물방울 생성·제거 동시 조절…열전달 성능 5.5배 높였다

카이스트 남영석·임성갑 교수 공동연구팀 개발

초박막 고분자 코팅·열처리로 적상응축 최적화

발전소·담수화·전자기기 냉각에 활용도 가능해

[대전=뉴시스] 한국과학기술원(카이스트·KAIST)이 표면 결함을활용해 물방울이 더 잘 맺히고 잘 떨어지게 하는 나노 고분자 코팅 고효율 응축 구리관을 개발했다. 연구 개념도. (사진=KAIST 제공) 2026.08.23. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 수증기가 물로 변할 때 물방울을 더 많이 만들고 더 빨리 떨어뜨려 열전달 성능을 최대 5.5배 높이는 기술이 개발됐다. 발전소와 담수화설비의 에너지 효율향상 및 전자기기 냉각 등에 활용될 전망이다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)는 기계공학과 남영석 교수와 생명화학공학과 임성갑 교수 공동연구팀이 초박막 고분자 코팅막의 두께와 구조를 조절해 물방울 생성 및 제거를 동시에 최적화 할 수 있는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 지난달 16일 게재됐다.

수증기가 물로 변하는 응축은 발전소 증기 사이클, 담수화·수분포집, 냉동·공조, 전자기기 열관리 등에 활용된다. 일반 금속표면에서는 응축수가 연속적인 물막을 형성해 열전달을 방해하지만 물방울 형태로 맺히는 적상응축은 물방울이 떨어진 자리에 새로운 표면이 생겨 열전달 효율을 높일 수 있다.

표면을 거칠게 하면 물방울 생성자리는 늘지만 물방울이 표면에 붙어 잘 떨어지지 않고 매끄럽게 하면 물방울은 쉽게 떨어지지만 생성자리가 줄어드는 문제가 있어 기존 기술은 물방울을 많이 만들면서 빠르게 제거하기가 어려웠다.

공동연구팀은 이를 초박막 고분자막의 나노구조와 열처리로 해결했다. 개시제를 이용한 화학기상증착법(iCVD)으로 불소계 고분자 pPFDMA를 25·100·500나노미터(㎚) 두께로 코팅한 결과 100나노미터 이하의 얇은 막에서 반결정성 고분자 응집체가 촘촘하게 형성됐다.

이를 통해 결함으로 여겨왔던 나노구조를 물방울 생성을 위한 요소로 활용, 응집체 사이의 나노구조가 물방울이 처음 만들어지는 핵생성 자리로 작용하면서 얇은 막의 핵생성 밀도가 500나노미터 막보다 약 3배 높아졌다.
 
연구팀은 고분자막을 80도에서 1시간 열처리해 표면 거칠기와 물방울의 부착력을 낮춰 물방울이 작은 크기에서 빠르게 떨어지면서 새로운 물방울이 형성될 수 있게 했다.

최적화한 고분자막을 실제 응축기에 사용되는 구리관에 적용한 결과 일반 구리표면의 막상응축보다 약 4.5~5.5배 높은 성능을 달성했고 또 100나노미터 이하 고분자 코팅은 순수 수증기 조건에서 4주 동안 안정적으로 적상응축 상태를 유지하는 게 확인됐다.

이번 연구는 고분자 표면의 나노 구조를 활용해 물방울 생성과 제거를 각각 최적화할 수 있는 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다. 항후 발전소 복수기와 열교환기, 담수화·수분 회수 장치, 전자기기 냉각 시스템 등에 적용되면 열전달 효율 향상과 에너지 소비 절감에 기여할 것으로 기대된다.

남 교수는 "결함으로 여겼던 나노구조를 물방울 생성을 돕는 요소로 활용했다"며 "물방울의 생성과 제거를 조절해 열전달 효율을 높이는 새로운 방법을 제시한 이번 연구는 다양한 에너지·환경 분야에 활용될 것"이라고 말했다.


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