▲ 김경식 연세대학교 기계공학과 교수 .

국내 연구진이 개발한 태양빛을 흡수하는 고효율 메타필름으로 전영역에서 태양광 에너지의 효율적인 열에너지 전환이 기대된다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 김경식 연세대 연구팀이 태양빛을 대부분 흡수하여 나노 크기 수준으로 모아주는 플라즈모닉 블랙 골드 메타 필름을 개발, 별도의 집광 과정 없이 순식간에 증기를 발생시키는 데 성공하였다고 29일 밝혔다.

플라즈모닉 블랙 골드 메타 필름이란 광대역 태양빛을 흡수하여 검은색을 띄는 금-산화 알루미늄 나노 구조체 필름을 말한다.

최근에는 전영역에 걸쳐 에너지 변환 손실을 줄이는 태양빛의 효율적인 흡수를 위한 소재와 방법들이 다양하게 연구되고 있다. 그중 플라즈모닉 금속 나노 구조는 높은 광 흡수율을 가지면서 별도의 집광과정 없이 빛과 열에너지를 나노 크기의 국소 영역에 집중시킬 수 있어 태양광-열 변환 기술로써의 높은 잠재력을 갖고 있다.

연구진은 알루미늄 기판 위에 매우 얇고 긴 산화 알루미늄 나노선들을 만들고 세척과 건조의 과정을 거치면서 나노선들이 모세관력에 의해 서로 응집해 여러 개의 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 구조가 됨을 발견, 광대역 흡수 특성으로 인해 검은 색을 띄는 금인 ‘블랙 골드’가 된다.

플라즈모닉 나노포커싱 현상을 일으키는 금속-유전체 나노 구조를 다공성 테이프로 옮겨, 구멍을 통해 물 공급이 가능한 박막 블랙 골드 멤브레인*을 제작하였다. 블랙 골드 나노 구조는 넓은 영역의 태양빛을 매우 효율적으로 흡수함으로써 뜨거워지게 되며, 이로 인해 발생한 열에너지가 다시 주변의 물로 전달되며 증기를 생성한다.

연구진은 본 연구를 통해 개발한 블랙 골드 필름의 태양광 영역에서의 흡수율은 약 91%였으며, 태양광으로부터의 증기 생성 효율은 실험적으로 최대 57%까지 얻을 수 있었다(단위 제곱미터에서 시간당 최대 16kg의 증기 생성)고 밝혀TEk.

김경식 교수는 “금속 메타필름은 비용이 저렴하고 별도의 복잡한 시스템이 필요 없어 소형화 또는 대면적 제작에 용이하고, 대량 생산이 가능한 장점을 갖추고 있다”고 이야기했다.

“본 연구 성과는 태양광을 이용하는 증기 발전, 증기 살균 및 해수 담수화 장치 등의 효율과 생산성 향상을 위한 친환경 핵심 기술로 널리 활용될 수 있어서 최근 문제가 되고 있는 가뭄 문제 해결에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의의를 밝혔다.

한편, 이번연구는 미래창조과학부가 지원하는 기초연구사업(중견연구자지원사업)을 통해 수행하였으며, 연구결과는 자연과학 분야의 권위 있는 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 12월 14일자에 게재되었다.