특허 개요
본 특허는 햇빛 등 가시광을 받아 열을 발생시키는 광대역 플라즈모닉 메타표면 결빙 방지 필름입니다. 셀룰로오스 나노 크리스탈(CNC)과 이방성 금 나노막대(GNR)를 이원 혼합용액에 분산한 잉크를 코팅·증발시키면, 선택적 증발에 따른 마랑고니 유동과 디웨팅으로 두 입자가 나이테형 원주 패턴으로 공동 자가조립합니다. 정렬된 GNR의 국소 표면 플라즈몬 공명과 CNC의 광흡수·산란이 가시광 흡수와 광열 발열을 높여 결빙 및 제빙에 활용합니다.
- 핵심 기능
CNC와 GNR이 포함된 잉크를 기판에 코팅하고 건조하는 동안, 디웨팅-커피링 속도비를 1 이상으로 유지해 커피링에 따른 입자 집중을 억제하고 균일한 복합 메타표면을 형성합니다. 형성된 필름은 가시광을 흡수해 열로 전환하며, 필요에 따라 방수층을 더해 수분 노출에 따른 공동 자가조립 패턴 변형을 줄입니다.
- 차별 강점
기존 열선 방식은 전력 공급과 누전·과열 관리가 필요하고, 스프레이·오일 방식은 사용 환경에 따라 기능이 소실될 수 있습니다. 본 특허는 CNC-GNR 공동 자가조립과 이원 혼합용액의 증발 유동 제어를 결합해 복잡한 패터닝 공정 없이 균일한 광열 표면을 구현하고, 단순 증발 공정으로 제조할 수 있는 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 광열 변환, 플라즈모닉 소재, 기능성 나노코팅, 자연광 기반 열관리 및 결빙·제빙 연구 분야에 활용 가능하며, 자동차·항공·건축용 기판별 코팅 설계로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 자동차 유리 성에 제거, 항공기 표면 제빙, 주거·상업공간 유리창 코팅, 투명·반투명 기능성 코팅 및 자연광 에너지 하베스팅형 열관리 필름으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
CNC-GNR 공동 자가조립 필름을 물·메탄올 혼합용액 조건에서 제조하고, 가시광 조사와 온도 제어 스테이지를 이용해 광열 발열, 결빙 방지 및 제빙 성능을 확인했습니다. 약 4×4cm² 패턴과 단기 방수 평가가 제시됐으나, 대면적 연속 코팅 및 옥외 장기 내후성은 아직 검증되지 않았습니다.
- 시료: CNC-GNR 공동 자가조립 결빙 방지 필름
- 비교군: 물 기반 필름, 물 70부피%·메탄올 30부피% 필름, CNC 없는 GNR 필름
- 시험 조건: 온도 제어 스테이지 영하 15～영하 8℃, 350～800㎚ 가시광 500±50mW/cm² 조사
현재 성과
영하 8℃ 기판에서 필름 표면의 결빙이 관찰되지 않았으며, 350～800㎚ 가시광을 500±50mW/cm²로 600초 조사하는 조건에서 필름 표면 제빙이 확인됐습니다. 기판을 영하 15℃까지 냉각한 후 영하 8℃로 변화시킨 조건에서도 결빙 방지 결과가 제시됐습니다.
물 30부피%·메탄올 70부피% 조건의 실시예에서 디웨팅-커피링 속도비가 1보다 크고 총 증발시간은 410초였으며, 커피링 미발생과 필름 두께비 1.21 및 1.20이 제시됐습니다. 물 기반 및 물 70부피%·메탄올 30부피% 비교 조건에서는 속도비가 1보다 작고 커피링이 발생했습니다.
GNR 단독 필름은 얇은 띠 형태의 불균일 커피링 패턴을 형성하고 광열 온도 상승이 배경 노이즈와 구분하기 어려울 정도로 작게 제시됐습니다. 본 기술은 CNC를 GNR의 분산·정렬 매트릭스로 활용하고, 이원 혼합용액의 선택적 증발과 마랑고니 유동을 이용해 균일 배향의 광대역 플라즈모닉 메타표면을 형성하는 점이 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
롤투롤 등 대면적 연속 코팅 공정에서의 필름 두께·패턴 균일도와 제조 재현성 검증
옥외 자연광, 온습도 변화 및 수분 노출 조건에서의 장기 내후성과 방수층 안정성 검증
반복 결빙·제빙 조건에서의 수명, 기판별 접착성 및 코팅 신뢰성 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
이방성 금 나노 막대와 셀룰로오스 나노 크리스탈 입자가 공동 조립된 광대역 플라즈모닉 메타 표면을 이용한 결빙 방지 필름
10-2023-0146268 (2023.01.01)
미등록 (심사 중)
김형수 (한국과학기술원), 윤동기 (한국과학기술원), 편정수 (한국과학기술원), 박순모 (한국과학기술원)
한국과학기술원