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KAIST, '결함'을 기술로 바꿨다…물방울 제어해 열전달 5.5배 향상 [경제일보] 물체 표면에 맺히는 물방울을 더 많이 만들면서도 빠르게 떨어뜨려 열전달 효율을 최대 5.5배 높이는 코팅 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 발전소와 산업용 열교환기뿐 아니라 담수화 설비와 전자기기 냉각 등 응축과 열교환이 필요한 다양한 산업에 적용될 가능성이 주목된다. KAIST는 남영석 기계공학과 교수와 임성갑 생명화학공학과 교수 공동연구팀이 표면의 초박막 고분자 코팅막 구조를 조절해 응축 과정에서 물방울의 생성과 제거를 동시에 촉진하는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 연구 결과는 지난달 16일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 게재됐다. 이번 연구의 핵심은 그동안 고분자막의 ‘결함’으로 여겨졌던 나노미터 크기의 미세 구조를 오히려 물방울을 제어하는 요소로 활용했다는 데 있다. 응축은 발전소에서 터빈을 거친 증기를 다시 물로 되돌리거나 해수에서 물을 얻는 담수화 과정, 각종 열교환기와 냉각 시스템에서 활용되는 핵심 열전달 과정이다. 효율을 높이려면 표면에서 발생한 물이 가능한 빨리 제거돼야 한다. 물방울이 서로 합쳐져 표면을 덮는 물막을 형성하면 열의 이동을 방해하는 열저항이 커지기 때문이다. 문제는 물방울의 ‘생성’과 ‘제거’가 서로 상충한다는 점이다. 표면을 거칠게 만들어 물방울이 맺힐 자리를 늘리면 물방울이 표면에 걸려 떨어지지 않는다. 반대로 매끄럽게 만들면 물방울은 쉽게 떨어지지만 새로운 물방울이 생길 자리가 줄어든다. 연구팀은 이 딜레마를 고분자막 내부의 미세한 응집체를 활용해 해결했다. ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD)’으로 표면에 초박막 고분자막을 형성하고 나노 크기의 구조를 물방울이 처음 생기는 일종의 ‘씨앗 자리’로 활용했다. 그 결과 두꺼운 고분자막보다 약 3배 많은 물방울이 표면에 형성됐다. 여기에 열처리 공정을 적용해 물방울이 표면에 달라붙는 힘까지 낮췄다. 물방울이 충분히 커질 때까지 표면에 머무르는 대신 작은 상태에서 빠르게 떨어지도록 한 것이다. ‘많이 만들고 빨리 제거하는’ 응축 구조를 구현한 셈이다. 실제 산업용 응축기에 널리 사용되는 구리관에 해당 코팅을 적용한 실험에서는 일반적인 구리 표면보다 응축 열전달계수가 최대 5.5배 향상됐다. 기존 발수 코팅과 비교해도 열전달 성능이 50% 이상 높았다. 산업적 의미도 적지 않다. 열교환기의 효율이 높아지면 같은 열처리 성능을 유지하면서 필요한 에너지 투입량을 줄일 수 있기 때문이다. 특히 발전소와 산업시설처럼 대규모 열교환 설비를 운용하는 분야에서는 열전달 효율 개선이 에너지 소비와 운영비 절감으로 이어질 가능성이 있다. 연구팀은 향후 발전소와 산업용 열교환기는 물론 담수화·수분 포집 장치, 전자기기 냉각 등으로 적용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 iCVD 방식은 용매를 사용하지 않고 복잡한 곡면에도 균일한 박막을 형성할 수 있어 실제 산업용 부품에 적용할 수 있는 공정 측면의 장점도 갖췄다. 남 교수는 “기존에 결함으로 여겨졌던 나노 구조를 물방울 생성과 제거를 조절하는 요소로 활용했다”며 “열전달 효율을 높이는 새로운 방법을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.2026-08-23 15:24:26
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"섞을수록 균일해진다"…KAIST, 나노소재 상식 뒤집었다 [경제일보] KAIST가 미국 스탠퍼드대학교와 함께 여러 금속을 섞을수록 오히려 더 균일한 나노입자가 만들어지는 현상을 규명했다. 다성분 나노소재 합성의 난제로 꼽혀온 불균일 문제를 새롭게 해석한 성과로 고성능 촉매와 친환경 에너지 소재 개발에 활용될 가능성이 크다. KAIST는 생명화학공학과 정희태 석좌교수 연구팀이 스탠퍼드대 마테오 카르넬로 교수팀과 공동으로 다성분 금속 나노입자에서 나타나는 ‘성분 집중’ 현상을 규명했다고 8일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스’에 7일 미국 현지 시각으로 게재됐다. 논문은 다성분 나노결정에서 금속 원소 간 경쟁적 반응성이 입자 크기와 성분 균일화를 유도한다는 내용을 담고 있다. 나노입자는 반도체 친환경 에너지 바이오 촉매 등 다양한 산업에서 핵심 소재로 활용된다. 최근에는 성능을 높이기 위해 여러 금속을 섞은 다성분 구조가 주목받고 있다. 그러나 금속 원소가 많아질수록 각 원소의 반응 속도와 결합 특성이 달라 입자의 크기와 조성이 불균일해지는 문제가 있었다. 연구팀은 이 통념과 다른 결과를 확인했다. 금속 종류가 늘어날수록 입자 성분이 특정 조성으로 모이며 더 균일해지는 ‘성분 집중’ 현상이 나타난 것이다. 서로 다른 금속 원자들이 경쟁적으로 결합하는 과정에서 먼저 자리 잡은 원자가 뒤이어 들어오는 원자의 결합을 돕는 징검다리 역할을 한다는 설명이다. 이 과정에서 원자들은 무작위로 섞이는 것이 아니라 층을 이루며 안정적인 구조를 형성했다. 그동안 복잡성과 불균일성의 원인으로 여겨졌던 다성분 반응 환경이 오히려 질서 있는 나노구조 형성을 돕는다는 점을 밝힌 셈이다. 연구팀은 원리를 검증하기 위해 5가지 금속을 포함한 다성분 나노입자 촉매를 제작했다. 이 촉매는 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 반응에서 기존 산업 기준 촉매로 널리 쓰이는 루테늄 기반 촉매보다 4배 이상 높은 촉매 반응 속도를 보인 것으로 보고됐다. 암모니아 분해는 수소 운반과 생산 과정에서 중요한 기술로 꼽힌다. 암모니아는 수소를 저장하고 운반하기 쉬운 물질이지만 다시 수소를 꺼내려면 효율적인 촉매가 필요하다. 고성능 촉매를 확보하면 수소 생산 공정의 에너지 부담을 낮추고 친환경 에너지 전환에도 기여할 수 있다. 이번 연구는 소재 설계 방식에도 변화를 줄 수 있다. 기존에는 금속을 많이 섞을수록 합성 제어가 어려워진다고 봤지만 이번 결과는 적절한 조합과 반응 조건을 설계하면 다성분 구조가 오히려 균일성과 성능을 높일 수 있음을 보여준다. 향후 수소 생산 이산화탄소 전환 연료전지 촉매 등 다양한 에너지 공정 소재 개발로 확장될 가능성이 있다. 다만 실제 산업 적용까지는 대량생산과 품질 균일성 확보가 과제로 남는다. 실험실 수준에서 확인한 구조와 성능을 대규모 공정에서도 반복 구현해야 상용 촉매로 이어질 수 있다. 다성분 나노소재는 조성 변수와 반응 조건이 많아 AI 기반 소재 탐색과 공정 최적화가 중요해질 전망이다. 정희태 KAIST 생명화학공학과 석좌교수는 “이 원리를 활용하면 원하는 성능에 맞춰 금속 조성을 설계할 수 있어 수소 생산 이산화탄소 전환 등 에너지 공정의 효율을 높이는 고성능 촉매와 친환경 에너지 소재 개발에 활용될 수 있을 것”이라며 “향후 대량생산에서도 동일한 품질을 유지하는 기술과 AI를 활용해 최적의 소재를 설계하는 기술 개발에 주력할 계획”이라고 말했다.2026-05-08 06:58:42
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센서·디스플레이·연산을 소재로…한화토탈에너지스, '고분자'로 미래 연다 [경제일보] 국내 석유화학 기업 한화토탈에너지스가 고분자 기반 첨단 소재 연구를 지원하며 '전통 화학기업'에서 '첨단 소재 기업'으로의 전환에 속도를 내고 있다. 학술상 후원을 통한 기초과학 투자 확대가 반도체·디스플레이·헬스케어 등 차세대 산업과의 접점을 넓히는 전략적 행보로 읽힌다. 한화토탈에너지스는 '한화고분자학술상' 2026년 수상자로 박철민 연세대 신소재공학과 교수를 선정했다. 박 교수는 자기조립 고분자의 나노구조 제어 기술을 기반으로 초저전력 인공지능(AI) 디스플레이와 인공신경망 디스플레이 핵심 기술을 개발한 공로를 인정받았다. 해당 기술은 인체 정보를 감지하고 이를 표시·저장·학습까지 수행하는 '센싱-디스플레이-연산' 통합 구조를 구현했다는 점에서 기존 전자소자와 차별화된다. 특히 초저전력 기반이라는 점에서 웨어러블 헬스케어, 고령자 모니터링 등 응용 가능성이 높다는 평가다. 고분자 소재는 석유화학 산업의 기초 영역으로 분류되지만 최근에는 반도체·디스플레이·배터리 등 첨단 산업의 핵심 소재로 재평가되고 있다. 단순 범용 플라스틱에서 기능성·지능형 소재로 진화하면서 산업 내 위상이 달라지고 있는 것이다. 특히 AI와 결합한 고분자 소재는 '전자소자의 유연화·저전력화'를 가능하게 하며 차세대 디바이스의 핵심 기술로 부상하고 있다. 이번 수상 연구 역시 이러한 흐름을 반영한 사례로 해석된다. 이 같은 변화는 석유화학 산업이 직면한 구조적 위기와도 맞닿아 있다. 범용 제품 중심의 사업 구조는 글로벌 공급 과잉과 가격 경쟁 심화로 수익성이 둔화되고 있다. 중국을 중심으로 한 대규모 증설이 이어지면서 기존 화학 제품만으로는 차별화가 어려운 상황이다. 이 때문에 주요 화학기업들은 '스페셜티(고부가 소재)' 중심으로 포트폴리오 전환을 서두르고 있다. 기초과학 연구와 첨단 소재 개발이 기업 경쟁력의 핵심 축으로 부상하는 배경이다. 한화토탈에너지스가 지난 2005년부터 고분자학술상을 지속해온 것도 이 같은 전략의 연장선으로 볼 수 있다. 단기적인 사업 성과가 아닌 장기적인 기술 기반 확보를 위해 학계 연구를 지원하는 간접 투자 방식이다. 이는 연구 성과를 산업으로 연결하는 선순환 구조를 구축하려는 시도로 해석된다. 특히 이번 수상 연구가 보여준 '고분자+AI+디스플레이' 융합 기술은 향후 산업 지형 변화의 단서를 제공한다. 센서, 디스플레이, 연산 기능이 하나의 소재 기반 플랫폼으로 통합될 경우 기존 반도체 중심 구조와 다른 새로운 디바이스 생태계가 형성될 가능성도 제기된다. 이는 석유화학 기업이 단순 소재 공급자를 넘어 기술 플랫폼의 일부로 진입할 수 있음을 시사한다. 다만 기초 연구 성과가 실제 산업화로 이어지기까지는 상당한 시간과 추가 투자가 필요하다. 또한 소재 기술을 실제 제품으로 연결하기 위해서는 반도체·전자·바이오 기업과의 협업도 필수적이다. 학술 지원이 곧바로 사업 성과로 이어지기보다는 중장기 투자 성격이 강하다는 점에서 지속적인 전략 일관성이 요구된다.2026-04-10 11:05:17
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