수직 나노 기공을 갖는 양극 산화 알루미늄과 자가 응집 산화알루미늄 나노선 어레이. (우하)그 단면도의 주사 전자 현미경 이미지. 비용 저렴, 대면적 제작 용이 이번 연구를 통해 개발한 블랙골드 필름의 태양광 영역에서의 흡수율은 약 91%였으며, 태양광으로부터의 증기 생성효율은 실험적으로 최대 57%까지 얻을 수 있는 것으로 나타나, 기존 효율 24%의 두 배 이상 증가했다. 또한, 이번 연구를 통해 제시한 양극산화 및 습식 식각공정을 이용한 자가응 집 산화알루미늄 나노선 어레이 구조 제작방법은 간편할 뿐만 아니라, 저렴한 비용과 대 면적 및 대량생산이 가능한 장점을 갖추고 있다. 특히, 이번 연구를 통해 제작된 멤브레인은 외부전력 없이 태양광만으로도 고효율증기를 만들 수 있어 태양광증기 발전, 살균 장치 및 담수화설비 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.  (중) 은소재 거울과 (우)블랙골드메타 필름에 레이저 빛을 입사시켜 광 경로를 촬영한 디지털카메라 이미지. 은 소재의 거울에서는 빛이 그대로 반사되는 것에 비해 블랙골드메타 필름에서는 빛이 모두 흡수되어 반사되는 빛이 보이지 않음.  [그림 3] (좌)제작한 블랙골드메타 필름으로부터의 증기생성 측정 실험 모식도. (우)물위에 띄워져 증기를 생성하고 있는 블랙골드메타 필름을 열화상 카메라로 촬영한 이미지. 표면에 열이 집중되어 증기발생 효율을 높임. <용어 설명> 1. 플라즈모닉 블랙골드메타 필름 광대역 태양빛을 흡수하여 검은색을 띄는 금-산화 알루미늄 나노 구조체 필름 3. 양극 산화(anodic oxidation) 알루미늄을 전해액 속에서 양극에 연결하고 전기화학적으로 산화시킴으로써 표면에 산화 피막을 형성시키는 공정 기술. 2차 양극산화 공정을 진행하면 균일하게 정렬된 2차원의 수직 나노 기공을 갖는 알루미나 산화 피막이 형성된다 . 4. 모세관력(capillary force) 액체 분자들의 응집력과 액체와 모세관 벽 사이의 부착력이 서로 상호작용함에 따라 발생하는 힘. 5. 나노선 어레이 나노미터 굵기를 가진 금속 및 유전체 물질로 1차원의 선형 구조를 갖는 나노 구조체의 주기적 배열. 6. 플라즈모닉 나노포커싱 폭이 점진적으로 작아지는 금속, 혹은 금속-유전체 구조에 빛이 입사되면 플라즈몬 에너지가 매우 작은 영역에 집중되어 흡수가 증가된다. 이때 폭의 두께에 따라 흡수되는 파장이 달라지는데, 폭이 점진적으로 줄어들기 때문에 다양한 파장의 빛을 모두 흡수할 수 있게 된다. 따라서 광대역 파장의 빛 에너지를 집중시키거나 흡수할 때 사용된다. 7. 플라즈모닉 금속 나노 구조 빛에 전자가 공명하여 주변 에너지를 강화시키는 나노 구조 8. 멤브레인 특정성분을 선택적으로 통과시킴으로써 혼합물을 분리할 수 있는 액체 혹은 고체의 
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