▲ AI생성 이미지
차가운 컵 표면에 맺힌 물방울은 산업 현장에서는 에너지 효율을 좌우하는 변수다. 물이 표면에 막처럼 눌러앉으면 열의 이동이 막히지만, 작은 물방울이 빠르게 생겼다가 떨어지면 열을 훨씬 잘 전달할 수 있다.
KAIST 기계공학과 남영석 교수와 생명화학공학과 임성갑 교수 공동연구팀이 물방울을 더 많이 만들고 빨리 떨어뜨리는 표면 코팅 기술을 개발했다. 일반 구리 표면보다 열전달 성능을 최대 5.5배 높였고, 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 실렸다.
수증기가 물로 바뀌는 응축은 발전소 증기 회수, 담수화, 전자기기 냉각에 널리 쓰인다. 핵심은 물이 표면을 덮는 물막을 만들지 않게 하는 일이다. 물막은 열의 흐름을 막는 저항이 돼 효율을 떨어뜨린다.
▲ 왼쪽부터 남영석 교수, 김준수 박사과정, 임성갑 교수, 강민정 박사과정
연구진은 그동안 코팅막의 결함으로 여겨진 나노 크기 알갱이에 주목했다. 기체 상태 원료로 고분자막을 입히는 화학 기상 증착법을 이용해 막을 얇게 만들자, 표면에 촘촘한 응집체가 생겼다. 이 알갱이가 물방울이 맺히는 출발점 역할을 했다.
얇은 막에서는 두꺼운 막보다 물방울이 약 3배 많이 생겼다. 이어 열처리로 물방울이 표면에 달라붙는 힘을 낮춰, 물방울이 커지기 전 떨어지도록 만들었다. 물방울 생성 자리는 늘리고 배출 속도까지 높인 설계다.
▲ 고분자막 두께와 열처리에 따른 액적 생성 및 열전달 성능
실제 응축기에 쓰이는 구리관에 코팅해 시험한 결과 응축 열전달계수는 최대 88kW·㎡·K에 이르렀다. 물막이 생기는 일반 구리 표면보다 최대 5.5배, 기존 발수 코팅 표면보다도 50% 이상 높은 수치다.
남영석 교수는 "없애야 할 결함으로 여긴 나노 구조를 물방울 생성 요소로 활용한 연구"라며 "복잡한 표면에도 균일하게 코팅할 수 있어 산업용 열교환기와 에너지·환경 기술에 폭넓게 적용할 수 있다"고 내다봤다. /대전=이한영기자
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