국립금오공과대학교(총장 김상호) 재료공학부 박준용 교수 연구팀이 자연에서 영감을 받은 세 가지 기능을 하나의 소재에 통합하여 ‘전력 소모가 필요 없는 스마트 단열 패치’를 개발했다.

  연구 결과는 ‘Bioinspired Trifunctional Patches for Adaptive and Energy-Efficient Thermal Management(적응형 및 에너지 효율적 열 관리를 위한 생체모사 삼중 기능 패치)’라는 제목으로 재료과학 분야의 저명 국제 학술지인 Advanced Functional Materials(IF: 19.0, JCR 상위 5% 이내)에 3월 23일자로 게재됐다. 윤서한 신소재공학과 박사과정(제1저자), 박준용 교수(교신저자)의 이번 연구는 연구의 독창성과 시각적 표현성을 인정받아 내부 표지(Inside Back Cover)로도 선정됐다. 

  일반적으로 겨울철이 되면 많은 가정에서 난방비 부담을 줄이기 위해 창문에 에어캡(일명 ‘뽁뽁이’)을 붙여 단열 효과를 기대하곤 한다. 그러나 에어캡을 유리 표면에 고르게 밀착시키는 것은 생각보다 쉽지 않으며, 반복적인 탈부착이 어려워 계절이 바뀔 때마다 새로 교체해야 하는 번거로움이 있다. 또한 창문에 접착 흔적이 남거나 에어캡과 유리 사이에 결로와 곰팡이가 발생하는 문제도 나타날 수 있다. 무엇보다 실제 단열 성능도 기대만큼 높지 않다는 지적이 있으며, 심미적·기능적 측면에서도 여러 한계가 있다고 평가된다.

  박준용 교수 연구팀은 이러한 일상적인 단열 방식의 한계를 해결하기 위해 자연에서 아이디어를 얻은 새로운 소재 설계 전략을 제시했다.

  연구팀은 자연의 다양한 기능을 하나의 구조에 통합하는 진보된 자연모사 전략을 바탕으로 접착·단열·센서 기능이 하나로 결합된 ‘3-in-1 생체모사 스마트 패치’를 개발했다.

  패치의 한쪽 면에는 도마뱀 발에서 영감을 얻은 미세 구조를 형성해 접착제 없이도 표면에 쉽게 붙였다 떼었다 할 수 있는 건식 접착 기능을 구현했고, 반대쪽 면에는 펭귄 깃털을 닮은 다공성 구조를 형성해 공기를 가두어 열이 쉽게 빠져나가지 않도록 했다. 여기에 온도에 따라 색이 변하는 감온 소재를 결합해 카멜레온처럼 주변 환경의 온도 변화를 색의 변화로 직관적으로 확인할 수 있도록 했다.

  이렇게 개발된 패치는 다양한 표면에 반복적으로 붙였다 떼어도 접착력이 유지되며 부착면에 오염을 남기지 않는 특징을 보였다. 동시에 내부 공기층 구조를 통해 열이 외부로 빠져나가는 것을 효과적으로 차단해 기존 창문 단열 방식보다 우수한 보온 성능을 나타냈다. 특히 별도의 전자 장치나 전력 공급 없이도 온도 변화에 따라 색이 달라지는 특성을 통해 사용자는 패치의 색 변화만으로 주변 온도를 직관적으로 확인할 수 있다. 이러한 특성은 온도에 감응하여 스스로 패턴이 변하는 스마트 벽면 소재나 인터랙티브 공간 디자인 기술로도 확장 가능하다.

  연구를 주도한 박준용 교수는 “지금까지 자연모방 연구가 주로 자연의 단일 기능을 모사하는 데 집중했다면, 이번 연구는 자연의 다양한 기능들을 하나의 소재 안에 조화롭게 통합한 새로운 접근이라는 점에서 의미가 있다”며, “향후 고기능성 패시브 건축 자재, 스마트 인테리어, 적외선 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 열 차폐 기술 등 다양한 산업 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

  한편, 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업 및 나노소재기술개발사업 미래기술연구실 전략형, 경상북도 RISE사업(지역성장혁신LAB)의 지원을 받아 수행됐다.