연세대 연구팀, 태양광 활용 증기발전 등 친환경기술 활용으로 가뭄문제 해결 기대

국내 연구진이 태양빛을 대부분 흡수하여 나노 크기 수준으로 모아주는 플라즈모닉 블랙 골드 메타 필름을 개발했다.

플라즈모닉 블랙 골드 메타 필름은 광대역 태양빛을 흡수하여 검은색을 띄는 금-산화 알루미늄 나노 구조체 필름이다. 미래창조과학부(장관 최양희)는 연세대 김경식 교수 연구팀이 별도의 집광 과정 없이 순식간에 증기를 발생시키는 고효율 메타필름을 개발했다고 밝혔다. 
 
비용 저렴, 소형화 또는 대면적 제작 용이 및 대량생산 가능 

▲블랙 골드 메타 필름으로부터의 태양광 증기 생성 실험 모식도.

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. 

김경식 교수(아래 사진)는 “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.  

-연구를 시작한 계기나 배경은.

기존의 빛 흡수에 의한 열발생은 손실로 여겨져 최소화를 위한 연구가 진행되었지만, 오히려 열 발생을 최대한 끌어 올려 다른 응용 분야에 활용하기로 하였고, 복잡한 전력 공급 장치 없이 태양빛을 이용해 어디에서나 물을 끓일 수 있는 구조를 개발하려 했다.

-연구 전개 과정에 대한 소개는.

광대역 흡수를 위한 구조를 연구하던 중 플라즈모닉 나노포커싱 현상으로 실현할 수 있음을 알게 되었고, 양극산화 알루미늄 나노선 구조에서 착안해 금을 코팅하여 높은 흡수율을 얻었다. 그 후 증기 생성에 필요한 물의 지속적 공급을 위해 다공성 테이프를 찾아 적용했다.

-연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지.

블랙 골드 필름을 개발하고 이를 태양광 증기 생성 실험에 활용함에 있어 이론적인 증명 과정을 찾는데 어려움이 있었으나, 정밀한 시뮬레이션 검증을 거치고, 콜로라도 대학의 박원장 교수와 협동 연구를 하며 토의하는 과정을 거쳐 해결의 실마리를 찾을 수 있었다.

-이번 성과, 무엇이 다른가.

초광대역 파장의 빛을 91% 이상 흡수해 태양광 에너지를 최대 57%의 효율로 열에너지로 전환하고, 박막 형태로 물에 띄워 사용하여 열손실이 적어 빠르고 효율적으로 증기를 만들 수 있다. 

-꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은.

이번 연구에서 개발한 블랙 골드 메타 필름을 이용하여 최근 문제가 되고 있는 가뭄 현상의 해소에 기여하고 싶고, 산업적 활용을 위해 비용을 더 절감하여 생산할 수 있는 방법을 연구하고자 한다.