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| (왼쪽부터) 기계공학부 박성훈 교수와 제1저자 남건우 연구원 |
숭실대학교(총장 이윤재)는 기계공학부 박성훈 교수 연구팀이 얼음은 쉽게 떨어지면서도 코팅 자체는 표면에 강하게 부착되는 차세대 아이스포빅(Icephobic) 코팅 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 코팅은 머리카락보다 수십 배 얇은 두께에서도 뛰어난 얼음 제거 성능을 유지하며, 반복적인 결빙과 마찰에도 견디는 내구성을 확보해 기존 제빙 코팅의 한계를 극복했다.
연구팀에 따르면 이 코팅은 일반 금속 표면 대비 얼음 부착력을 약 98.6% 낮췄다. 얼음을 떼어내는 데 필요한 힘이 기존의 약 70분의 1 수준으로 줄어, 중력·바람·진동 같은 작은 외력만으로도 얼음이 떨어질 수 있다는 의미다. 연구 결과는 세계적 학술지 Nature Communications에 게재됐다.
결빙, 산업 현장의 안전사고·에너지 손실 원인
겨울철 자동차 유리창이나 냉동고에 얼음과 성에가 쌓이는 현상은 일상에서 흔히 볼 수 있다. 하지만 항공기, 극지 선박, 풍력발전기, 산업용 열교환기 등에서 발생하는 결빙은 장비 작동을 방해하고 안전사고와 에너지 손실로 이어질 수 있다. 최근에는 자율주행차의 레이더·라이다 센서, 극지 감시장비 등 정밀 전자장치에서도 결빙에 따른 성능 저하 문제가 발생하고 있다.
현재 산업 현장에서는 주로 전기히터나 기계적 제빙 방식을 쓰지만 에너지 소비와 유지관리 비용이 높다는 한계가 있다. 이에 따라 얼음이 형성돼도 작은 외력으로 쉽게 떨어지는 아이스포빅 코팅 기술이 대안으로 주목받고 있다. 다만 기존 아이스포빅 코팅은 얼음 제거 성능이 우수해도 코팅층의 접착력·내구성이 부족하거나, 두께가 얇아지면 성능이 떨어지는 문제가 있어 실제 적용에는 한계가 있었다.
동적 분자 결합으로 초박막 제빙 성능·접착력·내구성 동시 확보
연구팀은 분자 간 결합이 끊어졌다 다시 형성되는 동적 결합 특성을 가진 폴리보로실록산(Polyborosiloxane, PBS) 소재를 활용했다. 실리콘계 고분자에 PBS의 가역적 동적 결합 구조를 도입해, 외력이 가해지면 분자 결합이 유연하게 재배열되며 응력을 완화하도록 설계했다. 그 결과 얼음은 작은 힘에도 쉽게 떨어지면서 코팅 자체는 바탕 소재에 강하게 부착되는 특성을 구현했다.
실험 결과, 개발 코팅의 얼음 부착 강도는 약 6.4kPa로, 일반 금속 표면 대비 약 98.6% 낮았다. 코팅의 접착 강도는 일반 실리콘계 코팅보다 약 9배 높아 제빙 성능과 접착력을 동시에 확보했다. 기존 연성 고분자 코팅과 달리 초박막에서도 제빙 성능을 유지해 두께에 따른 성능 저하 문제도 해결했다. 반복적인 결빙·제빙, 마찰·마모, 접착테이프 박리, 환경 안정성 시험에서도 낮은 얼음 부착 강도를 유지해 내구성을 입증했다. 스프레이·딥 코팅 같은 단순 공정으로 제작할 수 있어 복잡한 형상이나 대면적 산업 설비에도 적용할 수 있다.
극지 선박·항공기부터 냉동설비까지 에너지 절감 기대
이 기술은 극지 선박, 항공기, 풍력발전기 등 극한 환경 설비뿐 아니라 냉동창고, 냉장·냉동 가전, 산업용 열교환기 등에 활용될 수 있다. 얼음이 쉽게 떨어지는 표면을 구현해 전기히터·기계적 제빙 장치에 대한 의존도를 낮추고, 에너지 소비와 유지관리 비용을 줄일 수 있다. 극지 감시장비, CCTV, 자율주행차 레이더·라이다 센서 등 결빙에 민감한 정밀 장치에도 응용할 수 있다. 연구팀은 향후 산업 현장에서의 실증을 통해 장기 내구성과 에너지 절감 효과를 검증할 계획이다.
박성훈 교수는 "이번 연구의 성과는 제빙 성능과 코팅의 접착력·내구성을 동시에 확보하고, 기존 코팅의 두께에 따른 성능 저하 문제까지 해결했다는 점"이라며 "극지 선박과 항공기, 풍력발전기부터 냉동설비와 열교환기까지 적용 분야를 넓히고, 산업 현장 실증과 기술 고도화를 통해 실용적인 제빙 기술로 발전시킬 계획"이라고 말했다.
이번 연구는 숭실대 기계공학부 박성훈 교수(교신저자)와 남건우 연구원(제1저자)이 수행했으며, 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지정책 융합대학원 사업의 지원을 받았다.
