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열을 차단하거나 포집할 수 있는 새로운 플라스틱 박막

<KISTI의 과학향기> 제3348호

미국 MIT와 멕시코 몬테레이 공과대학(Tecnologico de Monterrey)의 연구진은 햇빛에 노출될 때 차갑게 유지되는 새로운 플라스틱 박막을 개발했다. 이 플라스틱 박막은 매우 가볍고 강하며 구부릴 수 있다. 이 재료는 다양한 색상으로 만들 수 있고 전력 없이 건물 및 사람의 온도를 조절할 수 있는 건축물 및 웨어러블 제품에 적용될 수 있을 것이다.
 
이번 연구진은 전도와 복사선을 조사(照射)할 때 열 조절이 가능하고 다양한 광학적 특성을 가진 플라스틱 기반의 재료를 만드는데 최초로 성공했다. 이 재료는 일반적으로 사용되는 저렴한 폴리에틸렌 나노입자와 안료를 사용했다. 생성된 복합 박막은 내구성이 뛰어나고 유연하며 다양한 광학적/열적/기계적 특성을 가질 수 있다.
 
이번에 사용된 재료는 초고분자량 폴리에틸렌인데, 이것을 다양한 각도로 물리적으로 늘림으로써 재료의 광학적, 기계적, 열적 특성을 변화시킬 수 있었다. 이 신소재는 빛에 노출될 때 차가운 상태로 유지되는 것 이외에도 열을 가두어서 옷을 따뜻하게 하거나 투시경 카메라로부터 사람이나 차량을 숨기는데도 적용될 수 있다.
 
박막을 늘리면 플라스틱의 고분자 사슬이 서로 평행한 방향으로 정렬되는데, 이것은 일반적인 플라스틱에서 보이는 것과 매우 다르다. 이번 연구진은 박막에 색상 및 광학적 특성을 추가하기 위해서 소재를 늘리기 전에 다양한 나노입자를 폴리머에 삽입했다. 즉, 가시광선은 흡수하지만 적외선은 흡수하지 않는 나노입자를 사용해서 햇빛 아래에서도 뜨거워지지 않는 합성물을 설계할 수 있었다. 반대로 적외선을 효율적으로 산란시키는 입자를 사용했을 때 열을 가두는 재료를 만들 수 있었다.
 
이번 연구진은 다양한 샘플 박막을 제조하여 인공 태양광선으로 테스트를 진행했다. 예를 들어, 어두운 실리콘 나노입자가 함유된 박막은 흑색 염료/안료로 만들어진 것에 비해서 20℃ 더 낮은 온도를 유지했다. 적외선 카메라 이미징을 사용해서 재료의 측면으로 열이 퍼져 나가는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 유형의 열 확산은 조명된 부분의 온도를 낮추고 냉각을 촉진한다.
 
이 재료를 만드는 공정은 상업적으로 이용 가능하고 대량의 박막을 저렴하게 제조할 수 있다. 이 박막은 다양한 웨어러블 장치와 박막 태양전지/유연한 전자장치의 외장재로서 사용 가능하다. 이번 연구진은 자연광 상태에서 새로운 물질을 테스트할 예정이다. 이 연구결과는 저널 Optical Materials Express에 “Optical engineering of polymer materials and composites for simultaneous color and thermal management” 라는 제목으로 게재되었다(https://doi.org/10.1364/OME.9.001990).

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