태양빛으로 바로 물을 끓이는 고효율 메타 필름 개발했다.
태양빛으로 바로 물을 끓이는 고효율 메타 필름 개발했다.
  • 김수아 기자
  • 승인 2015.12.30 19:49
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태양광을 이용하는 증기 발전, 증기 살균 및 해수 담수화 장치 등의 효율과 생산성 향상

미래부는 국내 연구진이 태양빛을 대부분 흡수하여 나노 크기 수준으로 모아주는 플라즈모닉 블랙골드 메타필름을 개발, 별도의 집광 과정 없이 순식간에 증기를 발생시키는 데 성공하였다고 밝혔다.

플라즈모닉 블랙 골드 메타 필름 : 광대역 태양빛을 흡수하여 검은색을 띄는 금-산화 알루미늄 나노 구조체 필름

연세대학교 기계공학과 김경식 교수(kks@yonsei.ac.kr)

연세대 김경식 교수 연구팀은 금속-유전체 나노 구조를 통한 태양광 증기 생성 효율 향상 연구를 미래창조과학부가 지원하는 기초연구사업(중견연구자지원사업)을 통해 수행하였으며, 연구결과는 자연과학 분야의 권위 있는 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 12월 14일자에 게재되었다.

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

논문명: Flexible thin-film black gold membranes with ultrabroadband plasmonic nanofocusing for efficient solar vapour generation

저자: 김경식(교신저자, 연세대 교수), 배규영(제1저자, 연세대 박사과정), 박원장(공동저자, 미국 콜로라도 대학교 교수)

연구배경: 무한한 에너지인 태양에너지를 이용한 기술은 태양 전지 등 다양한 응용분야에서 연구되어 왔으며, 최근에는 별도의 전력 공급 장치 없이 태양광을 이용해 증기를 만드는 여러 방법들이 고안되고 있다.

태양광으로부터 생성된 증기는 증기 발전, 증기 살균 및 담수화 설비 등에 활용될 수 있으며, 현재까지는 나노 크기의 금속 입자를 이용해서 물을 끓이는 방법이 활발히 연구되었다. 금속 나노 입자는 공명 파장(resonance wavelength)에 맞는 빛을 받으면 빛을 흡수하면서 열을 발생시키는데, 파장이 맞지 않으면 열 발생량이 급격히 감소한다.

또한 나노 입자들은 물속에 퍼져있기 때문에 물 전체를 끓이게 되는데 생성된 증기가 물에 열을 빼앗겨 다시 물이 되는 경우가 발생해 증기 생성 효율이 매우 낮다. 따라서 태양에너지 전체 파장 범위에서 빛을 흡수하고 표면에서 물을 끓여 증기가 바로 공기 중으로 빠져나가게 하면 높은 효율로 증기를 발생시킬 수 있다.

본 연구에서는 대면적 기판 위에 수십 나노미터 두께의 유전체 나노선 (dielectric nanowire)들을 성장시키고 그 위에 금을 코팅하여 가시광선부터 중적외선에 이르는 태양광 파장 영역의 대부분을 흡수하는 블랙골드 메타필름을 개발하였으며, 이를 이용해 태양광으로부터 직접 수증기를 고효율로 생성하는 기술을 구현하였다.

1. 연구의 필요성

친환경 태양 에너지를 활용하여 증기를 발생시키는 기술은 태양열 발전, 해수 담수화 분야 등에 널리 활용되어 왔으며, 최근에는 증기 발생 효율을 높이고 에너지 변환 손실을 줄이기 위해서 전 영역에 걸쳐 태양빛을 효율적으로 흡수할 수 있는 소재와 방법들이 다양하게 연구되고 있다.

특히, 플라즈모닉 금속 나노 구조는 높은 광 흡수율을 가지며, 별도의 집광과정 없이 빛과 열에너지를 나노 크기의 국소 영역에 집중시킬 수 있어 태양광-열 변환 기술로써의 높은 잠재력을 갖고 있다.

플라즈모닉 금속 나노 구조 : 빛에 전자가 공명하여 주변 에너지를 강화시키는 나노 구조

2. 발견 원리

알루미늄 기판 위에 매우 얇고 긴 산화 알루미늄 나노선들을 만들고 세척과 건조의 과정을 거치면서 나노선들이 모세관력에 의해 서로 응집하여 여러 개의 산과 골짜기가 반복되는 모양의 구조체가 형성됨을 발견하였다.

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(plasmonic nanofocusing): 금속 또는 금속-유전체 나노 구조의 작은 크기의 공간에 빛을 집중시킴

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

수면 위에 띄운 다공성 멤브레인은 집광 현상이 일어나는 플라즈모닉 나노포커싱 구조 근처로 물을 지속적으로 끌어 올리는 역할과 더불어 멤브레인 아래의 물을 통한 열손실을 막아줌으로써 증기 발생 효율을 크게 향상시킨다.

3. 연구 성과

본 연구를 통해 개발한 블랙 골드 필름의 태양광 영역에서의 흡수율은 약 91%였으며, 태양광으로부터의 증기 생성 효율은 실험적으로 최대 57% (기존 연구에서의 최대 증기생성 효율은 24%)까지 얻을 수 있었다. (단위 제곱미터에서 시간당 최대 16kg의 증기 생성)

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

<그림설명>

그림 1. (좌) 정렬된 수직 나노 기공을 갖는 양극 산화 알루미늄 기판을 자가 응집된 나노선 어레이 구조로 만들고 위에 금을 증착하여 블랙 골드 필름 제작하는 공정 모식도. (우상) (삽화) 수직 나노 기공을 갖는 양극 산화 알루미늄과 자가 응집 산화 알루미늄 나노선 어레이. (우하) 그 단면도의 주사 전자 현미경 이미지.
그림 2. (좌) 블랙 골드 메타 필름으로부터의 태양광 증기 생성 실험 모식도. (좌 삽화) 물 위에 떠 있는 블랙 골드 멤브레인. (중) 은 소재 거울과 (우) 블랙 골드 메타 필름에 레이저 빛을 입사시켜 광 경로를 촬영한 디지털 카메라 이미지. 은 소재의 거울에서는 빛이 그대로 반사되는 것에 비해 블랙 골드 메타 필름에서는 빛이 모두 흡수되어 반사되는 빛이 보이지 않음. (우 삽화) 유연한 블랙 골드 메타 필름 촬영 이미지.
그림 3. (좌) 제작한 블랙 골드 메타 필름으로부터의 증기 생성 측정 실험 모식도(우) 물위에 띄워져 증기를 생성하고 있는 블랙 골드 메타 필름을 열화상 카메라로 촬영한 이미지. 표면에 열이 집중되어 증기 발생 효율을 높임.

<용어해설>

*네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications) : 세계적으로 저명한 출판사인 영국 Nature publishing group에서 발행하는 Nature 지의 자매지이며 IF가 11.470 인 국제학술지

*양극 산화 (anodic oxidation) : 알루미늄(Al)을 전해액 속에서 양극에 연결하고 전기화학적으로 산화시킴으로써 표면에 산화 피막을 형성시키는 공정 기술. 2차 양극산화 공정을 진행하면 균일하게 정렬된 2차원의 수직 나노기공을 갖는 알루미나(Al2O3) 산화 피막이 형성된다.

*모세관력 (capillary force) : 액체 분자들의 응집력(cohesive force)과 액체와 모세관벽 사이의 부착력 (adhesive force)이 서로 상호작용함에 따라 발생하는 힘.

*나노선 어레이 (nanowire array) : 나노미터(10억분의 1 미터) 굵기를 가진 금속 및 유전체 물질로 1차원의 선형 구조를 갖는 나노 구조체의 주기적 배열.

*플라즈모닉 나노포커싱 (plasmonic nanofocusing) : 폭이 점진적으로 작아지는(tapered) 금속 혹은 금속-유전체 구조에 빛이 입사되면 플라즈몬 에너지가 매우 작은 영역에 집중되어 흡수가 증가된다. 이때 폭의 두께에 따라 흡수되는 파장이 달라지는데, 폭이 점진적으로 줄어들기 때문에 다양한 파장의 빛을 모두 흡수할 수 있게 된다. 따라서 광대역 파장의 빛 에너지를 집중시키거나 흡수할 때 사용된다.

*멤브레인 (Membrane) : 특정성분을 선택적으로 통과시킴으로써 혼합물을 분리할 수 있는 액체 혹은 고체의 막.

 

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