KAIST, '나노 결함' 활용해 열전달 성능 5.5배 높여

발전소·담수화 설비 에너지 효율↑

전자기기 성능 개선 효과 기대

[사진=KAIST, AI 생성 이미지]

물방울이 더 잘 맺히고 빠르게 떨어지도록 해 열전달 성능을 최대 5.5배 높이는 기술이 개발됐다. 발전소와 담수화 설비 에너지 효율을 높이고 전자기기 냉각 성능을 개선하는 데 활용할 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST)는 남영석 기계공학과 교수와 임성갑 생명화학공학과 교수 공동연구팀이 고분자 코팅막의 두께와 구조를 조절해 응축 과정의 열전달 효율을 높이는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

응축은 수증기가 물로 변하는 현상을 일컫는다. 발전소에서 증기를 다시 물로 바꾸거나 바닷물에서 민물을 얻는 담수화, 전자기기 냉각 등에서 활용한다. 응축 과정의 열전달 효율은 표면에 생긴 물이 얼마나 빠르게 제거되느냐에 좌우된다. 

기존 기술은 물방울 자리를 늘리기 위해 표면을 거칠게 만들면 물방울이 잘 떨어지지 않고, 표면을 매끄럽게 만들면 물방울 생성이 줄어든다는 한계가 있었다.

연구팀은 기존 고분자막에서 결함으로 여겨졌던 나노 크기 응집체를 활용해 이 문제를 해결했다. '개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD)'으로 고분자막을 얇게 만들어 나노 크기 응집체가 형성되도록 했다. iCVD는 기체 상태의 원료를 표면에 쌓아 얇은 고분자막을 만드는 기술로, 복잡한 형태의 표면에도 균일하게 코팅할 수 있다는 장점이 있다.

이렇게 형성된 나노 크기 응집체는 물방울이 처음 맺히는 '씨앗 자리' 역할을 했다. 그 결과 얇은 고분자막에서는 두꺼운 막보다 물방울이 약 3배 많이 생겼다.

연구팀은 여기에 열처리를 적용해 표면에 달라붙는 힘을 줄였다. 고분자막의 두께를 조절해 물방울 생성은 늘리고 열처리로 물방울 제거 속도까지 높인 것이다. 

연구팀이 실제 응축기에 사용되는 구리관에 해당 고분자막을 적용한 결과 일반 구리 표면보다 최대 약 5.5배, 기존 발수 코팅 표면보다 50% 이상 높은 열전달 성능을 기록했다.

남 교수는 "기존에 결함으로 여겨졌던 나노 구조를 물방울 생성을 돕는 요소로 활용했다는 데 의미가 있다"며 "복잡한 모양의 표면에도 얇고 균일하게 코팅할 수 있어 산업용 열교환기를 비롯한 다양한 에너지·환경 분야에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.