포항공대, 김서림·반사방지 자가 세정 나노 코팅기술 개발 Macroporous photothermal bilayer evaporator for highly efficient and self-cleaning solar desalination

포스텍, 김서림·반사방지 나노 코팅기술 개발

 

    포스텍은 화학공학과 이효민 교수, 김동표 교수, 통합과정 윤종선씨 연구팀이 나노 구조체 위에 마이크로 구조체를 구현해 김 서림과 반사 방지, 자가 세정이 동시에 가능한 새로운 코팅기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 

연구성과는 재료공학 분야 세계 정상급 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’의 내부 표지로 최근 선정됐다.

Macroporous photothermal bilayer evaporator for highly efficient and self-cleaning solar desalination Highlights 3D bilayer macroporous membrane is developed for efficient and sustainable solar steam generation. Superhydrophilicity of the membrane compensates for the evaporation limit at large pore sizes. Macropores of the membrane promote sedimentation of precipitated salt crystals for sustainable seawater desalination High evaporation rate and geometrical traits of STIMM generate strong convective flows for dynamic salt rejection. Abstract Solar steam generation is a promising technology for harvesting solar energy to purify seawater and wastewater. State-of-the-art technologies have struggled to achieve sufficient solar evaporation rate and antifouling property simultaneously. In addition, the antifouling strategies based on flow dynamics need to be established to develop more efficient membrane designs. Here we propose a new superhydrophilic thermally-insulated macroporous membrane (STIMM) composed of carbonized sucrose and polydimethylsiloxane as an efficient solar evaporator. The converted solar energy is fully utilized for evaporation by the aid of the coupled effects of superhydrophilicity and heat localization. STIMM achieves a high evaporation rate of 2.045 kg/m2/h even at its macropore size under 1 sun irradiation, overcoming the previous trend limit. The macropores of STIMM enable self-cleaning with a 93.1% salt rejection rate. The high evaporation rate and geometrical traits of STIMM generate strong convective flows to dynamically reject salt. The solar desalination system based on STIMM stably produces a practically high amount of purified water with a production rate of 24.9–30.6 L/m2/day. Our proposed STIMM demonstrates a new paradigm for facile desalination systems that are low cost, energy efficient, and self-cleaning under natural environmental condition. View full text https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520307084

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일상생활에서 접할 수 있는 투명 디스플레이부터 미래 기술이 집약된 디지털 렌즈에 이르기까지 광학용 투명 기판이 폭넓게 사용되고 있다. 이런 기판들은 어떠한 환경에도 우수한 광학적 성질을 유지해야 하는데 김 서림 현상이나 잦은 접촉으로 인해 표면이 쉽게 오염될 수 있다.

이런 문제들을 해결하기 위해 김 서림 방지(Antifogging)와 자가 세정(Self-cleaning) 코팅 기술이 연구되고 있다. 하지만 두가지 기능은 각각 서로 상반되는 표면 젖음 성질을 요구하기 때문에 이를 하나의 표면에 동시에 구현하는 데는 어려움이 있었다.  

연구팀은 물을 좋아하는 고분자-실리카 나노 복합체에 주목했다. 나노 복합체의 경우 공기 중의 물 분자들이 모세관 응축 현상에 의해 모여들기 때문에 김 서림 환경에서도 투명한 채로 남아있다. 반면, 낮은 표면 에너지의 마이크로 구조체는 표면에 흡착되는 여러 오염 물질들을 외부 물방울에 의해 손쉽게 제거할 수 있도록 한다.

연구팀은 이런 나노 구조체 위에 마이크로 구조체를 전사한 새로운 구조를 통해 김 서림 방지와 자가 세정이 동시에 되는 습식기반 초소수성 김 서림 방지 코팅(Wet-style Superhydrophobic Antifogging Coating)을 제안했다.

그 결과, 기저 나노 복합체를 통해 물 분자를 흡수하고 불소계 고분자 패터닝을 통해 물방울을 반발함으로써 두가지 상반된 기능이 동시에 가능한 것으로 확인됐다.

포스텍 이효민 교수(왼쪽)와 통합과정 윤종선씨

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연구를 주도한 이효민 교수는 “이번 연구는 김 서림 방지 코팅을 제조하는 새로운 방법을 제시했다”며 “이 코팅 기술은 자율주행 자동차나 로봇 등 어떠한 환경에도 우수한 광학적 성질을 유지해야 하는 고부가가치 센서에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 신진연구지원사업과 전략형 국제공동연구사업, 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

조명의 기자 techwriter@techworld.co.kr  테크월드뉴스

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