해외과학 기술 동향/안개를 제거하는 새로운 표면 코팅
2013년 03월 25일
 
안개나 서리로부터 유리를 보호하는 것은 안경, 카메라, 현미경, 거울, 냉장고 디스플레이 등 많은 응용들에서 오랫동안 골칫거리로 남아있었다. 이 문제를 해결하기 위한 많은 연구들이 있었지만, 아직까지 개발된 코팅 기술이나 물질들이 실재 환경들에서 어떻게 작용하는지 알아보기 위해 시험할 수 있는 어떠한 시스템적 방법도 개발된 적이 없었다.

최근, MIT 연구팀은 김이 서리는 것을 방지하고, 어떠한 왜곡도 없이 훌륭한 광학 특성을 유지하는지 알아내는 테스팅 방법을 개발하고 이를 이용해 개발된 코팅들을 시험했다.

이 새로운 접근방법은 폴리머 재료공학 TDK 교수인 Michael Rubner, 화학공학 Raymond A.와 Helen E. St. Laurent 교수인 Robert Cohen, 박사과정 학생 Hyomin Lee, 현재 MIT 대학원생 Maria Alcaraz가 보고한 ACS Nano 지의 최근 논문에 자세하게 서술되어 있다.

미세한 물방울들이 차가운 표면 위에 농축되고 빛에 산란될 때 원인인 김서림 과정을 막기 위한 일반적인 방법은 물이 퍼지도록 표면을 매우 친수성으로 만드는 것이며, 물이 실재 존재하더라도 매우 얇게 존재해 빛이 거의 산란하지 않는다고 재료 공학 MIT 센터의 소장이기도 한 Rubner가 말했다.

그러나, 이러한 접근법도 문제를 동반하고 있다. 카메라나 다른 광학 시스템들과 같은 왜곡되지 않는 시야가 중요한 응용들에서는 만약 물 층의 두께가 심하게 변하게 된다면 시야는 꽤 많이 왜곡된다.

또한, 만약 표면이 차가우면, 표면 상의 물은 빛을 산란하는 결빙 층을 형성하도록 냉각되기 시작한다. 일반적인 친수성 표면이 물 층을 계속 존재하게 하기 때문에 어떻게 물의 결빙을 막을 수 있을지에 대한 문제 해결이 절실히 필요하다.

이런 목적을 위해, 필요한 것은 결빙될 수 없는 형태로 많은 물을 흡수할 수 있는 코팅이다. 사실, 많은 응용에서 같은 물질 내에 친수성과 반수성 특성들을 모두 가지는 것은 유용하다. 연구팀은 이에 대한 연구를 수행했고, 쌍성 흡윤도(Zwitter wettability)의 하이브리도 특성을 가진 물질을 개발했다.

쌍성(Zwitter)은 한꺼번에 두 개의 반대 특성을 가지는 어떤 물질을 묘사하는 하이브리드라는 전문용어와 같은 독일어이다. 이 연구에서는 이 표현이 물방울을 형성하는 친수성과 기체상태 물 분자들로 형성되는 반수성 모두를 가진 표면을 묘사한다.

코팅 표면들은 적층 증착이라 불리는 공정에 의해 제조되었다. 이 경우, 두 개의 서로 다른 폴리머들, 폴리비닐알코올과 폴리아크릴산의 교차 층들은 유리 표면 상에 증착된다. 이러한 분자들의 특성들을 조절하기 위해 층들을 제조할 때 개별 분자들 수준의 나노크기 처리공정이 필요했다.

이 제조 공정은 상대적으로 쉽고 저가로 대형화 공정까지 실현할 수 있다. 왜냐하면, 사용된 폴리머들이 일반적이고 잘 알려져 있으며 값이 싸지만, 특정한 방법으로 함께 사용될 수 있기 때문이다.

이 물질과 많은 다른 비교 물질들의 효과를 시험하기 위해, 연구팀은 극한의 실험들을 구상했다. 예를 들어, 연구원들은 한 시간 동안 -20도에서 이 물질들을 유지하다가 연이어 매우 습한 환경에 이 물질들을 노출시켰다. 처리되지 않은 유리나 일반적인 친수성 혹은 반수성 코팅들로 처리된 유리가 이런 환경에서 김서림이 생기는 것과는 반대로, 새로운 처리 공정을 수행한 유리는 투명성을 그대로 유지했다. 그러나, 여전히 큰 물방울들에는 반수성 특성이 유지되었다.

이 성능을 측정하기 위해, 연구원들은 조절된 조건 하에서 유리 슬라이드들을 사진으로 남겼다. 이러한 과정을 거쳐 연구원들은 하나의 코팅이 또 다른 코팅과 비교할 수 있는 프로토콜을 개발했다.

이전 실험은 습기에 노출시킨 후 유리를 통해 투과된 광을 일반적으로 측정했지만, 물의 농축에 의해 나타나는 이미지 왜곡의 수준을 측정하는데는 실패했다. 하지만, 연구원들은 투광성뿐만 아니라 왜곡도 측정하는 방법을 개발했다.

새로운 코팅은 다른 코팅들에 비해 우수했지만, 하나의 단점을 가지고 있다. 코팅이 매우 얇아서 심한 세정과 기계적인 문제를 동반할 수 있다는 것이다. 이 이유로 거친 환경이나 심한 문지름이 필요한 응용들에서는 유용하지 않다.
또 다른 문제는 이 새로운 코팅이 적은 양의 김서림만 방지할 수 있다는 것이다. 그래서 항공기 날개 방빙과 같이 차가운 물이 계속 공급되는 곳에서는 제대로 성능을 발휘하기 힘들다.

하지만, 다른 많은 응용들에 이 코팅을 사용할 수 있다. 가능한 응용들로는 날씨와 바람막이 와이퍼 모두로부터 안전한 자동차 바람막이 내부, 식료품 가제의 냉장고 투명창 내부, 연구나 사진기에 이용되는 광학 시스템들이 있다. 또한, 이 코팅은 만약 매우 작은 구멍이 폐쇄된 공간 내로 외부 공기를 통하게 해 김이 서리게 될 수 있는 이중창의 내부 표면에 응용될 수 있을 것이다.

이 연구에 포함되지 않은 플로리다 주립 대학 폴리머 과학 교수 Joseph Schlenoff는 물이 유리창이나 렌즈에 김을 서리게 할 때 얼마나 불편하고 위험한지 알고 있으면, MIT 연구그룹이 새로운 매우 얇은 폴리머 박막을 이용하여 김서림 문제를 해결하는 실용적이고 효과적인 방법을 고안해 냈다고 소개했다.

또한 그는 개발된 물질들과 이 물질들의 특성을 조사하기 위해 이용된 기술들 모두 매우 혁신적인 것이며, MIT 공학자들이 더 확실하게 이 기술을 비교 확인하는데 매우 많은 도움을 주었다고 덧붙였다.
그림 설명: 유리를 위한 새로운 표면 코팅은 응축에 의해 발생하는 이미지 왜곡을 제거하고 김서림을 방지할 수 있다.
(자료출처 : http://radar.ndsl.kr/, http://www.rdmag.com/news/)
 
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