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- PMMM은 크기가 약 10마이크로미터, 특별한 광학적 및 열적 특성을 지닌 메타물질
- 높은 투명성과 함께 광 산란, 자가 세척 및 복사 냉각을 포함한 여러 기능을 통합
- 유리가 입사광의 약 91%가 통과하는 반면, 새로운 소재는 95%의 투명도를 달성
- 환경친화적인 주택 건설 및 도시 개발 계획에 확장되고 원활하게 통합 가능

이 폴리머가 유리보다 나을까?
지속 가능하고 기후에 민감한 유리 외관용으로 발견된 피라미드 폴리머

유리집에 사는 사람:
연구원들이 유리보다 투명하고 실내 공간을 시원하게 하며 연잎처럼 스스로 청소하는 폴리머 기반 소재를 개발했다. 이러한 유용한 특성은 재료의 특수한 나노구조로 인해 가능해졌다. 나노구조는 수많은 작은 피라미드로 구성되어 있다. 특별한 광학적 및 열적 특성 덕분에 폴리머 필름은 미래에 벽과 지붕의 유리를 대체할 수 있다.  

▲ 이와 같은 유리 외관은 자가 세척 코팅의 이점을 확실히 누릴 수 있다. © Hubertl CC by 4.0

유리집에 산다면 최소한 너무 많은 편안함을 기대해서는 안 된다. 건물에는 자연광이 많이 들어오는 것이 바람직하다. 유리 외관은 대표적이고 현대적인 것으로 여기지만 기존의 유리 지붕과 벽은 많은 문제를 안고 있다. 건물 정면은 빠르게 가열되고 지속적인 청소가 필요하며 입사광은 불쾌할 정도로 눈을 멀게 할 수 있다. 자체 청소 표면이나 3D 프린팅 가능한 외관 요소와 같은 기존 혁신조차도 아직 문제를 완전히 해결하지 못했다.

태양 보호 역할을 하는 수백만 개의 마이크로 피라미드

유리 외관과 지붕이 있는 건물의 조명 조건을 보다 편안하게 만들기 위해 Karlsruhe Institute of Technology(KIT)의 Gan Huang이 이끄는 연구팀은 이제 실리콘 폴리디메틸실록산(PDSM)을 기반으로 하는 PMMM(Micro-Photonic Multi-Functional Metamaterial)재료를 개발했다. 이를 통해 최대 수 평방센티미터 크기의 필름을 만들 수 있다. 안정성을 높이기 위해 유리로 된 집 정면에 접착할 수 있다.

▲ a. PMMM의 개념은 빛 확산, 반사 방지, 자체 청소 및 복사 냉각 기능을 통합했다. b 소다석회 유리 기판 위의 소다석회 유리와 PMMM 필름의 사진. c 마이크로 피라미드 구조의 구조와 크기. d 전통적인 유리지붕이 있는 건물. e PMMM 지붕이 있는 건물. PMMM 지붕은 반사 손실이 적고 빛의 확산이 뚜렷하여 보다 편안한 조명 환경을 제공한다. 건물에 있는 토마토 식물과 같은 식물도 더 빠르고 건강하게 자랄 것이다. PMMM 지붕의 더 강력한 복사 냉각 성능은 효과적인 전기 없는 복사 냉각을 제공할 수 있다.

PMMM의 특별한 점은 나노구조 표면이다. PMMM은 크기가 약 10마이크로미터, 즉 머리카락 직경의 약 10분의 1인 미세한 피라미드로 구성되어 있다. 이 나노 구조는 PMMM을 특별한 광학적 및 열적 특성을 지닌 메타물질로 만든다. "이 디자인은 높은 투명성과 함께 광 산란, 자가 세척 및 복사 냉각을 포함한 여러 기능을 통합한다"고 Huang과 그의 동료들은 보고했다.

효율적인 자체 냉각 기능을 갖춘 다기능 소재

연구원들은 실험실과 야외에서 최신 방법을 사용해 메타물질 필름의 기능을 테스트했다. 재료의 냉각 효과를 조사하기 위해 PMMM 지붕이 있는 냉각 테스트 챔버의 온도를 결정했다. 그들은 또한 필름의 빛 투과 및 반사 특성을 결정하기 위해 분광광도법을 사용했다.

▲ a. Karlsruhe Institute of Technology의 Solar Park 내 테스트 플랫폼 사진. 냉각 테스트 챔버는 복사 냉각을 통해 폴리머 기반 PMMM(Micro-Photonic Multi-Function Metamaterials) 샘플의 최소 온도를 테스트하는 데 사용되었다. PMMM-지붕 상자와 유리-지붕 상자는 PMMM과 일반 유리를 지붕으로 하는 실험 인클로저의 온도를 테스트하는 데 사용되었다. b 냉각 테스트 챔버, PMMM 루프 박스 및 유리 루프 박스의 개략도. 냉각 시험실은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 필름으로 전면 유리를 덮었습니다. 자세한 치수는 방법 섹션에 제공된다.

이 소재는 평방미터당 약 97와트의 냉각 출력을 달성했으며 따라서 주변 지역보다 최대 6도 더 낮은 것으로 나타났다. 그 이유는 필름에 함유된 폴리디메틸실록산이 햇빛을 거의 흡수하지 않고 약 8~13마이크로미터 파장의 열을 방출하기 때문이다. 이는 지구 대기의 적외선 투과 창과 정확히 일치한다. 방출된 방사선은 쉽게 대기를 관통하여 빠져나갈 수 있다.

“이 특성은 전력 소비 없이 수동적 복사 냉각을 가능하게 한다”고 KIT의 브라이스 리챠드(Bryce Richards)와 해당 연구의 수석 저자는 말했다.

▲ 고분자 기반 PMMM(Micro-Photonic Multi-Function Metamaterials) 작동 원리, 복사 냉각 성능 및 광 확산. a 가시 범위에서 θin = 0°, 40° 및 80°에 대한 PMMM의 시뮬레이션된 광선 전파 맵. 대부분의 입사광(>80%)은 θin = 0°일 때 ±30° 범위에서 확산된다. 마이크로 피라미드 구조는 입사각이 θin = 80°만큼 높을 때 입사 햇빛을 아래쪽 방향으로 성공적으로 방향을 바꿀 수 있다. (출처: Published: 07 May 2024/ Radiative cooling and indoor light management enabled by a transparent and self-cleaning polymer-based metamaterial / nature communications)

유리보다 투명하다.

또한 새로운 PMMM 필름은 유리보다 더 투명하다. 이로 인해 유리가 입사광의 약 91%가 통과하는 반면, 새로운 소재는 95%의 투명도를 달성했다. 그 이유는 나노 피라미드에 의해 반사된 태양 광선이 하늘이 아닌 인접한 마이크로 피라미드로 방향이 바뀌기 때문에 우회하더라도 여전히 물질을 관통하기 때문이다. 재료의 혁신적인 표면 디자인은 거의 산란되지 않는 유리와 달리 투과된 빛을 강하게 산란시킨다.

“이 소재를 지붕과 벽에 사용하면 작업과 생활을 위한 내부 공간을 밝고 동시에 눈부심이 없으며 시각적으로 보호할 수 있다. 온실에서는 광합성 효율이 유리 지붕이 있는 온실보다 9% 더 높을 것으로 추정되기 때문에 빛 투과율이 높으면 수확량이 증가할 수 있다”고 Huang은 말했다.

스스로 청소하는 지붕

PMMM 필름은 또한 연꽃잎 표면의 나노구조와 유사하게 물을 밀어낸다. 한편으로, 이 소재는 본질적으로 발수성이다. 반면에 필름의 피라미드 구조는 물방울이 표면과 접촉하는 면적을 줄여서 약간의 경사에도 물방울이 거의 그 위에 떠 있다가 굴러가는 현상을 보인다.

굴러가는 물은 표면의 먼지와 먼지를 제거한다. 연구진은 “PMMM 필름의 이러한 능동적 자가 세척 기능은 기존 표면에 비해 상당한 이점을 제공하므로 건축 자재와 먼지 입자 제거가 용이한 기타 실외 표면을 비롯한 다양한 응용 분야에 매력적인 선택이 된다”고 말했다.

▲ 폴리머 기반 PMMM(Micro Photonic Multi-function Metamaterials)의 자체 세척 성능. e 비 활성 자체 청소의 개략도. f 능동적 자가 청소 과정(실내 실험실 시뮬레이션 실험). g 이슬 수동적 자체 청소의 개략도. h 수동적 자가 세척 과정(실내 실험실 모의 실험).

지속 가능한 건축 자재

Huang과 그의 동료들에 따르면, 마이크로 피라미드 필름은 또 다른 장점을 가지고 있다. 즉, 다기능적이고 효율적일 뿐만 아니라 기본 재료인 폴리디메틸실록산도 비용 효율적이고 지속 가능하다. 이는 자재를 대규모로 확장 가능하고 환경친화적으로 만들어 주택 건설의 지속 가능한 개발 추구 측면에서 큰 장점이다. "우리가 새로 개발한 재료는 다양한 분야에서 사용될 수 있는 잠재력을 갖고 있으며, 지속 가능하고 에너지 효율적인 건축에 중요한 기여를 한다"고 Richards는 말했다.

“이 소재는 동시에 실내에서 최적의 햇빛 사용을 보장하고 수동 냉각을 제공하며 에어컨에 대한 의존도를 줄일 수 있다. 이 솔루션은 환경친화적인 주택 건설 및 도시 개발 계획에 확장되고 원활하게 통합될 수 있다”고 Huang은 요약했다.
(Nature Communications 2024; doi: 10.1038/s41467-024-48150-2)
출처: KIT(칼스루에 공과대학)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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