한국과학기술원(KAIST)이 열전달 성능을 최대 5.5배 끌어올리는 응축 코팅 기술을 개발했다. 발전소, 담수화 설비, 전자기기 냉각 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
KAIST는 기계공학과 남영석 교수와 생명화학공학과 임성갑 교수 공동연구팀이 초박막 고분자 코팅막의 두께와 구조를 조절해 물방울 생성과 제거를 함께 최적화하는 기술을 내놨다고 23일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 지난달 16일 게재됐다.
수증기가 물로 바뀌는 응축 현상은 발전소 증기 사이클, 담수화·수분포집, 전자기기 열관리 등에 두루 활용된다. 일반 금속 표면에서는 응축수가 막 형태로 이어져 열전달을 방해하는 반면, 물방울 형태로 맺히는 '적상응축'은 물방울이 떨어질 때마다 새 표면이 드러나 효율이 높아진다. 다만 표면을 거칠게 하면 물방울이 잘 떨어지지 않고, 매끄럽게 하면 맺히는 자리가 줄어드는 딜레마가 있었다.
연구팀은 초박막 고분자막의 나노구조와 열처리 공정으로 이 문제를 풀었다. 개시제 화학기상증착법(iCVD)으로 불소계 고분자 pPFDMA를 25·100·500나노미터(㎚) 두께로 코팅한 결과, 100나노미터 이하 얇은 막에서는 반결정성 고분자 응집체가 촘촘하게 형성돼 핵생성 밀도가 500나노미터 막보다 약 3배 높게 나타났다. 결함으로 여겨지던 나노구조를 물방울 생성 요소로 뒤집어 활용한 것이다. 이어 고분자막을 80도에서 1시간 열처리해 부착력을 낮춰, 물방울이 작은 크기에서도 빠르게 떨어지고 새 물방울이 다시 맺히도록 했다.
최적화한 고분자막을 실제 응축기용 구리관에 적용한 결과 일반 구리 표면 대비 약 4.5~5.5배 높은 열전달 성능이 확인됐으며, 100나노미터 이하 코팅은 순수 수증기 조건에서 4주간 적상응축 상태를 안정적으로 유지했다.
남영석 교수는 "결함으로 여겨졌던 나노구조를 물방울 생성을 돕는 요소로 활용했다"며 "물방울의 생성과 제거를 함께 조절해 열전달 효율을 높이는 이번 연구 결과가 다양한 에너지·환경 분야에 활용될 것"이라고 말했다.